авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 | 4 |
-- [ Страница 1 ] --

Тулайкова Т.В., Мищенко А.В., Амирова С.Р.

Акустические дожди.

Физматкнига

Москва, 2010

1

УДК

551.583

ББК 22.161

Т 82

Тулайкова Т.В. Мищенко А.В., Амирова С.Р.

Акустические дожди –

Москва, Физматкнига, 2010 г. – 160с.

ISBN.589155193

Рецензент – доктор технических наук, Профессор Гринченко С. Н., главный

научный сотрудник ИПИ РАН.

Избыточное количество парниковых газов в земной атмосфере препятствует естественному охлаждению Земли, как это было в природе сотни и тысячи лет назад. Поэтому, наряду с усилиями по ограничению выбросов парниковых газов в атмосферу, мы предлагаем стимулировать разработку большего числа технических методов и новых технологий, направленных на очистку воздуха и, главным образом, свободной атмосферы от уже накопившихся в ней парниковых газов. Эта задача весьма своевременная, актуальная и сложнейшая. Дожди эффективно очищают атмосферу от ряда техногенных примесей, частично растворяют углекислый газ, уменьшают излишнюю облачность.

В этой книге проводится анализ метода акустической коагуляции аэрозолей для его применения непосредственно в облаках с целью интенсификации осадков. Проводится анализ оптимальных режимов воздействия на облачные капли, конструкций акустических сирен.

Приводятся литературные данные о частичном растворении СО2 и других газов-загрязнителей в осадках. Приведена библиография и обзор прежних работ по акустической коагуляции аэрозолей.

ISBN. Издательство «Физматкнига», Оглавление стр.

Глава 1. Цели, преимущества метода, история вопроса Достоинства акустического метода История вопроса и современные работы в разных странах мира Климатические изменения Глава 2. Вымывание части парниковых газов осадками Растворимость СО2 в водах океана Удаление примесей дождем Глава 3. Облака и их основные для акустического воздействия характеристики Классификация облаков Формирование спектра капель в естественном облаке Формулы спектров облачных капель Искусственный дождь в виде оптимизированных капель, выброшенных из самолета с оптимальной высоты Особенности фазовых переходов падающей в атмосфере капли Режим охлаждения атмосферы при полном испарении падающих капель Уравнение Смолуховского Воздействия гигроскопическими или льдообразующими частицами на облака для интенсификации осадков Глава 4.

Математические модели формирования облаков и осадков Одномерная модель Модель развития облака над пожаром Глава 5. Модели воздействия акустической волны на Облачные капли Низкочастотная и низкоинтенсивная вибрация капель Модель увлечения мелких капель потоком воздуха Дрейф капель под действием высокой акустической мощности Схема взаимодействия аэрозольных частиц в звуковом поле [8] Изменение в процессе конденсации при акустическом воздействии Оценки пробега вибрирующих капель в совокупности с концентрацией, необходимой для столкновения Глава 6. Оптимальные акустические источники для вибрации облачных капель Краткий обзор источников звука Конструкция мощной сирены на низкие частоты излучения Рефлекторы и цилиндрические волноводы Направленность излучателя Поглощение звука во влажной атмосфере. Прохождение звука в турбулентной среде Расчеты мощности динамических сирен Глава 7. Эксперименты по акустической коагуляции аэрозолей прошлых лет Общие выводы по экспериментам прежних лет Глава 8. Краткое содержание на английском языке Литература I. Цели, преимущества метода, история вопроса.

Актуальными проблемами сегодня являются загрязнения атмосферы, парниковый эффект и обусловленные этим климатические изменения. Избыточное количество парниковых газов (СО2, пары воды и др.) в земной атмосфере препятствует естественному охлаждению Земли, как это было в природе сотни и тысячи лет назад [1]. В настоящее время выбросы парниковых газов в атмосферу регулируются политическими соглашениями, однако это не решает проблему накопления загрязнений, а лишь незначительно замедляет ее развитие. Поэтому, стимулировать разработку большего числа технических методов и технологий, направленных на очистку воздуха и, главным образом, свободной атмосферы от уже накопившихся в ней парниковых газов - задача весьма своевременная, актуальная и сложнейшая. Известно, что многие газы и аэрозольные частицы растворяются в воде [2], поэтому интенсификация осадков из естественных облаков может служить прекрасным методом удаления техногенных загрязняющих примесей из атмосферы [3-5]. К методам интенсификации осадков можно отнести активные воздействия на конвективные облака гигроскопическими или льдообразующими веществами, которые ускоряют конденсацию и увеличивают осадки [6-7]. Небольшое облако несет в себе тысячи тонн испаренной влаги, в виде естественного дождя обычно выпадает не более 20 30% от этого количества. Водность облаков, то есть общее содержание влаги, обычно составляет величины w 0.2 2.0 г/м3, характерные размеры облака составляют несколько километров в высоту и диаметр, нетрудно оценить, что такое облако несет в себе сотни тысяч тонн воды в виде мелких капель и пара. Дождь охлаждает и очищает атмосферу, например, над большим мегаполисом, что подтверждают расчеты, опыт, и большое число метеорологических измерений. Поэтому, дальнейшие усилия в разработке новых методов активных воздействий на облака или модификация уже известных методов – весьма целесообразны сейчас для решения задач по уменьшению количества парниковых газов в атмосфере вблизи мегаполисов. Искусственные дожди требуются в сельском хозяйстве для полива растений, при тушении лесных пожаров, и наконец, для решения новейших и сложнейших задач коррекции климата посредством очистки свободной атмосферы от техногенных примесей и ее локального охлаждения одновременно, например, над большим мегаполисом в жаркий день.

Метод акустической коагуляции аэрозолей [8] активно исследовался в 1930-1960 годах и применялся ранее в основном для промышленной очистки и осаждения аэрозолей, а также для рассеивания туманов на аэродромах. Были предприняты очень редкие, но удачные попытки получения дождя акустическим воздействием на облака с земли [9]. Но с появлением и развитием электро - фильтрационных методов очистки промышленных газообразных отходов, методы акустического осаждения аэрозолей были незаслуженно забыты, видимо из-за значительного заводского шума при работе таких установок. С другой стороны, развитие химических способов воздействия на облака с целью получения дождя стало преобладающим в этой области задач.

Достоинства акустического метода В настоящее время, ввиду развития возможностей современной авиации, акустическое воздействие на облака кажется более практичным и легко осуществимым методом, поскольку есть возможности поместить источники звука непосредственно в облака с помощью вертолетов, аэростатов, или парашютов. При расположении акустического источника непосредственно в облаках на некоторое расчетное оптимальное время, его работа будет существенно более эффективной, а также уровень мощности звука и, соответственно, габариты звукового генератора можно будет понизить по сравнению с наземными экспериментами прежних лет.

Движение капель в облаках, приводящее к их укрупнению, обеспечивается в реальных условиях атмосферы за счет ветра и турбулентных потоков воздуха со скоростью до 10 – 20 м/сек. Однако, акустическая волна, скорость которой на порядок больше (340 м/сек) обеспечит одновременно вибрацию облачных капель внутри движущейся воздушной массы. Скорость обусловленных акустикой процессов будет на более чем на порядок превосходить скорость естественных движений капель в атмосфере.

Размер капель естественного облака обычно слишком мал, чтобы сила тяжести могла привести к их падению (седиментации), однако при определенных условиях в атмосфере облако развивается и становится дождевым, и тогда капли растут в размерах и выпадают в виде дождя или снега. Совместное воздействие акустического и гигроскопического методов не рассматривалось ранее, хотя оно представляется весьма перспективным.

Целесообразность совместного воздействия заключается в том, что гигроскопическая частица сорбирует воду из окружающей ее области, обеспечивая укрупнение капель только до промежуточного размера ( 1 - мкм). Акустическое воздействие наиболее эффективно как раз для капель крупных размеров (5 – 50 мкм) и придаст им недостающее движение в форме вибрации, Капли укрупнятся за счет столкновений до таких размеров (r 0. мм), которые обеспечивают их дальнейшую седиментацию под действием силы тяжести. Таким образом, создаются условия для быстрой коагуляции в облаке и последующего гравитационного осаждения капель в виде дождя. В данной монографии предлагаются новые идеи и методы активных воздействий на облака посредством акустического воздействия, подкрепленные расчетами, а также дается обзор работ в этой области.

Тщательное изучение литературы по акустическому воздействию на аэрозоли, дымы и туманы, позволило выделить ряд недостатков этих прежних работ. Во-первых, подавляющее большинство работ по акустической коагуляции аэрозолей выполнялось для промышленных аэрозолей (дым, и тд.), которые, по сравнению в облачными водными каплями, существенно мельче (менее 1 мкм) и имеют совершенно другую химию взаимодействия при сближении частиц. Отметим отсутствие полной теории, привязанной к проведению конкретного эксперимента. Как правило, теорию и эксперимент осуществляли различные группы исследователей, никак не связанные друг с другом. Большинство экспериментов, особенно натурные, выполнялись ни с целью проверки каких-либо теоретических предпосылок, а сами по себе, с целью разогнать туман на аэродроме. Часто экспериментаторы указывали эмпирически найденные режимы воздействия акустического поля на один или другой аэрозоль.

Другим недостатком прежних работ является то, что никогда раньше не проводилось изучение целенаправленного совместного воздействия гигроскопических частиц и акустического озвучивания на среду пересыщенного водяного пара;

нет теории, даже грубо объединяющей эти два типа воздействия. Наконец, никогда источники звука не поднимали непосредственно в облака при проведении экспериментальных работ.

История воздействий на облака и современные работы в разных странах мира Винсент Шефер (1906-1993) обнаружил принцип засева гигроскопическими частицами облаков в июле 1946 года. Дальнейшее развитие эти идеи получили в исследованиях переохлажденных облаков, выполненных совместно с Нобелевским лауреатом Ирвином Лэнгмюром, который исследовал различные реагенты для стимулирования роста ледяных кристаллов;

реагентами служили соли, почвы, пыль, различные боевые отравляющие вещества и др. Однажды случайно, в лабораторных экспериментах, с целью понижения температуры в камеру добавили сухой лед. Шеффер, проводившего эксперимент, заметил, что туман от его дыхания моментально превращался в миллионы крошечных ледяных кристаллов, и таким образом был обнаружен метод гомогенной конденсации переохлажденной воды при -400С, а сухой лед и сегодня является одним из основных и наиболее эффективных реагентов в работах по активным воздействиям на облака. Доктор Бернард Воннегут нашел также другой распространенный ныне реагент – иодид серебра (ArJ), имеющий аналогичную естественному льду кристаллическую решетку, и потому хорошо стимулирующий кристаллизацию переохлажденных капель воды.

Оба метода были приняты для использования, и 13 ноября 1946 года был проведен первый натурный эксперимент по засеву облаков реагентами вблизи Нью-Йорка;

после того как шесть фунтов сухого льда было выброшено в облако, эксперимент привел к выпадению снега в восточном Массачусетсе.

Позже, в США проводились масштабные проекты, например проекты университета Оклахомы в 1972-73г. по регулируемым дождям вблизи водозаборного озера с тем, чтобы поднять его уровень. В то же самое время, такие работы продолжались в Калифорнии с 1948. Были предприняты попытки изменить ураганы в Атлантическом бассейне, используя засев облаков: 1960г., проект «Ярость урагана» (Stormfury). Несколько ураганов были подвергнуты обработке, но к сожалению, осталось не выяснено, был ли достигнут положительный эффект;

эти работы были остановлены из-за возможности того, что засев облаков мог потенциально и усилить ураганы.

Два федеральных агентства США (Министерство внутренних дел и NOAA национальное управление исследований океана и атмосферы) поддержали различные научно-исследовательские работы по модификации погоды посредством засева облаков реагентами, например, проект «Небесная вода»

(Skywater) 1964-1988г и атмосферная программа NOAA в 1979-1993г. Позже также была выполнена большая программа исследований в шести западных штатах (2002-2006г). Проекты были выполнены и в двух странах (Таиланд и Марокко) в зимний и летний периоды.

В Австралии CSIRO проводили аналогичные проекты в 1947 - 1960 ых годах. Ученые CSIRO сбрасывали сухой лед в кучевые облака: метод работал достоверно в холодных облаках, производя дождь, который иначе бы не выпадал. В 1953, 1956г CSIRO выполнил подобные эксперименты с внесением иодида серебра в облака в районе Южной Австралии, в Снежных Горах, в районе Новой Англии Нового Южного Уэльса, и в районе к западу от Сиднея. Обширная экспертиза, проведенная в рамках работ в Снежных Горах, подтвердила статистически существенные увеличения ливня при засеве облаков в экспериментах. В декабре 2006 году правительство Австралии объявило гран на 7.6 миллионов австралийских долларов для исследований теплых облаков, которые проводятся совместно с Центром атмосферный исследований США. Цель работ - ослабить продолжающиеся засухи на юго-востоке страны.

В наши дни лидирующее место по количеству таких экспериментов занимает Китай. Считается, что эти методы в несколько раз увеличивают количество осадков, включая засушливые районы. Здесь часто используют метод запуска метеорологических ракет, доставляющих реагент иодид серебра в облако. Правда, во многих зарубежных обзорах отмечают, что процент неудачных экспериментов с гигроскопическими веществами очень высок [10]. Китай также планировал при необходимости использовать засев облаков в Пекине в период и до Олимпийских игр 2008 года, чтобы очистить воздух города от загрязнений.

Приблизительно 24 страны в настоящее время эпизодически практикуют методы модификации погоды засевом облаков [11-13]. В Соединенных Штатах в настоящее время нередко засев облаков реагентами используется, чтобы увеличить осадки в областях, испытывающих засуху, или уменьшить размер градин, которые формируются в грозах, или чтобы уменьшать туманы вблизи аэропортов. Засев облаков также иногда используется ведущими лыжными курортами, чтобы вызвать снегопады в нужное время. В Юго-Восточной Азии засев облаков часто используется, чтобы улучшить качество воздуха за счет вызываемых дождей в ситуации, когда дым от пожаров долго загрязняет окружающую среду. В 2003 и году операции по засеву облаков проводились в Индии, в настоящее время есть планы продолжить работы в 12 районах страны.

В России работы по активным воздействиям на облака традиционно проводились достаточно широко в нескольких основных научных центрах страны: Москве, Санкт-Петербурге, Киеве, Ташкенте. Наряду с работами по интенсификации осадков, в наших умеренных широтах часто встает задача уменьшения осадков за счет подавления развития дождевых облаков, которая успешно решается в ряде практических случаях [14]. Работы по рассеянию облачности часто выполняются по заданию правительства Москвы или Ст-Петербурга для обеспечения над заданной территорией благоприятных условий для проведения массовых мероприятий в праздничные дни.

Большой интерес и значение этих исследований подтверждают две серии международных конференций, проводимых по активным воздействиям на облака периодически в мире [4-5].

Климатические изменения Вследствие многообразия процессов природы и их сложной взаимосвязи, возможна ситуация, когда слабые изменения одного из факторов способны спровоцировать развитие мощных нелинейных процессов в атмосфере (и в мировом океане), которые могут оказаться чрезвычайно опасными и необратимыми для климата. Почти вся достигшая Земли солнечная энергия, в конечном счете, должна возвращаться обратно в космическое пространство в виде переизлучения в инфракрасном диапазоне спектра. В настоящее время, при поглощении тепловой энергии парниковыми газами около земли возникает перегрев приповерхностного слоя атмосферы. Исследования доказали, что глобальное потепление замедляет рост лесов, что ведет к дальнейшему уменьшению естественного производства кислорода. Тенденция ухудшения демпфирующего воздействия океана на атмосферу также подтверждена детальными исследованиями и последними публикациями, например [15,16].

Проявлением и следствием глобального потепления является также таяние арктических льдов;

известно, что сухой снег на поверхности морского льда отражает 70-90% поступающего солнечного излучения, тогда как открытая вода отражает около 7%, что создает положительную обратную связь, которая усиливает эффекты потепления. Академик Голицин Георгий Сергеевич пишет в одной из своих книг об атмосферных процессах: «в теории климата важно выявить существование возможных стационарный состояний и исследовать их устойчивость» [15]. Существование экстремумов обусловлено стремлением системы подстроиться к внешним воздействиям и оптимизировать взаимосвязь различных процессов, на что указывает существование многочисленных обратных связей. Ввиду сложности и многообразия природных атмосферных явлений, теоретические описания разработаны лишь фрагментарно. Вместе с тем, загрязнения в атмосфере измеряются в настоящее время достаточно хорошо с помощью спутников и многочисленных наземных методик.

В настоящее время концентрация СО2 в атмосфере составляет около 390 ppm (млн-1), в доиндустриальный период 100 – 150 лет назад она составляла 280 ppm. Это говорит о том, что равновесие нарушено и идет накопление техногенных газов в атмосфере. Природные процессы уже не в состоянии снизить содержание диоксида углерода и других парниковых газов до прежнего уровня, когда вмешательство человека было незначительным. За рубежом проблеме глобального потепления уделяется огромное внимание, о чем свидетельствует Нобелевская премия в 2007 г., полученная Альбертом Гором (США) за книгу на эту тему под название «Неудобная правда». Проблема изменения климата, обусловленная глобальным потеплением, обсуждалась на специальной сессии ООН.

Создана специальная комиссия – Международная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК), которая анализирует наиболее существенные исследования в этой области и периодически публикует в своих докладах.

Аналогичную работу, с упором на детальные обширные измерения различных видов загрязнений, проводит Всемирная Метеорологическая Организация (WMO). Огромное количество публикаций в научной литературе и монографий по глобальному потеплению выходит ежегодно.

Ограничения выбросов парниковых газов в атмосферу регулируются политическими межгосударственными соглашениями;

эти меры безусловно положительны и необходимы, но они не решают проблему накопления загрязнений, т.к. невозможно уменьшить отходы расширяющихся производств мира до нуля. Вместе с тем, каких-либо активных технических воздействий с целью коррекции климата предпринимается мало. Проводятся воздействия на облака локального значения, в основном для решения нужд сельского хозяйства отдельных районов, однако еще в 1980 году в США вышла книга профессора Арнетта Денниса о возможности изменения погоды (и климата) посредством обширных активных воздействий на облака [3].

Процесс изменения климата в настоящее время подтверждается различными исследованиями [17-23] и др. Проведенный анализ состава атмосферы земли в прошлом и аналогичных температурных отклонений показывает совпадение максимумов и минимумов этих вариаций [24]. Из сравнения различных геологических эпох за последние 570 млн. лет видно, что средняя температура Т на планете колебалась в пределах 11 градусов.

Причем, эта величина складывалась из трех основных слагаемых.

Наибольший вклад в повышение температуры Т1(СО2) давало повышение содержания углекислого газа в атмосфере, другие слагаемые обусловлены ростом солнечной активности (3.9С) и уменьшением альбедо земной поверхности. Например, графики синхронных колебаний Т и СО2 можно видеть в работе [25], где они получены за последние 420000 лет с временным разрешением 500 лет по данным ледовых кернов с Российской антарктической стации Восток, где был проведен многолетний проект палео реконструкций климатических изменений. На указанном временном диапазоне периодические изменения средней температуры (в пределах +2 10С) хорошо повторяют вариации основных парниковых газов углеродного цикла - CO2 (180 300 ppmv) и CH4 ( 350 750 ppbv), как видно из графиков, приведенных в работе. В настоящее время виден очередной естественный подъем температуры и увеличение концентраций углекислого газа и метана, который переживает наша планета в течение последних 50 тыс. лет. Однако никогда прежде концентрация СО2 не превышала 300 ppm, а сегодня она составляет 390 ppm, что говорит о большой техногенной составляющей.

Обзор научных работ, выполненных а последние годы, не оставляет сомнений в том, что быстрые климатические изменения техногенного характера с масштабом 10 – 50 лет есть и проявляются в разнообразных процессах в атмосфере, океане, и в целом на планете. Например, в работе [26] описан метод определения динамических характеристик атмосферы по данным космического зондирования неоднородностей поля концентрации консервативной примеси и применения корреляционно-экстремальных алгоритмов. Динамические характеристики атмосферы чрезвычайно важны для прогнозов погоды, расчета миграции атмосферных примесей и решения других фундаментальных и прикладных задач. Вычисления поля ветров в атмосфере проводят на основе спутниковых данных, причем наиболее распространены пассивные спутниковые методы, основанные на анализе движения облаков различных ярусов и неоднородностей поля водяного пара по собственному излучению в полосах поглощения воды (например, с помощью радиометра SEVIRI). Эти методы позволяют получать поля вектора горизонтальной скорости ветра на нескольких атмосферных уровнях и высотах. В работе [27] выполняется анализ климатических трендов зональной составляющей скорости ветра, температуры и активности фундаментальной планетарной волны (СПВ1). Полученные результаты показывают климатические изменения температуры в нижней атмосфере, которые имеют противоположный знак в низких и высоких широтах и следующие из этого изменения тропосферных струйных течений, сильно влияющих на СПВ1. Анализ показывает изменение баланса тепла между нижней и высокоширотной стратосферами;

экспериментальные данные NCEP/NCAR подтверждают увеличение скорости ветра, в частности в нижней стратосфере.

Сделан очень существенный вывод, что возрастание амплитуды планетарной волны СПВ1 и достижение ее критического значения на нижней границе стратосферы может привести к принципиальному изменению динамического режима стратосферы – переходу от стационарного состояния к квазипериодическим. Наряду со спутниковыми измерениями, проводятся и серии наземных измерений различных параметров атмосферы: температуры и влажности воздуха, скорости ветра, интенсивности осадков, и др.

Например, в работе [29] проводятся прямые измерения радиационного притока тепла вблизи поверхности (сухая степь) на высоте 0.15 – 4 метра.

Показано в частности, что радиационный нагрев (20 – 60 К/ч) намного превосходит фактический, особенно в часы около полудня и в отсутствии ветра или турбулентных потоков. Одна из глобальных расчетных моделей – глобальная трехмерная химико-климатическая модель динамики нижней и средней атмосферы, была, например, использована для анализа содержания озона, нагревания и циркуляции атмосферы, см. [28]. Проблеме построения простых, наглядных для широкой общественности и точных метрик климатических изменений при выбросах различных парниковых газов посвящена работа [30]. Обсуждается комплексный подход к построению равновесного потенциала глобального потепления.

В 2004-2005 годах проводилось большое количество численных эксперименты моделирования климата будущих 100 лет, представленных в частности, в 4-м отчете МГЭИК и др. [16-17]. Расчеты проводятся по нескольким наиболее известным моделям: UKMO-HadGEM1,3 Великобритания;

IPSL-CM4, Франция;

MOROC3.2(hires, medres) - Япония;

CGCM3.1(T47) и (T63) - Канада;

ECHAM5/MPI-OM - Германия;

GFDL CM2.1 - США;

CSIRO-Mk3.0 - Австралия;

GFDL-CN2.0 - США;

CCSM3 США;

GISS-EH и –ER, США ;

INM-CM3.0 - Россия;

PCM - США и др.

(www.pcmdi-llnl.gov). Разные модели показывают увеличение средней температуры на 4.4 – 2.1 градуса за счет удвоении содержания СО2 в атмосфере.

Вопросы климатических изменений являются одними из наиболее обсуждаемых в настоявшее время, так что огромное количество литературы публикуется по этому вопросу (см [31-34]) или может быть найдено в Интернете. Ввиду обширности и спорности этой темы на сегодня, вернемся к цели данной книги – разработке одного из возможных методов управления облачностью посредством акустических воздействий в атмосфере с целью интенсификации осадков.

II. Вымывание парниковых газов атмосферными осадками.

Химия современной атмосферы – активно разрабатываемая в настоящее время область науки ввиду ее чрезвычайной важности. Здесь мы не ставили своей целью проведение полного обзора многочисленных работ в этой области, а лишь кратко упоминаем основные процессы, чтобы напомнить о принципиальной возможности удаления СО2 и других техногенных газовых примесей посредством дождей. В атмосферу над большим городом, в результате различных процессов сгорания, выделяется большое количество СО2: например над Мехико в сухой зимний сезон 1957 59 года выделялось около 15000 т. Серия наблюдений в университете на окраине города показала, что концентрация СО2 при этом составляла 315 – 420 ppm. [34].

Атмосферные осадки очищают атмосферу, растворяя большую часть техногенных газовых примесей в той или иной степени [36-38]. Мы предполагаем, что искусственные дожди, о которых идет здесь речь, смогут вымывать излишки СО2 из атмосферы. Необходимы в будущем исследование, оптимизация и управление этими процессами. Целесообразно разработать оптимальные химические растворы для возможности их распыления в атмосфере в качестве аэрозолей с целью удаление определенных газов-загрязнителей. Также существуют по-видимому оптимальные пространственно-временные режимы дождей, как обогащенных дополнительными химическими компонентами, так и естественных природных. Приведем ниже анализ моделей растворения углекислого газа в воде, разработанных к настоящему времени и отраженных в научной литературе.

Растворимость СО2 в водах океана В монографии [2], посвященной моделям парникового эффекта и вариантам климатических изменений в частности, подробно рассмотрены механизм и химические аспекта растворения углекислого газа в водах океана. Действительно, в чистой воде газообразный углекислый газ растворяется с образованием слабой угольной кислоты:

CO2 H 2O H 2CO3 (2.1) Эта реакция обратима, протекает достаточно быстро, за несколько минут, и продолжается до момента наступления равновесия, которое определяется парциальным давлением углекислого газа PСО2. Три основных быстропротекающих реакции растворения углекислого газа в водах океана, с учетом (2.1), имеют вид:

Н 2СO3 HCO3 H (2.2) НСO3 CO3 H (2.3) Фактически, углекислый газ является слабой кислотой, которая реагирует с основными веществами земной коры или накопленными в океане, результирующие продукты существенно превосходят по своей концентрации угольную кислоту. Прекращение реакций (2.1-2.3) определяется равновесием, зависящим от давления газообразного углекислого газа и констант равновесия этих реакций. Эти константы измерены разными авторами достаточно точно. Таким образом, карботан- ион СО32- является конечным продуктом реакции растворенного углекислого газа с основанием в воде, и в частности – в водах океана. Итоговая реакция, благодаря которой СО2 задерживается в океане – это реакция с диссоциированным карбонат ионом:

CO2 CO3 H 2O 2HCO (2.4) Реакции способны идти до тех пор, пока не будет достигнут предел растворимости карбоната кальция и в конечном счете – равновесие кристаллических форм кальция в воде. Однако в реальности наблюдается пересыщение кальцием в верхних слоях океана за счет поступления из атмосферы и из других источников. Процесс фотосинтеза, который происходит в верхних слоях океана, является основным источником почти всего органического углерода в океане, также огромную роль играют процессы распада. Прямые измерения парциального давления углекислого газа в океане и прилегающей атмосфере показали, что поверхностные воды мирового океана достаточно близки к условиям равновесия с атмосферным СО2. Однако, благодаря буферному эффекту океана, равновесное парциальное давление СО2 изменяется намного быстрее, чем общее содержание углерода. Согласно буферному эффекту, количество диссоциированного карбонатного иона в поверхностном слое океана, которое необходимо для реакций с СО2 (2.4), в 10 раз меньше, чем содержание углерода в атмосфере. Поэтому океан не может поглотить большого количества СО2 из атмосферы до тех пор, пока не будут восполнены запасы СО32- из более глубоких слоев океана. С повышением температуры парциальное давление СО2 растет :

PCO 2 ln PCO 2 (2.5) 0.040 C 14 мкатм / 0 C T T Однако, как показали исследования, этот факт не увеличит поглотительной способности поверхности океана, т.к. с лихвой компенсируется высвобождением СО2 из океана при его нагревании. Отметим здесь часто используемые для описания этих процессов понятии: ТА – общая щелочность и ТС – общее количество неорганического углерода в воде океана. Динамика естественных движений и взаимодействий различных форм углерода в океане очень сложна, эти процессы являются предметом отдельных исследований. Вместе с тем, соотношение (2.5) может быть очень полезным при анализе тепловых возможностей увеличения растворения углекислого газа в дождевой воде.

Удаление примесей дождем Дождевая вода удаляет растворимые примеси газов и аэрозолей из атмосферы благодаря двум процессам [37]: первый- вымывание в облаке, то есть накапливание примесей в облачных каплях. Второй процесс – вымывание осадками, или подоблачное вымывание. Эффективность вымывания в облаке характеризуется величиной и зависит от ряда процессов: расход ядер конденсации n, присоединение аэрозольных частиц и частиц Айткена к облачным каплям в результате Броуновского движения b, движение и присоединение загрязняющих частиц в результате градиента давления водяного пара (эффект Фаси) - f, так что полная эффективность вымывания = n + b + f. Водность дождевых облаков является определяющим фактором этих процессов и обычно составляет w 1 – 4 г/м3.

Пусть С -концентрация примеси в воздухе, концентрация примесей в дождевой воде k1, таким образом - доля концентрации примеси, которая попадает в облачную воду из атмосферы. Например, измерения, которые проводились на территории ФРГ, показали эффективность процессов вымывания, так что в осадках в виде дождя и снега растворимость примесей увеличивается для продолжительного дождя и составила: C/k1 = w/ 0. (при дожде 0.1 мм/сутки);

1.4 (дождь 1.0 мм/сутки);

2.5 (дождь мм/сутки). Для снега : C/k1 0.9 (0.15 мм/сутки);

1.6 (1 мм/сутки);

3.4 ( мм/сутки). По другим данным из Норвегии эти величины аналогичны: C/k1 = 0.25 – 2.1. Видно, что дождь очищает атмосферу, и концентрация примесей в атмосфере падает и в осадках падает в результате продолжительного дождя.

Имеется не так много информации по оценкам сухого осаждения (седиментации) аэрозольных частиц. Оценки на основе скорости Vg сухого осаждения типичного аэрозоля с радиусом частиц 1, 10, 20 мкм без учета турбулентности позволяют оценить время пребывания этих частиц в атмосфере при начальной высоте 5 км, это время составит соответственно радиусам частиц – 220;

2.0 и 0.6 суток [37]. Простые оценки, такие как анализ движений под действием градиента давления Р мб/см с малыми скоростями 10-4Р см/сек (эффект Фаси), показали, что основное выведение пылевых аэрозольных частиц с размерами 0.03 – 0.1 мкм, происходит на высоте 1 – 3км. В работе Израэля Ю.А. [39] приводится достаточно точная формула сухого выпадения примеси из атмосферы:

Vg h Vg2t 1 erf h 2Vg t h t erf exp (2.6) 2 K zt 2 K zt Kz Здесь для SO2 : Kz = 0.05 км2/ч, h = 0.1 км, Vg = 0.8 см/с (Vg = 0.1 см/с для сульфатов).

Многочисленные экспериментальные исследования доказывают, что метеорологические факторы оказывают основное воздействие на естественное вымывание частиц и газов, а также сильно размывают границы локализации аэрозолей. В настоящее время детальные измерения с использованием возможностей спутников, измерений с самолетов или аэростатов, данных лидарного зондирования атмосферы выявили присутствие значительного количества аэрозольных частиц в тропосфере и стратосфере, в том числе до высоты тысячи км. В стратосфере время жизни аэрозольных частиц увеличивается с высотой: попав в тропопаузу, аэрозоль существует в среднем 1 месяц, на высотах 20 и 50 км – уже 1 – 2 года и 4 – 20 лет соответственно [36]. Размеры аэрозольных частиц имеют широкий диапазон 10-10 - 10-3м - от легких ионов до капель воды. Выделяется характерная группа аэрозолей, играющая роль ядер конденсации и кристаллизации в облаках, здесь в настоящее время используется классификация по размерам, предложенная Юнге: частицы с радиусами менее 10-7м называют ядрами Айткена, диапазон 10-7 - 10-6м – большими, более 10-6м – гигантскими ядрами. Аэрозоли бывают естественного (извержения вулканов, разбрызгивание и испарение капель океана, и т.д.) и техногенного происхождения (промышленные выбросы, пожары и т.д.).

Исследованию аэрозолей посвящается ежегодно огромное количество работ, здесь на этой теме подробно останавливаться не будем. Отметим лишь некоторые данные о примерных концентрациях взвешенных частиц в воздухе больших городов. Воздух Лос-Анжелеса, Сан-Франциско, Нью Йорка содержал 312 мкг/м3, 80 мкг/м3, 164 мкг/м3 взвешенных аэрозольных частиц соответственно [36]. Из них доля органических соединений составила около 14 - 9% (сейчас - 70%), сульфатов 8 – 14%, нитратов 2 – 4% др.

Удаление аэрозольных частиц из атмосферы происходит в процессе их седиментации, атмосферной конвекции разного масштаба, внутриоблачного и подоблачного вымывания и инерционного осаждения.

Более подробно рассмотрим вымывание осадками газов, и в частности – СО2. На существующей в настоящее время сети глобального и регионального мониторинга измеряются такие параметры осадков, как кислотность (pH), электропроводность, содержание катионов (Na, K, Mg, Ca) и анионов (SO4, Cl, NO3, HCO3). Обычно выпадающие осадки дают кислую реакцию pH = 4.5 – 6.5, это свойство усиливается в промышленных районах и вблизи больших мегаполисов, где дождевые осадки содержат кислоты HCl, H2SO4, HNO3, растворы аммиака и др. примеси. Вымывание газов в облаке может происходить согласно различным механизмам [37]: (1) простое растворение газов в воде облака по закону Генри (типично для N2O, CH4);

(2) растворение с возможностью последующей обратимой гидратации и диссоциации (CO2, NH3);

(3) растворение и необратимая реакция с другими веществами в воде облака (SO2, NO2).

Для оценки возможностей перечисленных механизмов, оценим объемное отношение воды в жидкой фазе к единичному объему воздуха :

w/w 10-6, поэтому очевидно, что газы типа (1) из перечисленных выше – не могут эффективно выводиться из атмосферы обычной дождевой водой.

Эффективно могут быть удалены только газы, имеющие высокий коэффициент поглощения за счет растворения и химических реакций.

Растворимость в дождевой воде и выведение СО2 как и др. газов второй группы может быть достаточно большой за счет следующих усиливающих эффектов. Эти газы существуют в воде в виде ионов и их растворимость сильно зависит от pH. Обозначим [CO2] - концентрацию в воздухе, [H2CO3] концентрация недиссоциированной части в воде, в отсутствии других ионов имеем:

CO2 1H 2CO H HCO, H CO, K 3 H OH HCO 3 K1 K H 2CO3 H OH HCO 2CO (2.7) 3 1 H K w H CO, K1 H 2 K H CO pH 6.5 K Все здесь величины выражаются в моль/л. Для атмосферного воздуха, например при +10 С получаются следующие числа: [CO2]=1.3410-5 моль/л, 1=1.2, K1= 3.410-7 моль/л, K2= 3.210-11 моль/л, K3= 3.610-15 моль2/л2. Таким образом, в чистой дождевой воде при pH =5.6 получим следующие концентрации:

[H2CO3]=0.71 мг/л, [HCO3-]=0.14 мг/л, (2.8) [CO32-]=0.1910-5 мг/л.

Часто кислоты H2SO4, HCl, HNO3 в реальной атмосфере обуславливают более низкое значение pH, чем 5.6. Ионные концентрации [HCO3-] и [CO32-] увеличиваются в 10 и 100 раз соответственно на каждую единицу pH. Даже малые количества NH3, типичные для облачной среды будут создавать pH, повышающие растворимость СО2. В облаке с водностью W = 1 г/м3 при начальной концентрации NH3 3 мкг/м3 растворится 87% NH3.

Совместное действие только этих двух газов (аммиак + углекислый газ) производят следующие изменения в системе, что в конечном счете повышает концентрацию карботан- иона СО32- почти на 3 порядка и pH = 7.0, [ NH 4OH ] 1.2 10 3 мг / л, [ NH 4 ] 2.6 мг / л, [ NH 3 ] 0.4 мкг / м 3, [ H 2CO3 ] 0.71 мг / л [ HCO3 ] 3.3 мг / л (2.9) [CO3 ] 10 3 мг / л Согласно реакции (2.4) и вследствие (2.9), растворимость атмосферного СО в облачных каплях и дожде может при определенных условиях увеличиться, как и в воде океана.

Другие газы, присутствующие в атмосфере, например SO2, NO2, Cl, также влияют на общую картину растворения всего континуума малых газовых примесей в облачной воде, хотя и сами выводятся дождем в той или иной степени. Важнейшим газом является SO2, присутствие малой концентрации 1 мкг/см3 солей металлов MnCl2, CuCl2, FeCl2,… служит очень эффективным катализатором для его растворения. Большое значение имеют загрязнения атмосферы сульфатами и их динамика в системе. Реакции SO2 в атмосфере приводят к образованию SO42- и, таким образом, обеспечивается выведение этой примеси из атмосферы. Оценки показывают, что примерно 80% серных соединений атмосферы выводится дождями [38].

Концентрация насыщения SO42- сильно зависит от pH, и при добавлении в раствор большого количества NH3 окисление двуокиси серы прошло -бы полностью с образованием (NH4)2SO4, хотя в природе обычно концентрации аммиака не очень большие. Кроме аммиака, также кальций и другие щелочноземельные и щелочные металлы, которые могут содержаться в ядрах кристаллизации, способствуют растворению SO2. Реакция SO2 в каплях воды, взвешенных в воздухе, проходит довольно активно: результаты исследований окисления в облачных каплях показывают, что при концентрации в воздухе 1 ppm этот газ может сорбироваться и окисляться со скоростью 1% в минуту при водности 0.2 г/м3 [38]. Это более чем в 100 раз быстрее фотохимического окисления под действием солнечного излучения.

Очевидно, что вымывание осадками газов будет происходить, если концентрация газа под облаком выше, чем внутри него и реакции внутри облака не полностью закончены.

Одной из наиболее важных реакций в смоге является фотохимическое разложение двуокиси азота с образованием окиси азота и атомарного кислорода, последний при реакции с кислородом дает приземный озон. Также реакция атомарного кислорода с углеводородами (например, олефинового ряда) приводит к образованию свободных радикалов, которые, в частности, приводят к вредным органическим веществам: альдегидам (формальдегид и акролеин), азотосодержащим соединениям, озону, кетонам, нитратсодержащим соединениям. В воздухе больших городов, в частности в смоге Лос-Анджелеса, много органических соединений, в основном углеводородов. Выхлопные газы автомобилей содержат высокие концентрации паров и частиц, различные альдегиды, формальдегид, свинец, и др. Лишь только 5% органических паров превращаются в частицы под действием солнечного света и в результате реакций;

при облучении смесей выхлопных газов автотранспорта с воздухом проходят фотохимические реакции, которые приводят к повышению концентрации аэрозольных частиц. Городской смог содержит также смесь воздуха, окислов азота, углеводородов, сернистого газа, последний при облучении окисляется до трех- окиси серы, которая растворяется в каплях воды с образованием серной кислоты. Сульфаты в итоге поглощаются растениями и почвой, однако после гибели растений при разложении выделяется в атмосферу сероводород, исследования показали [38] что содержание сферы в педосфере остается постоянным. В загрязненном воздухе часто присутствует аммиак, реагирующий с кислотой, поэтому результирующий сульфат аммония также является одним из компонентов городских смогов.

В работах Израэля Ю.А. [39,40] приводятся результаты вычисления кислотности осадков в различных регионах. В частности, уже в первой половине 20 века в Северной Америке и в Европе осадки были кислыми и значения в осадках pH 5.5 – 5.0. В [39] приводятся графики динамики изменений кислотности осадков над Скандинавскими странами (Норвегии и Швеции), из которых видно, что на период 1955 – 1980 г. здесь pH изменилось до 4. С промышленными выбросами в атмосферу поступает большое количество кислотообразующих веществ, основные их которых – серная, азотная, соляная, фтористоводородная. Выбросы окислов серы и азота присущи практически любой отрасли промышленности, в то время как, например, хлористый водород и фтористый водород характерны для производств алюминия, и их влияние на атмосферу носит локальный характер, но чрезвычайно сильно. Абсолютные значения выбросов велики.

Долю примеси, вымываемой осадками в Европейской программе мониторинга загрязнений ЕМЕП, оценивали следующим удобным соотношением: exp[-I(ft)], здесь - константа 10-5с-1 для SO2;

10-4с- для SO4. I – интенсивность осадков (мм/ч), ft – доля времени, в течение которого примесь возраста t подвергается вымыванию осадками вдоль траектории своего перемещения. По соответствующим соотношениям рассчитывались убывания за счет химических реакций и за счет сухого осаждения и др. Результирующие способности каждой примеси к ее вымыванию из атмосферы берутся в основу расчета предельно–допустимых концентраций (ПДК).

Изучаются способы выведения из атмосферы трех типичных нерастворимых газов – CO, CH4, N2O. Кроме сорбции на аэрозольных частицах, рассматриваются другие наиболее вероятны механизмы стока этих газов. Реакции СО с кислородом, озоном, и даже с атомарным кислородом считаются неэффективными ввиду низких атмосферных температур и концентраций. Низкая растворимость в воде приводит к тому, что поверхность океана не способна поглотить более 2% от ежегодного поступления этого газа [38]. Вероятным механизмом стока может быть деятельность бактерий в почве, то есть земная поверхность играет значительную роль в удалении окиси углерода. Газы могут уноситься в стратосферу за счет турбулентной диффузии;

считается что стратосфера является прекрасным поглотителем микропримесей, концентрация СО по измерениям резко снижается при переходе к стратосфере. В стратосфере механизмами удаления считаются осаждение и химические реакции. Наряду с этим, предполагается, что окисление СО может активно притекать при грозах (в тропопаузе) за счет возбуждения молекул. Цикл CH4 в тропосфере сходен с циклом СО. В основном, метан в атмосферу земли поступает в результате гниения и разложения органических веществ, эти процессы происходят со скоростью около 14.51011 кг/год. По различным оценкам время жизни молекул метана в атмосфере может составлять около 10 лет и более. Кроме стратосферного стока и медленно идущих химических атмосферных реакций, предполагается что на поверхности растительности может проходить окисление метана. Закись азота N2O также относят к категории инертных газов. Способами удаления этого газа из атмосферы считают фото диссоциацию в стратосфере, поглощение растениями, почвой, а также океаном [38]. Очевидно, что рассмотренные выше газы инертные, что и обуславливает их длительное пребывание и накопление в атмосфере, что особенно заметно в последние десятилетия.

Общая тенденция такова, что в осадках в виде дождя растворяется и таким образом выводится из атмосферы большее количество примесей, чем в осадках в виде снега. Были выполнены эксперименты по прокаливанию проб дождевой воды и снега [37]. Например, в пробах, взятых над Швецией, общее количество остатка в дожде (д) = 23 мг/л, в снеге (с) = 7.0 мг/л;

из них улетучивается при прокаливании 13 (д) и 2.7 (с), после прокаливания остается 10 (д) и 4.3 (с). Измерения содержания углерода дают в дожде 1.7 – 3.4 мг/л, в снеге 0.8 – 1.9 мг/л.

Проводятся расчеты скорости удаления газов движущимися каплями дождя и указываются ряд оценочных формул [38]. Когда большая капля движется со скоростью, отличной от скорости воздуха, внешние возмущения на ее поверхности могут вызывать циркуляцию внутри капли, анализ этих циркуляций проведен Фуксом [41]. Концентрация сорбированного вещества в капле зависит от скорости переноса через поверхность и его реакций, также скорость сорбции падающей каплей повышается из-за циркуляции газа вблизи капли и за счет внутреннего конвективного переноса в жидкости.

Оценки показывают, что для хорошо растворимых газов, сорбируемых летящими каплями с диаметром 10 мкм, равновесная концентрация достигается за время 10-4с. Для ограниченно растворимых газов – время равновесной концентрации около 10-1 с (для капли 10 мкм). Оценки скорости удаления газов осадками основаны на эмпирической формуле, включающей эффективность внутри облачного f1 и подоблачного f2 вымывания.

Предполагали концентрацию загрязнения ниже уровня основания облака одинаковой и равной С0 (2.10а), или экспоненциально уменьшающейся с высотой (2.10б), эмпирические формулы интенсивности вымывания записаны в виде [38] :

k t C0 C0 exp f1t h / h C0 exp f 2t (2.10а) h ~ k t C0 1 e f 1t 1 e f 2t (2.10б) f1t f 2t h Здесь,, - постоянные;

h - эффективная высота основания облака, зависящая от скорости изменения вертикального профиля концентрации, h – высота основания облака. При вымывании ниже основания облака: = f2h/I, I – интенсивность осадков. Формула (2.10б) дает осредненную за время измерения концентрацию загрязнения в пробе дождя при модели экспоненциального падения загрязнения с высотой. Типичный случай, когда = 10 и f1 = 10f2 = 10-4 c-1. Если С0 постоянно по высоте и следовательно h/h =1 – внутриоблачное вымывание более существенно, чем подоблачное. Если например h/h = 5 и приземная концентрация в 15 раз превышает концентрацию С0 основания облака – формула дает более интенсивное подоблачное вымывание. Измерения [37, 38] подтверждают указанное формулами (2.10) снижение концентрации микропримеси при повышении интенсивности или продолжительности дождевых осадков. Эта модель довольно грубая и носит оценочный характер, она не учитывает размеры капель, температуру, зависимость коэффициентов от времени и т.д., более точные подходы изложены в литературе. Вместе с тем, данные экспериментальных измерений указывают, что наибольшие концентрации ионов SO42+, Cl-, NH4+, Ca++, NO3-, K+, Na+ обнаружены в более мелких каплях. Качественно это соответствует характеру присоединения, основанному на расчетах скоростей диффузии в воздухе. Соотношение между зародыше-образующими частицами также влияет через размер капель на распределение микропримесей.

мг/л 2 SO + NH 10/ NO 10/ Cl мм, 0.1 10 Осадки Рис.2.1. Измерения [37] примесей SO42-, NH4+, NO3-, Cl- в дождевой воде в зависимости от количества осадков (мм).

Прямые измерения примесей в осадках, приведенные на рис.2.1. из обзора [37], наглядно показывают зависимость концентрации различных примесей в дождевой воде от количества осадков. Кривые с кружком – соответствуют измерениям в городе Франкфурте на Майне, кривые с крестом – в чистом атмосфере р-н Таунусской обсерватории на высоте 800 м и на расстоянии км от города, где очевидно воздух чище. Видно, что примеси SO42-, NH4+, NO3-, Cl- эффективно удаляются из атмосферы дождем по мере его продолжительности.

Отметим удобную методику, развитую в работах [42-43] на основе многолетних наблюдений. Количество осадков I (мм/час) на территориях от умеренных широт до экватора может быть всегда рассчитано по формуле I = 0.38 + 0.00425Te, (2.11) где T – средняя многолетняя месячная температура воздуха, e - средняя многолетняя месячная влажность воздуха. Точность расчета величин составляет не более 9% в средних широтах и может возрастать до 15% в экваториальных районах. Эта методика составлена по многолетним наблюдениям до 1970г, то есть осадки для более чистой атмосферы.

Фактически этот метод может быть использован для расчетов и ответа на вопрос - киками должны быть осадки сейчас, так что сравнение с фактическими осадками могут быть дополнительным критерием изменение климата или мерой искажения осадкообразующих свойств атмосферы из-за загрязнений. В сборнике [44] приводится подборка работ по приборам и методикам для наземных измерений атмосферных осадков, включая дождь и снег, в сложных условиях ветра или метелей. В работе [45] приводится методология составления карты осадков на основе данных всей осадкомерной сети и с использованием методик поправок приборов на сложные метеопроцессы: ветровые неточности, на испарение, смачивание и др. факторы, обсуждаются вопросы точности. В настоящее время широко используются передвижные лаборатории для анализа широкого спектра загрязнений воздуха и воды [46]. Московские автоматические станции мониторинга также предоставляют информацию в режиме он-лайн об основных загрязнениях в атмосфере и открытых водоемах.


Кислотные дожди могут приводить к закислению почв, одним из основных механизмов контроля состояния почв являются постоянные лизиметрические измерения [47]. Вместе с тем, почва представляет собой сложную физико-химическую систему с высокой буферной способностью для нейтрализации отклонения кислотности осадков в довольно широких пределах. Выделяют [39] 5 буферных зон почв, в пределах которых происходит нейтрализация свободных ионов водорода: (1) – угольно кислотная (карбонатная) буферная зона 6.2 pH 8.6;

(2) – угольно кислотная (силикатная) 5.0 pH 6.2;

(3) – катионно- обменная 4.2 pH 5.0;

(4) – алюминиевая 3.0 pH 4.62;

(5) – железная буферная зона 2.5 pH 3.0 – это почва практически бесплодна. От степени кислотности зависит доступность питательных веществ для растений и плодородие почвы. При pH 5 в почве резко снижается продуктивность, т.к. гибнут типичные аэробные бактерии, что снижает поступление связанного азота в растение.

Максимальная продуктивность почвы достигается в угольно – кислотной (силикатной) буферной зоне.

На графиках 2.2 а,б,в продемонстрирован эффект очистки городского воздуха дождем. Взяты графики по результатам измерений в середине сентября 2009г, в течение 16 – 18 сентября в городе Москве.

Данные взяты из Интернета по результатам одной из 43 автоматических станций мониторинга воздуха по городу Москва и Английской базы данных, дающей обширные архивы погоды многих городов мира:

(http://www.mosecom.ru/air/air-today/, http://www.weatheronline.co.uk/).

а) Осадки «mm» над Москвой. Период 02. 09.2009 – 30.09. б) в) Рис.2.2. Мониторинг загрязнений атмосферного воздуха в г. Москве до и после дождя: а – мониторинг осадков в течение месяца, б – почасовое измерение основных газов-загрязнителей во время дождей, в - взвешенные в воздухе частицы размером менее 10 мкм после дождя.

Из первого графика видно, что например, 17-го и 18-го сентября в городе прошли дожди и выпало по 6 мм осадков в сутки. На графиках рис. 2.2б следует, что во время такого дождя в 3-4 раза снижается содержание SO2 в атмосферном воздухе, в то-же время концентрация слаборастворимых газов (CO, NOx) почти не снижается. Количество мелких пылевых частиц (менее мкм), взвешенных в воздухе, значительно снижается после дождя, как видно из рис. 1.2 в.

Достаточно детальный анализ концентрации и ее динамики для субмикронного сульфатного аэрозоля в атмосфере над Москвой проведен в работе [48]. Анализировались величины коэффициентов корреляции концентрации SO42- с рядом метеопараметров и присутствием других типичных газов, выявлена наилучшая корреляция с абсолютной влажностью воздуха: они составили для массива первичных данных и среднесуточных значений 0.76 и 0.85 летом, а также 0.56 и 0.75 зимой.

В монографиях Израэля Ю.А. [1] и др. проводятся подробнейшие исследования процессов загрязнениях и динамики вымывания различных загрязняющих веществ, а также даются данные о прохождении таких процессов над территорией нашей страны. Проводятся обширные исследования морей и океанов, в частности анализируются последствия температурных аномалий и химических загрязнений на баланс различных взаимных процессов [49-51] и др. Создана сеть наземных станций наблюдений на территории нашей страны для измерения ряда загрязняющих веществ в атмосфере, осадках и открытых водоемах. Периодически (несколько раз в месяц) данные собирает самолет- лаборатория, оборудованный газоанализаторами и др. специальной аппаратурой. Данные многолетнего мониторинга, например на станции Териберка (69 12 с.ш., 06 в.д) показывают устойчивую тенденцию роста CO2 и CH4 в атмосфере – так что надо что-то делать!

В работе [49] установлено, что Россия, как расположенная в северных и умеренных широтах страна, более чувствительна к процессам глобального потепления. В то время как в целом по земному шару аномалии среднегодовых температур сейчас чуть больше 1 С, у нас размах температурных аномалий достигает 3 4 С. Поэтому, климатические изменения, обусловленные глобальным потеплением, будут сказываться здесь в большей степени, что требует разработки новых методов для стабилизации климата.

Аналогичным целям посвящена работа [50], здесь проведено численное моделирование поглощения океаном углекислого газа и кислорода для сценария эмиссии парниковых газов В (www.dkrz.de/pcc/ddc/html/dkrzmain.html) и при сильном ветре по прогнозам климата в моделях ECHAM4/OPYC3, GFDL_R30_c, HadCM3. Эмиссия СО к 2050 году ожидается 463 мкатм (по моделям ISAM, BERN-CC). Также ожидается усиление ветра и повышение температуры поверхности океана, что приведет к повышению волнения океана и как следствие – усиление газо переноса через поверхность пузырьками. Установлена тенденция роста скорости ветра в атмосфере и температуры в 21 веке, что также окажет влияние на поглощение и удержание различных газов поверхностью океана.

В недавней работе [51] проводится численное моделирование общей циркуляции атмосферы и океана, в которую включен цикл эволюции углерода. Программа хорошо воспроизводит имеющиеся данные по эмиссии и поглощению СО2, и позволяет моделировать изменения климата, обусловленные этими основными факторами, вплоть до 2100г, когда концентрация углекислого газа в атмосфере предположительно составит ppm по сценарию А1В согласно международной классификации. По расчетам, поглощенная океаном и сушей доля эмиссии СО2 к 2100г составит около только 25% и 19% соответственно.

III. Облака и их основные характеристики для акустического воздействия.

Введем несколько основополагающих данных о строении облаков и микрофизических процессах в них, в основном выделяя наиболее существенные факторы для акустическом воздействия. Впервые классификация облаков была предложена в 1803 году Л.Говардом [52], следует заметить что литература по этим вопросам – обширна, например отметим справочники [53, 54]. Следуя например [54], приводим описание и краткую характеристику основных форм облаков.

Классификация облаков.

Перистые облака Ci (Cirrus) – белые волокнистые облака, очень тонкие и прозрачные. Перистые облака могут состоять из отдельных нитей (Ci filosus), сильно перепутанных (Ci intortus), или имеющих загнутые кверху ногтевидные концы (Ci uncinus). Распадающиеся во времени остатки более плотных облаков сообразуют перистые- плотные (Ci spissatus). Выделяют перисто-кучевые облака Cc (Cirro-cumulus). Когда изначально перистые облака принимают форму волн, мелкой ряби или правильных рядов или хлопьев, они образуют группу облаков Cc. Бывает, что один участок облака имеет форму Ci, а неправильно разбросанные обрывки и включения в нем принадлежать Cc. Перисто-кучевые хлопьевидные - Cc floccus. Часто бывают облака, вся масса которых принимает форму отдельных вытянутых миндалевидных обрывков, напоминающих чечевицу, откуда происходит их название – чечевицеобразные облака Cc (lenticularis). К перисто-кучевым относятся и те конденсационные следы на высоте 7 – 13 км, которые остаются в летнем небе после пролетевшего самолета. Эти следы потом распадаются на отдельные хлопья, вытянутые вдоль градиента ветра и позже испаряются. Перисто-слоистые облака Cs (Cirro- stratus) представляют собой тонкую пленку облаков, которая может быть волокнистой (Cs filosus) или однородной туманно-образной пленкой Cs (nebulosus).

Высоко-слоистые облака Alto-stratus, As представляют собой сероватую или синеватую пелену, иногда немного волокнистую, закрывающую небо. Они могут быть частично прозрачны для солнца - As translucidus. В тонких As – облаках иногда наблюдаются яркие цветные венцы округ солнца. Максимально плотные непросвечивающие облака называются As opacus. Оба вида облаков могут давать незначительные осадки, в основном снег зимой. Высоко-кучевые облака Alto-cumulus (Ac) – светлые облака в виде волн, гряд, небольших клубов и хлопьев, межу которыми почти всегда просвечивает голубое небо. Иногда они сливаются в сплошной покров небольшой мощности - Ac opacus, в отличие от просвечивающих - Ac translucidus, или имеют вид чечевицы или сигар - Ac lenticularis. Некоторые разновидности Ac имеют видимый отпечаток проходящих в них конвективных процессов. Частный случай этой группы башенко - образные Ac castellatus, похожие на небольшие грозовые облака Cb или хлопьевидные распадающиеся Ac floccus. В некоторых случаях гряды высоко-кучевых облаков возникают из растекающихся мощно-кучевых Cu cong. Из них выпадают осадки (чаще в южных районах) в виде полос, не доходящие до земли, называемых тогда Aс virga. К средним облакам 2 – 6 км относятся высоко-слоистые и высоко- кучевые.

К нижним облакам относятся следующие. Прежде всего, это слоисто-кучевые облака Strato-cumulus, Sc, они сходны с высоко-кучевыми, хотя расположены гораздо ниже на высотах около 2 км. Они имеют вид больших волн или гряд или крупных пластин, в промежутках между которыми могут просвечивать лучи солнца, но наиболее часты непросвечивающие облака - Sc opacus. Выделяют вид слоисто-кучевых кучевообразных облаков Sc cumuliformis, связанных с процессами конвекции, из них башенко-образные Sc castellatus получены в результате процессов, связанных с образованием ливневых облаков. Облака этого типа являются результатом ячейковой циркуляции в атмосфере. Слоистые облака Stratus, St - низкая серая пелена, почти однородная, иногда изорванная в нижней части со свисающими неправильными клочьями. Они порождаются турбулентностью и разнонаправленными движениями воздуха. В отличие от туманно-образных St nebulosus, могут наблюдаться разновидности облаков, имеющих волнообразный характер St undulates, наблюдаются также разорвано- слоистые островки St fractus, а также разорвано- дождевые обрывки Fracto-nibmus.

Облака, дающие сильные или длительные осадки – Ns, As, Cb.


Слоисто-дождевые облака Ns (Nimbo-stratus) сплошная серая или желтовато серая пелена. Они имеют гораздо большую мощность, чем предыдущие St, что становится очевидным при наблюдении этих облаков с самолета. Ns дают осадки и всегда связаны с фронтами. Внутри Ns иногда возникают отдельные кучево-дождевые облака Cb. При полете на самолете это заметно по уплотнению облака и по усилению турбулентности, из таких облаков выпадают ливневые кратковременные или сильные дожди. Лишь на краю циклонов Ns вырождаются, имеют малую мощность 1 – 2 км, не дают осадков. Кучевые облака Cumulus, Cu – отдельные плотные белые облака в виде шапок иди клубов с плоским и более темным основанием. Между ними всегда есть просветы и переходные стадии от зарождающихся облаков и обрывков, включающих низкие облака, средние и мощные кучевые облака Cu congestus для которых вершины достигают 6 – 7 км. Здесь характерны восходящие потоки, крупномасштабные турбулентности. Кучево-дождевые облака Cumulonimus (Cb) достигают иногда в тропических странах высоты 20 км. Для этого типа характерно растекание верхней части облака, но на больших высотах они превращаются в перистые облака. Часто такие облака Cb называют фабрикой облаков, поскольку растекаясь они могут переходить в другие формы.

По характеру и динамике образования облаков, предложена следующая схема классификации согласно О.Г.Кричак [54]:

Ci, Cs, As, Ns, Ac, Sc - облака упорядоченного подъема;

St, Sc, Ac, As - облака не адиабатического охлаждения;

Cu, Cb, Ac cast., Cc - облака термической конвекции;

Cu, Cb, St, Sc, Cu fr., St fr., Cc - облака динамической конвекции;

Ac lent., Sc cuf., Sc vesp., Ac, Cc - облака растекания и оседания.

Одним из основополагающих понятий является влажность и водность пространства. Водность, или абсолютная влажность w приводится в г/см3 или г /м3. Относительная влажность = e/E, где e – парциальное давление водяного пара, E(Т) – парциальное давление насыщенного пара над плоской поверхностью чистой воды (или чистого льда), зависящее от температуры. Величины связаны между собой: e = wRwT =wRT/w здесь R, Rw – газовые постоянные воздуха и водяного пара, w - молекулярная масса водяного пара. Одной из важнейших характеристик облаков является величина пресыщения: s = ( - 1) = (e - E)/E;

s 1. В капельных облаках влажность близка к 100%. В облаках слоистых форм пересыщение составляет сотые (редко до десятых) доли процента. В облаках конвективных форм s достигает 1 – 2 %. При турбулентных потоках, направленных вниз, внутри облаков могут возникать полости с влажностью ниже 100%, что влечет за собой полное испарение капель в полости. Размеры капель в облаках кучевых форм приведены в таблице 3.1, составленной по различным экспериментальным измерениям [52] в кучевых облаках хорошей погоды, мощных кучевых и кучево-дождевых. Облака этого класса отличаются прежде всего высоким процентным содержанием крупных капель.

Очевидно, что при переходе от кучевых облаков хорошей погоды к мощным кучевым облакам, способным давать осадки, происходят изменения, прежде всего – расширение и смещение спектра капель в сторону укрупнения капель. Фактически, задачей активных воздействий на облака любого типа является именно такое изменение спектра.

Таблица 3.1. Характеристики размеров облачных капель некоторых облаков [54].

Облака Cu Мощные Cb Sc Ac Ns St Cu Концентр 300 64;

72 350;

450 330;

260;

Капель 500;

175 150 - n см Преобл. 9 24;

20 4;

5 6;

6;

5. Радиус 8 11 5. r мкм 3 83;

1 12;

1 13 1 Диапазон 3 33;

2100 1 22;

капель 2 40 3 1 10 2 r мкм На следующем рис. 3.1 приводятся характерные измеренные спектры распределения капель по размерам в облаках различных форм.

n 0 10 20 30 40 r, m Рис. 3.1. Распределение капель по радиусам в естественных облаках двух типов. n(r) – концентрация в относительных единицах 1- кучевые облака хорошей погоды;

2 – мощные кучевые облака, [52].

В низких, и летом в умеренных широтах облака являются теплыми, то есть не содержат переохлажденных капель. Температура в «холодных»

облаках ниже нуля. В умеренных широтах осенью-весной наиболее часты смешанные облака, этот термин отражает содержание капель переохлажденной воды и ледяных кристаллов. Процесс Бержерона отвечает за образование осадков в смешанных облаках: ледяные частицы быстро растут за счет сублимации на них жидкой фазы, поскольку в таком облаке давление окружающего пара эквивалентно насыщенному пару по отношению к воде [55]. Переохлаждения мелких капель (менее 5 мкм) возможно вплоть до температур около -40С без фазового перехода и затвердевания, в то-же время в экспериментах при понижении температуры до -41С происходит внезапное увеличение кристалликов льда, так что туман чистой воды почти полностью состоит из льда при этой температуре [56]. В переохлажденном однородном водном тумане в естественных условиях появление ледяной фазы происходит только благодаря случайной группировке молекул, соответствующих структуре льда, подобные молекулярные комплексы постоянно возникают и исчезают следствии флуктуаций температуры.

Поэтому следует ожидать, что акустическое воздействие на смешанные облака, содержащие большое количество переохлажденной воды, может приводить к быстрому фазовому переходу и выпадению большого количества осадков. В настоящее время AgJ считается активным для образования льда в переохлажденных облаках за счет сходной кристаллической решетки, также используются др. вещества: PbJ2, NH4J, KJ, NaJ, CdJ2, HgJ2, TlJ и т.д. В настоящее время в процессах фазовых преобразований в холодных облаках существует достаточное количество неопределенностей: в работе [56] рассмотрены модели внутреннего механизма замерзания (кристаллизации) как обычной переохлажденной воды-1 так и аморфной воды (А-воды с плотностью = 2.1 г/см3.

Доказывается модель, согласно которой после прохождения фронта кристаллизации избыток энергии уносят быстрые свободные молекулы пара через поверхность частицы лед/жидкость, двигающиеся со скоростью м/сек (60м/сек для А-воды). Высокоскоростное истечение пара из замерзающей капли создает вокруг нее очаг микромасштабной турбулентности, ускоряющей массообмен облачных частиц с паром.

Снижение плотности переохлажденной воды происходит при понижении ее температуры вплоть до -39С и сопровождается повышением удельной концентрации водородных связей, что означает приближение структуры воды к структуре льда. Обе эти фазы воды переходят в одну и ту-же модификацию лед - I с плотностью 0.917 г/см3. Некоторые данные [56] о свойствах переохлажденной воды-1, подтверждающие жизнеспособность переохлажденных капель, приводятся в таблице 3.2.

Таблица 3.2. Свойства переохлажденной воды-1.

Температура Плотность Скрытая энергия Доля, обращаемая в С w, г/см3 Замерзания пар при замерзании L, Дж/г (w-i)/w 0 1.00 316 0. -10 0.999 312 0. -20 0.995 297 0. -30 0.983 264 0. -35 0.967 251 0. -39 0.917 0 С изменением температуры и высоты в атмосфере формы ледяных кристаллов сменяют друг друга. Указывают преобладающие типы облаков и виды ледяных кристаллов в них [57].

Верхняя тропосфера имеет -30 -60С и характеризуется большим пересыщением надо льдом но незначительной абсолютной влажностью. Это область облаков Ci, Cc, Cs, содержащих в основном ледяные иглы, пустотелые столбики или их объединения в близнецы или пучки. Далее располагается средняя атмосфера, характеризуемая средними значениями пересыщения надо льдом и средней абсолютной влажностью, температуры 15 -30С. Это область As, Ac, реже Ns - As;

в основном преобладают толстые пластинки и столбики. Нижняя атмосфера характеризуемая незначительным пересыщением надо льдом и большой абсолютной влажностью, температуры от нуля до -15С, область Ns – As облаков, содержащих тонкие пластины и разнообразные разветвленные звездочки – снежинки. Интервал температур -10 -14С замечателен тем, что здесь абсолютная разница давления насыщенного пара над водой и льдом максимальна, поэтому попадая в эту область кристаллы активно растут поскольку имеется максимальное количество водяных паров, служащих строительным материалом для такого роста. Эксперименты показывают, что дендриты - звездочки с удлиненными лучами и развитой структурой, растут наиболее активно в диапазоне температур -3 -5С, современные модели образования этих структур в природе можно найти в одном из обзоров [57].

В справочнике [53] приведена детальная типизация и схематическое изображение восьмидесяти атмосферных кристаллов и кодовое название кристаллов по международной классификации. Ледяные кристаллы свободной атмосферы обычно подразделяют на собственно облачные кристаллы и элементы ледяных гидрометеоров. К первым относятся кристаллы малого размера, такие, что они практически не падают (скорости до 10 см/сек) и существуют в облаках достаточно долго. Ко второй группе относятся кристаллы с характерным размером около 0.5 мм и падающие к земле со скоростями 1 – 2 м/сек. Формы облачных кристаллов обычно простые, так как они находятся долгое время в одинаковых условиях и имеют время для совершенствования однонаправленного роста. Частицы твердых метеоров растут и развиваются в переменных внешних условиях, поэтому их формы достаточно сложны и многообразны. В обзоре [58] приводятся результаты современных исследований процессов формирования ледяных кристаллов в камерах [59], в облаках посредством наблюдений с самолетов [60], подробно рассмотрена роль электрических эффектов [61].

Приведем оценочную формулу, которую можно использовать для расчета доли водяного пара, жидкой и твердой фаз в стационарной облачной среде, возникшей в результате адиабатического процесса [58]:

Сa z wC w zi Ci d log T Rm d log P d H w z w d int H i zi 0 (3.1) T T Здесь удельные теплоемкости влажного воздуха, воды и льда Ca Cw Ci соответственно;

za, zw, zi – доли пара, воды и твердой фазы;

Hw, Hi – скрытая теплота конденсации и сублимации;

Rm – универсальная газовая постоянная;

P, T – давление и температура, последнее слагаемое int означает внешние изменения. По сравнению с такими простыми модельными расчетами (3.1), измерения показывают большую долю переохлажденных капель воды в смешанных облаках, особенно в загрязненной атмосфере с большим количеством аэрозольных и солевых частиц. Процесс образования nc (шт./сек) ледяных кристаллов описывается следующим соотношением [57] dm nc HALMOS 35 10 4 f Ts (3.2) dt rim, d 0, Ts 270.16 K 270.16 Ts / 2, 270.16 Ts 268.16 K f (Ts ) Ts 265.16 / 3, 268.16 Ts 265.16 K 0, Ts 265.16 K Формула включат фактор загрязнений атмосферы HALMOS равный 0 3, в указанном диапазоне температур, при описании замерзания капель диаметром более 24 мкм.

Формирование спектра капель в естественном облаке Анализ энергетического баланса конденсирующейся капли на основе приращения свободной энергии показал, что капли с размером больше критического будут расти, а меньшие – испаряются даже в пересыщенной среде, что обеспечивает формирование достаточно крупных капель в облаках (наряду с другими процессами), докажем это утверждение на основе следующего анализа. Свободная энергия молекулы в паровой фазе a, в жидкой фазе - b, так что полное изменение свободной энергии G при испарении n молекул равно:

G = (b - a)n + 4r2. (3.3) где - поверхностное натяжение жидкости. Капля жидкости с молекулярным весом М содержит количество молекул равное n = N4r3/(3M), где N – число Авогадро. Анализ изменения свободной энергии капли приводит к формуле [62]:

N 4r G 4r 2 kT ln s (3.4) 3M Из (3.4) видно существование экстремума и энергетического барьера, препятствующего росту капель с размером, меньше критического rk, значение которого находится из дифференцирования G из уравнения (3.4) по радиусу.

2M rk (3.5) RT ln s Капли с размером больше критического будут расти, поскольку для них при увеличении размера свободная энергия системы уменьшается, то есть капля отдает энергию. Если размер капли меньше критического, то она испаряется, поскольку при этом ее свободная энергия также уменьшается.

При проведении экспериментов в камерах, существенно, что при адиабатическом расширении насыщенного пара на основе первого закона термодинамики степень пересыщения изменяется следующим образом:

U B U exp 2 s 2 (3.6) U T1 U1 1 U1 и U2 – объем газа до и после расширения, коэффициент B = 5367 (СГС) для воды, показатель адиабаты для воды составляет =cp /cv =1.4, Т1 – абсолютная температура парогазовой смеси до расширения.

Скорость испарения/конденсации капель через сферическую поверхность (г/сек) описывается классическим уравнением Максвелла:

I 4rDC C0 (3.7) или уравнением Ленгмюра:

RT r 2 r02 RT r 2 r t (3.8) 2 DM P P0 2 DMP 1 s Здесь t – время, D – коэффициент диффузии испаряющегося вещества в среде, r0 и r – начальный и конечный радиусы капли, R – универсальная газовая постоянная, P и P0 – давление насыщенного пара и парциальное его давление в среде и соответствующие концентрации C, C. При условии малого пересыщения, получено выражение, позволяющее оценить время жизни малой капли в насыщенной или слабо пересыщенной среде в зависимости от ее радиуса.

2r 3 RT t (3.9) 3DP M Время жизни капли воды радиусом r = 0.05 мкм при Т = 20С составляет по оценкам (3.9) малую величину t20 410-4 сек. Время жизни возрастает с высотой и соответствующим падением температуры ввиду сильного уменьшения давления насыщенных паров Р с температурой: ln P A B / T, где для воды коэффициенты А = 21.18, В = 5367 (СГС). Время жизни капли, например, с радиусом 0.05 мкм возрастет в 3.3 раза при понижении температуры от 20С до 0, но составит миллисекунды t0 1.310-3 сек. Столь малые времена испарения малых капель объясняют наличие в основном крупных микронных капель в спектрах естественных облаков, например см.

табл.3.1.

Экспериментально было установлено, что присутствие в воде растворенного вещества снижает давление насыщенных паров в соответствием с законом Рауля : (e0 –e)/e0 = n/(n+n0), здесь e, e0 – давление насыщенного пара над раствором и водой;

n, n0 - число молекул растворенного вещества и воды. Тогда давление насыщенного пара над капелькой раствора, с учетом ее кривизны (эффект Кельвина) и присутствия растворенного вещества, выражается формулой:

3iM w M p m p e e0 1 (3.10) RTr 4M p r Здесь Мw Мp – молекулярный вес воды и растворенного вещества и mp – его масса [55], i - растворимость. Процесс конденсации зависит от пересыщения, которое в реальных условиях атмосферы сильно зависит от скорости охлаждения воздушных масс. Также процесс конденсации зависит от химического состава ядер конденсации, а в случае нерастворимых ядер – от смачиваемой или несмачиваемой поверхности частицы. Во многих практических случаях на растворимых ядрах быстро образуется капля насыщенного раствора, который при дальнейшей конденсации воды на нем становится все более разбавленным [63]. Обычно равновесное давление пара-растворителя (воды) над поверхностью раствора ниже, чем над поверхностью капли из чистой воды, и пока существует такая разница процесс конденсации идет активно.

Формулы спектров облачных капель Пар конденсируется на мельчайших частицах - ядрах конденсации (ядрах Айткена). Этот процесс, называемый гетерогенной конденсацией, уже не требует столь высокого пересыщения, как гомогенная конденсация в чистом водяном паре. Распределение ядер Айткена обычно задается эмпирической формулой Юнге :

n r dr (3.11) r a r здесь n – число частиц в единице объема воздуха с радиусом в интервале (r,r+dr). Здесь a, - постоянные, которые отражают природу воздушных масс. В частности, для нижней тропосферы в глубине континента 4, в верхней тропосфере 5.;

(над океаном до высоты 2 км 3) [64]. Ядрами конденсации могут служить как растворимые, так и нерастворимые частицы малого размера, самыми активными являются самые большие и самые растворимые ядра конденсации. Основные закономерности поведения аэрозольных частиц в атмосфере изложены, например, в книге [65], или в недавнем обзоре [66].

В [67] проведен анализ спектров коэффициентов ослабления излучения в диапазоне длин волн 0.38 – 16.3 мкм стратосферным аэрозолем на высотах 15 – 30 км. Измерения осуществлялись ИК-интерферометром в видимой и ИК-области спектра, а также приборами SAGE-III, ISAMS, CLAES, HALOE. На основе теории Ми и указанных данных космического мониторинга, смоделирован статистический ансамбль стратосферного аэрозоля: восстанавливается функция распределения частиц по размерам в диапазоне 0.4 – 4 мкм, а также суммарный объем и суммарная площадь поверхности частиц аэрозоля.

После того как был собран и систематизирован большой экспериментальный материал облачных капель, И.П.Мазин и А.Х.Хргиан предложили удобную эмпирическую формулу для описания распределения облачных капель по размерам:

nr ar 2 exp br (3.12) здесь коэффициенты также связаны с водностью среды и средним радиусом капель: a 1.45W/r6ср, b 3/rср. Сопоставление с экспериментальными спектрами показало, что в облаках кучевых форм St, Sc, Ns с мощностью (то есть вертикальной протяженностью) около 1.5 км эти коэффициенты в формуле составили b = 0.54;

=0.39;

=0.33 мкм-1 соответственно, что совпало с экспериментами с точностью 0.999 – 0.993 [54]. Были предложены другие аналогичные формулы, например Беста, Левина и др. Для размеров капель более 2 микрон используется [68] аппроксимация эмпирических гамма распределений частиц по размерам типа:

r n r 1 exp r / (3.13) 1 здесь, - параметры, () – гамма- функция. К этому типу распределений близко и распределение Хргиана-Мазина (3.12) при = 2. Для более крупных капель с радиусом более r = 20 - 30 мкм обычно выбирается распределение степенного характера:

B r (3.14) (10 rср r ) k Здесь В – константа и k 10.

В более общем виде, эмпирическое распределение с правой ветвью степенного типа часто аппроксимируется обобщенным гамма распределением:

k n s b s r exp b / r s (3.15) k 1 rk s n, s, k, b – параметры. Легко получить, что это распределение имеет максимум капель радиусом rmax s b / k 1 / s при ks 0, а также обращается в ноль при r 0.

Известно, что облачные капли с радиусом более 100 мкм выпадают в виде осадков. Если в (3.15) s = -1, k = 0, тогда можно получить для дождевых капель распределение Маршалла-Пальмера:

r n b exp b r (3.16) Приведем данные по размерам в осадках на основе сопоставления (3.16) с измерениями. Константа b (см-1), концентрация капель дождя n (см-3) в зависимости от интенсивности I дождевых осадков (мм/ч), равны [68]:

моросящий дождь – b=57I-0.21, n=510-3I0.21 ;

1.

обложной дождь – b=41I-0.21, n=210-3I0.21 ;

2.

грозовой дождь – b=30I-0.21, n=510-4I0.21.

3.

Из (3.15) при s = -m, k = 4 - m получается распределение Беста капель в дожде в зависимости от его водности w (г/см3) и массы дождя m:

m r wmr 4 expr / r0 m r (3.17) r 8 Для дождя, образовавшегося в результате среднеобзерненных частиц, из сравнения с экспериментами: m = 2.25, w = 6.7010-8I0.846, r = 0.065I0.232.

Для дождя, образовавшегося в результате таяния града: m = 2.82, w = 6.4510-8I0.70, r = 0.144I0.31.

При s = -1, k = 2 соотношение (3.15) переходит в распределение Поляковой-Шифрина для дождя:

r ar 2 exp r (3.18) Здесь а = 6.610-35(см-6), = 635(/I)2/3 (см-1), - (см-1) коэффициент ослабления света в зоне дождя. Приведенные эмпирические спектры дождей сводятся к обобщенному гамма - распределению в диапазоне параметров -1. s 1.5;

-30 k 3. Для очень крупных капель ливневых дождей где r составляет до десятых долей миллиметра, распределение описывается степенным законом: r b expr / r0. Наблюдениями и изучением вопросов микрофизических процессов в облаках занимались многие исследователи [69-80], и др.



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.