РАБОТА БАКАЛАВРА

Анализ влияния антропогенных аэрозолей на

физические параметры атмосферы

Санкт-Петербург

1999

Введение..................................................................................................3

1. Антропогенный

аэрозоль.......................................................................4

1.1. Физико-химические свойства антропогенного аэрозоля................4

1.1.1.

Сажа....................................................................................................5

1.1.2.

Пепел..................................................................................................8

1.2 Влияние антропогенных аэрозолей на физические

процессы..............................................................................................16

1.2.1. Изменение климата

городов..........................................................16

1.2.2. Особенности фазовых переходов воды в загрязненной

атмосфере........................................................................................17

2. Климатические эффекты

аэрозолей...................................................21

2.1. Влияние аэрозоля на физические параметры атмосферы.........22

2.2. Аэрозоль как элемент климатической

системы............................24

2.3. Радиационные эффекты

аэрозоля..................................................26

2.4. Локальные эффекты городского тропосферного аэрозоля........31

2.5. Влияние аэрозоля на

облачность...................................................32

2.6. Расчет зависимостей физических параметров атмосферы от

массовой концентрации антропогенного аэрозоля

Заключение...........................................................................................35

Список использованной

литературы.................................................38

Приложение...........................................................................................39

ВВЕДЕНИЕ

Проблему влияния аэрозоля на климат можно без преувеличения назвать

центральной и наиболее сложной из всего комплекса проблем “аэрозоли и

климат”. Дело в том, что антропогенные аэрозоли наиболее разнообразны

по структуре и своим физико-химическим свойствам, а их вклад в общее

содержание атмосферного аэрозоля постоянно растет и может быть резко

увеличен.

В прошлом климат Земли изменялся много раз без воздействия или при

малом воздействии антропогенных источников. Поэтому возникает вопрос:

может ли оказать воздействие на климат присутствие в атмосфере

аэрозоля вообще и антропогенного в частности. Отмечалось, что

глобальные выбросы антропогенного аэрозоля в настоящее время достаточно

велики. Так, среднегодовой выброс аэрозоля из естественных источников

составляет 2312 млн. т, а из антропогенных-296 млн. т, что составляет

соответственно 88.5 и 11.5% от общего среднегодового количества

генерируемого аэрозоля.

При оценке потенциального влияния антропогенного аэрозоля важно

сознавать, что его образование ограничено промышленными центрами,

расположенными в основном в Северной Америке, Европе, Японии и на

части территории Австралии. Таким образом, 296 млн. т антропогенного

аэрозоля образуется над площадью, равной примерно 2.5% поверхности

Земли. Для сравнения отметим, что эта же территория продуцирует 58

млн. т аэрозоля естественного происхождения, т. е. лишь 20% от

антропогееного аэрозоля. Эта относительно высокая концентрация

антропогенного аэрозоля над относительно маленькой площадью позволяет

предположить возможность локального, вполне вероятно что и

регионального, воздействия на климат. Например, в большом количестве

работ рассматривается влияние больших промышленных центров на процесс

облакообразования, влияние промышленности на термический режим атмосферы,

изменение прозрачности атмосферы в результате хозяйственной деятельности

человека. Известно, что изменение аэрозольной оптической толщины со

временем в стратосфере после вулканических извержений, а в тропосфере

от промышленных загрязнений и пылевых бурь могут вызывать

климатические изменения.

Непоглощающий аэрозоль увеличивает альбедо атмосферы и, следовательно

уменьшает количество солнечной радиации, достигающей поверхности Земли.

Если аэрозоль поглощает в коротковолновой области спектра, то

поглощенная энергия солнечного излучения передается атмосфере. Это

приводит к нагреванию атмосферы и охлаждению подстилающей поверхности.

Если аэрозоль поглощает и соответственно испускает энергию в

инфракрасной области спектра, то это приводит к противоположному

результату, т. е. энергия выводится из тропосферы, что приводит к

охлаждению воздуха и усилению парникового эффекта у поверхности Земли.

Общий эффект зависит от соотношения коэффициентов поглощения в видимой

и инфракрасной области, а также от альбедо поверхности. Изменение

радиационных потоков в аэрозольной атмосфере приводит к изменению ее

температурной стратификации, а также к изменению температуры земной

поверхности.

Те же механизмы, что приводят к изменению температурного режима

поверхности и атмосферы, могут влиять на точность определения

температуры поверхности моря и суши из космоса, и на возникновение и

поведение воздушных потоков, включая развитие струйных течений на

низких высотах. Эти факторы сказываются также на точность местного и

регионального прогноза погоды. Наличие сильных полос поглощения в

атмосферном “окне” 8 -12 мкм для аэрозоля аридного происхождения может

привести к уменьшению температуры подстилающей поверхности, которое

достигает нескольких кельвинов.

Влияние аэрозоля на климат наиболее ощутимо в промышленных районах

вследствие того, что воздействие его на радиационные потоки приводит

к нагреванию атмосферы и стабилизации конвективных процессов. Так, в

одной из работ американских ученых на базе западных районов США,

показано, что присутствие аэрозоля может привести к усилению

температурных инверсий и тем самым к накоплению промышленного выброса.

С помощью аэрозолей можно воздействовать на атмосферные процессы.

Наука о воздействии на атмосферные процессы становится одной из важнейших, чему

способствуют следующие обстоятельства. Ураганы, грозы, град, катастрофические

ливни, туманы, нарушение экологического режима различных слоев атмосферы,

обледенение и электрическое поражение летательных аппаратов, наземных и морских

объектов и другие опасные природные явления наносят ощутимый урон народному

хозяйству. Поэтому исследуются возможности прогнозировать эти явления и

предотвращать их. Вместе с тем, искусственные воздействия,способствующие

улучшению погодных условий , могут оказаться эффективным средством повышения

урожаев, улучшения видимости, ослабления катастрофических явлений и т. п.

Представление о том, в какой мере человек может управлять атмосферными

процессами, периодически менялось со временем. На сегодняшний день теоретически

разработаны методы управления облаками, перераспределения и интенсификации

осадков, борьбы с градом, рассеяния облаков и туманов, воздействия на ураганы и

антициклоны, преднамеренного и непреднамеренного нарушения равновесия в

ионосфере и озоносфере. Но на практике наиболее применительными из них

являются методы воздействия на облака и осадки и искусственного рассеяния и

создания туманов [7].

1. АНТРОПОГЕННЫЙ АЭРОЗОЛЬ

1.1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АНТРОПОГЕННЫХ

АЭРОЗОЛЕЙ

Концентрация в атмосфере аэрозольных частиц антропогенного происхождения

зависит в первую очередь от интенсивности генерации и времени их

существования. Время жизни частиц определяется как размерами, так и

другими их физико-химическими свойствами, а также высотой слоя

атмосферы, в который они первоначально введены. В приземном слое

частицы, радиус которых превышает 10 мкм, осаждаются на земную

поверхность через несколько часов после поступления в атмосферу.

Частицы субмикронного размера обладают высокой подвижностью и в

результате интенсивного броуновского движения и коагуляции достаточно

быстро укрупняются, образуя моду малых частиц. Эта мода аэрозольных

частиц может находиться в воздухе достаточно длительное время и

весьма эффективно рассеивает коротковолновую солнечную радиацию.

Дисперсность антропогенных аэрозолей определяется характеристиками

процессов образования частиц, в том числе концентрацией

аэрозолеобразующего вещества и его химическим составом. Роль

диспергационных процессов в образовании антропогенных аэрозолей

относительно невелика (сельское хозяйство, горнодобывающая и

строительная промышленность) и с каждым годом уменьшается в результате

использования методов эффективного пылеподавления и пылеосаждения.

В научной литературе обычно не разделяют естественные и антропогенные

почвенные аэрозоли, поскольку они мало отличаются по своим

физико-химическим свойствам. Определенный интерес аэрозоли этого типа

могут иметь, если они выбрасываются в большом количестве на большую

высоту, что может заметно увеличить их вклад в радиационные

атмосферные процессы по сравнению с вкладом естественных аэрозолей, и

если они имеют в своем составе химически активные соединения.

Например, цементная пыль, содержащая Al2O3 является

эффективным катализатором реакций разрушения озона, а также может

служить в качестве центров кристализации [11].

Однако как радиационный климатообразующий фактор наибольшее значение

имеет антропогенный аэрозоль, образующийся из различных продуктов

сгорания. К ним в первую очередь относятся сажевые, сернокислотные и

сульфатные частицы, а также частицы, образующиеся из органических

веществ [1,6]. Кроме того, при процессах горения в атмосферу

выбрасывается большое количество соединений тяжелых металлов, которые

обладают высокими токсичными свойствами и являются очень эффективными

катализаторами атмосферных реакций окисления. Важным фактом для этих

процессов аэрозолеобразования является относительно большая высота

выброса значительной доли частиц в атмосферу (Z>=500 м), что при

малых размерах частиц (r<=1 мкм) приводит к большому времени жизни

их в атмосфере. В результате аэрозольные частицы перемещаются на

значительное расстояние, в том числе в те регионы, в которых

концентрация естественного аэрозоля низка, А процессы вымывания частиц

из атмосферы ослаблены. К таким регионам, в частности, относится

Африка . Присутствие в атмосфере поглощающих аэрозольных частиц может

существенно изменить радиационный баланс системы Земля-атмосфера при

наличии сплошного снежного покрова .

1.1.1. САЖА

Сажевые частицы образуются при неполном сгорании различных топлив.

Так как парциальное давление насыщения углерода очень низкое, то

образование частиц может происходить даже при небольших концентрациях

элементарного углерода и недоокислившихся углнводородов. Поэтому

диапазон размеров сажевых частиц очень широк. Значительная часть сажи

конденсируется на уже присутствующих в воздухе частицах, образуя, по

терминалогии Г. В. Розенберга, покровную фазу аэрозолей. Если учесть,

что массовая концентрация сажи в приземном слое в промышленно развитых

районах составляет от 5 до 20 - 30 мкг/м3, то становится очевидна

важная роль сажи в радиационных процессах в атмосфере промышленных

центров. В ряде работ рассматривалась каталитическая и

фотокаталитическая активность частиц, содержащих сажу. В основном она

обусловлена присутствием в таких частицах тяжелых металлов и свободных

радикалов. Это обстоятельство может иметь важное климотологическое

значение при выбросах продуктов сгорания на высоту озонового слоя,

так как приведет к резкому уменьшению концентрации озона [2].

Основным механизмом возникновения как природных, так и антропогенных

сажевых частиц является пиролиз в газовой или конденсированной фазе

углеродсодержащих материалов [2,5]. Микрофизические характеристики

продуцируемых при этом частиц зависят от специфики источника. Так,

частицы, образующиеся при сгорании нефти, имеют кораллоподобную

структуру и эффективную форму – сферическую; пиро--лиз каменного угля

генерирует частицы в виде сфер, внутри которых заключены в большом

количестве сферы меньших размеров, хаотически расположенные под внешней

оболочкой.

На характер образующихся частиц сажи большое влияние оказы-вает

способ сжигания. При медленном, тлеющем горении образуются крупные,

хлопьеобразные частицы ( поскольку при этом велика вероят-ность

коагуляционного роста мелких, “эмбрионных” частиц). В случае быстрого

горения образуются в основном мелкие частицы с r<=0.1 мкм. Сильное

воздействие на микроструктуру частиц сажи оказывают также и

характеристики среды, в которую они выбрасываются.

Первоначально образующиеся частицы имеют радиус 0.01-0.1 мкм. В

результате коагуляции эти “эмбрионные” частицы быстро рекомбинируют,

поэтому атмосферное время жизни “эмбрионных” частиц должно быть

достаточно мало (менее нескольких суток).

Частицы с r>3 мкм образуются в особо благоприятных условиях

коагуляции и благодаря турбулентно обусловленному “механическому”

подъему крупных частиц. Эти частицы довольно быстро выводятся из

атмосферы гравитационной сидиментацией.

Частицы же с r=0.1-3 мкм (аккумулятивная мода) могут иметь достаточно

большое время жизни в атмосфере, ограничиваемое сверху эффективностью

механизмов стока [5]: 1 неделя в нижней тропосфере (до высоты 1.5

км), 1 – в верхней тропосфере и более года в стратосфере.

При оценке времени жизни частиц аккумулятивной моды сажи важен вопрс

о внешнем и внутреннем смешивании частиц аэрозоля. При внешнем

смешивании происходит укрупнение аэрозоля за счет рекомбинации

однородных частиц элементного углерода (“молодого”). При внутреннем

смешивании элементный углерод оказывается в физическом контакте с

аэрозольными частицами другого химического состава (“состарившиеся”

частицы). Внешнее смешивание приводит к образованию гидрофобного

аэрозоля, тогда как внутреннее смешивание, - как правило, - к

образованию гигроскопических частиц. В результате механизмы вымывания

этих двух видов укрупненного аэрозоля оказываются принципиально

различными. Электронно-микроскопические исследования частиц сажи

показывают, что “эмбрионные” частицы имеют, как правило, довольно

регулярную сферическую форму; часто это агломераты в виде цепочек и

скоплений. Удельная поверхность для них составляет около 1000 м2/г.

В зависимости от характера горючего материала, условий протекания

пиролиза и свойств среды, в которую поступают частицы сажи,

поверхность последних может быть покрыта адсорбированными веществами.

Часто это гидрофобные, несгоревшие полностью углеводороды. Однако

покрытие может оказаться и гигроскопичным (за счет адсорбции

атмосферных газов, склонных к образованию водородных и координационных

связей). В чистом виде сажа абсолютно инертна при обычной

температуре. Это гидрофобное нерастворимое вещество (она может быть

окислена примерно при 6000С или в атмосфере F2,

однако в реальной атмосфере такие условия не встречаются). Элементный

углерод способен реагировать с радикалами, что существенно с точки

зрения протекания химических реакций в загрязненной атмосфере. В

частности, наблюдается каталитическая активность сажи в реакциях

окисления атмосферного SO2 [5]. Последние могут происходить

по двум механизмам: по “сухому” (в присутствии воды) и “мокрому”,

когда сажевая частица покрыта водной пленкой. “Мокрый” механизм более

эффективен, чем “сухой”.

Распределение по размерам сажевых частиц зависит не только от

свойств горючего материала, но и от способа его пиролиза и

характеристик окружающей среды, в которую они выбрасываются. При

параметризации микроструктуры частиц от городских и лесных пожаров

логнормальным распределением rm=0.1 мкм, s =2.0 для города, rm=0.05, s

=2.0 - для лесного пожара. При пиролизе пропана получено трехмодальное

распределение по размерам, где r 1m»5*10-3 мкм, r

11m»5*10-2 мкм, r111m»0.3-0.4 мкм. Представление

аккумулятивной моды в виде степенной зависимости дается следующими

показателями степени: g = 4.9 ( r<0.25 мкм), g =4.6 (r<=0.35 мкм), g

=5.1-5.2 (r>0.4 мкм).

Плотность сажевых частиц оценивается в 1.9-2.0 г/см3 в

зависимости от состояния пористости частиц (плотность графита

составляет 2.21-2.25 г/см3 ).

Высокая концентрация сажи в атмосфере может способствовать заметному

нагреванию слоя, содержащего сажевые частицы, его стабилизации и

увеличению времени жизни сажевых частиц. Длительному времени

существования сажи в атмосфере способствует малая плотность частиц, их

рыхлая «цепочечная» морфологическая структура. Из данных натурных

наблюдений известно, что в атмосфере городов длительное время витают

сажевые частицы, размеры которых достигают 1 мм и больше.

Частицы сажи, пироуглерода или других близких к ним по структуре

углеводородов, образующихся при выделении свободного углерода, должны

иметь модальный радиус rm» 0.01...0.03 мкм. Тонкодисперсная фракция

сажистых частиц в процессе гетермолекулярной коагуляции пополняет

субмикронную фракцию аэрозолей свободным углеродом, что приводит к

значительному увеличению поглощающих свойств субмикронной фракции

частиц, а также частиц минерального аэрозоля. При повышенной влажности

атмосферы частицы аэрозоля частично или полностью растворяются, и

мелкодисперсный сажистый нерастворимый аэрозоль присутствует в каплях в

виде вкраплений, нарушающих ее оптическую однородность. При высокой

влажности сажистые частицы промышленного аэрозоля являются ядрами

конденсационного роста частиц.

В крупных промышленных центрах туман может смешиваться с промышленным

дымом, образуя смог. Смоги обладают сильным токсическим воздействием и

наносят огромный вред здоровью людей. Образованию смога в крупных

промышленных районах способствуют сажистые частицы промышленного

аэрозоля, которые являются ядрами конденсации. Обладая высокой

поглощательной способностью, сажистые частицы, поглощая коротковолновую

радиацию, создают температурную инверсию. Расчеты показали, что вблизи

верхней границы промышленной дымки скорость нагрева атмосферы за счет

поглощения коротковолновой радиации может составлять 10-15 К/сут, в то

время как поглощение излучения подстилающей поверхностью уменьшается в

1.5 раза. Изменение структуры радиационного баланса в пограничном слое

атмосферы и приводит к возникновению температурной инверсии. В

результате резко уменьшается турбулентный массообмен и нарушается

циркуляция воздуха над промышленным районом. В ночных условиях смог

создает парниковый эффект, уменьшая степень радиационного выхолаживания

подстилающей поверхности [6].

1.1.2. ПЕПЕЛ

Размеры частиц пепла в основном превышают 1 мкм, и, следовательно, их

время жизни в атмосфере относительно невелико. По своим оптическим

свойствам частицы пепла ведут себя примерно так же, как частицы

почвенного присхождения,поэтому выделение этих частиц в отдельный тип

для радиационных расчетов необоснованно. Однако важное значение могут

иметь каталитические и фотокаталитические свойства пепла, обусловленные

присутствием в нем тяжелых металлов.

Атмосферный аэрозоль является продуктом сложной совокупности химических

и физических процессов. Вследствие сложности этих процессов и

относительно короткого времени жизни аэрозоля его химический состав и

физические характеристики очень изменчивы. Пространственно-временная

изменчивость в такой степени фрагментарны, что пока еще невозможны

оценки общего бюджета аэрозоля различных типов, а имеющиеся оценки

мощности глобальных источников аэрозоля природного и антропогенного

происхождения сугубо ориентировочны.

Несомненно, однако, что оценки, относящиеся к антропогенному аэрозолю,

более достоверны, чем для природного аэрозоля (особенно в

труднодоступных районах Мирового океана и континентов). Подобная

ситуация определяет малую достоверность о соотношении между природным

и антропогенным аэрозолем, хотя несомненно проявляющееся в глобальных

масштабах воздействие хозяйственной деятельности человека на круговороты

серы и азота.

В зависимости от состава или источников Кондратьев К. Я. выделяет

следующие типы природного аэрозоля : 1) продукты испарения морских

брызг; 2) поднятая ветром в атмосферу минеральная пыль; 3) вулканический

аэрозоль (как непосредственно выброшенный в атмосферу, так и

образовавшийся за счет газофазных реакций); 4) частицы биогенного

происхождения (непосредственно выброшенные в атмосферу и образовавшиеся

в результате конденсации летучих органических соединений, например

терпенов, а также химических реакций между этими соединениями); 5) дымы

от сжигания биоты на суше; 6)продукты природных газофазных реакций

(например, сульфаты, возникающие за счет восстановленной серы, поступающей

с поверхности океана).

По этому же принципу антропогенный аэрозоль можно классифицировать

следующим образом: 1) непосредственные промышленные выбросы частиц

(например, частиц сажи, дыма, дорожной пыли и др.); 2) продукты

газофазных реакций. Целесообразно, помимо этого, различать тропосферный и

стратосферный (преимущественно вулканический) аэрозоль.

Большое внимание привлекают следующие газофазные реакции образования

аэрозоля: 1) однородная гомомолекулярная нуклеация (образование новых

устойчивых жидких или твердых мельчайших частиц из газовой фазы при

наличии лишь одного газового компонента); 2) однородная

гетеромолекулярная нуклеация (аналогичный процесс в присутствии двух

или более газов); 3) гетерогенная гетеромолекулярная конденсация (рост

уже существующих частиц за счет адсорбции газа).

Исключительно сложны и пока еще плохо изучены фотохимически и

химические реакии, которые ответственны за первоначальную трансформацию

«высоко летучего» газа в газовый компонент, являющийся исходным для

образования аэрозоля. По-видимому, наиболее существенны следующие

процессы: 1) реакции сернистого газа с радикалами гидроксила, которые в

конечном счете приводят к образованию молекул серной кислоты и

сернокислотного аэрозоля; 2) реакции неметановых углеводородных соединений

с озоном и (или) радикалами гидроксила с образованием альгидов,

спиртов, карбоксильных и дикарбоксильных кислот (как правило, вторичные

продукты этих реакций вступают в реакцию с оксидами азота, что

приводит к образованию органических нитратов). Очень важную роль в

химии атмосферы играют озон и радикалы гидроксила (НО и HO2

), которые прямо или косвенно являются продуктами фотохимических реакций

(именно поэтому процессы газофазного образования частиц характеризуются

обычно хорошо выраженным суточным ходом).

К числу важнейших типов атмосферного аэрозоля относятся частицы

органических соединений. Разнообразные органические соединения участвуют

в столь большом числе реакций, что исследования органического аэрозоля

наталкиваются на исключительные трудности. Весьма значительна

концентрация в атмосфере сажевых частиц, среднее значения которой над

океанами достигают 0.5 мкг/м2 и сравнимы с концентрацией

минерального аэрозоля. По-видимому, источниками глобального органического

аэрозоля в равной степени являются как природные, так и антропогенные,

причем примерно половина поступившего в атмосферу количества природного

аэрозоля приходится на долю океана.

Результаты воздействия аэрозоля на различные процессы (например, на

перенос излучения) зависят,как правило, от совокупности химических и

физических явлений, причем почти всегда существенную роль играет

зависимость состава аэрозоля от размера его частиц. Поэтому адекватное

описание свойств реального аэрозоля возможно лишь на основе

использования результатов комплексного определения его характеристик.

Одним из наиболее распространенных видов измерений является определение

массовой концентрации аэрозоля. Однако именно эта характеристика

наименее информативна, поскольку ничего не говорит об источниках,

составе аэрозоля и его возможом воздействии.

Вполне обаснованы опасения относительно возможного антропогенно

обусловленного возрастания содержания аэрозоля, которое может оказывать

воздействие на климат как через посредство изменения радиационного

режима Земли, так и путем влияния на гидрологический цикл. Несмотря на

то что имеются многочисленные данные наблюдений за дальним

распространением природного и антропогенного аэрозоля от его

источников, все еще отсутствует надежная информация, которая подтверждала

бы наличие связи между хозяйственной деятельностью человека и трендом

возрастания содержания в глобальных масштабах, имеющим значение с точки

зрения воздействия на погоду и климат. Сильная пространственно-временная

изменчивость характеристик аэрозоля затрудняет выделение его

антропогенного компонента, которое может стать возможным лишь при

условии понимания причин подобной изменчивости, что требует

осуществления широкой программы комплексных исследований атмосферного

аэрозля.

Главная задача, связанная с изучением воздействия аэрозоля на климат,

состоит в учете его влияния на перенос коротковолновой и

длинноволновой радиации с точки зрения тех изменений климата, которые

могут порождать региональные и глобальные вариации содержания и

состава аэрозоля в атмосфере. В последние годы большое внимание

уделялось проблеме воздействия на климат дымового аэрозоля,

образующегося в результате пожаров при ядерных взрывах в атмосфере

[3].

Развитие численного моделирования климата определяет необходимость

надежного учета влияния аэрозоля на климат на основе разработки

моделей аэрозоля и оценки чувствительности климата к различным

характеристикам аэрозоля [4]. В связи с этим требуют выяснения прежде

всего следующие аспекты проблемы: 1) влияние аэрозоля на процессы

регионального и глобального масштаба; 2) выявление наиболее существенных

(с точки зрения воздействия на климат) типов и свойств аэрозоля; 3)

сравнение воздействий на региональный и глобальный климат таких

факторов, как изменчивость аэрозоля, малых газовых компонентов (H2

O, O2, CO2 и др.), облачности и альбедо подстилающей

поверхности.

Для приближенных оценок воздействия аэрозоля на климат пригодны

модели радиационно-конвективного равновесия. С помощью таких моделей

было обнаружено сильное воздействие аэрозоля на вертикальный профиль

температуры при большой оптической толщине аэрозоля и слабое

воздействие, если оптическая толщина меньше 0.5. В зависимости от

альбедо подстилающей поверхности, стратификации аэрозоля и оптических

свойств облаков могут возникать эффекты как похолодания, так и

потепления климата (до нескольких градусов). Значительное воздействие на

климат может оказывать стратосферный аэрозоль. Учет влияния аэрозоля в

рамках зональной модели общей циркуляции атмосферы (ОЦА) позволил

сделать вывод о понижении температуры поверхности, достигающем

нескольких 0С. Первоначальные расчеты с помощью трехмерных

моделей ОЦА, в которых учитывались характеристики аэрозоля для района

пустынь, позволили обнаружить следующее: 1) понижение температуры земной

поверхности, достигающее 2.50С, если аэрозоль поглощает только

солнечную радиацию; 2) повышение температуры земной поверхности до 3.5

0С, если учесть влияние аэрозоля на перенос теплового излучения

(парниковый эффект); 3) значительное усиление устойчивости атмосферы

вблизи земной поверхности и ослабление ее в свободной атмосфере (в

верхней половине запыленной части атмосферы); 4) существенную

трансформацию поля температуры за пределами запыленной части атмосферы

(Западная Европа, Азия и тропическая Африка).

Технический прогресс породил новые проблемы и новую ответственность

человечества перед будущими поколениями за состояние природной Среды и

обеспечение необходимых жизненных условий. В последнее десятилетие

пришло реальное осознание остроты противоречия между ограниченными

возможностями биосферы усваивать без заметного ущерба отходы

промышленности и ростом общественных потребностей. Изменения исторически

сложившихся экологических систем приобретает характер, при котором все

более вероятными становятся опасные для человека и зачастую

необратимые нарушения естественных природных связей. Уже сейчас в

атмосферу ежегодно поступает около 200 млн. т окиси углерода, 150 млн.

т двуокиси серы, 50 млн. т углеводородов, примерно столько же окиси

азота, много других загрязнителей. И хотя масса выбрасываемых веществ

составляет незначительную часть от массы атмосферы, их локализация в

промышленных районах, не превышающих 5% земной поверхности, и в самых

нижних слоях атмосферы приводит к недопустимо высоким концентрациям

антропогенных загрязнителей.

Таким образом, на современном этапе развития человеческого сообщества

сформировались объективные условия, требующие нового подхода к

хозяйственно-экономической деятельности. В рамках этого подхода предметом

особой заботы становится сохранение восстановительного потенциала

биосферы, а затраты на соответствующие мероприятия рассматриваются как

необходимая часть государственного бюджета. Практическая реализация этого

подхода предполагает наличие методологии, позволяющей оценить воздействие

планируемых - и в особенности крупномасштабных - мероприятий на текущее

и перспективное состояние биосферы и выбрать среди множества вариантов

оптимальную в смысле некоторых эколого-экономических критериев

стратегию.

Создание такой методологии - задача многоаспектная, комплексная и в

высшей степени сложная. Она требует глубокого системного анализа,

интеграции исследований в различных областях науки, таких, как методы

математического моделирования и экология, физика атмосферных и

океанических процессов, иммунология и медицина, химия многофазных систем,

география, экономика, космические исследования, безотходные технологии,

юриспруденция.

Направленность данной методологии на прогноз и количественную оценку

последствий планируемых мероприятий наряду с невозможностью проведения

натурных экспериментов в реальном масштабе времени определяет форму ее

реализации. Прогноз последствий и выбор стратегий должны осуществляться

на основе математических моделей с использованием современных средств

вычислительной техники, последующей проверки выводов лабораторных и

приближенных к реальным условиям ситуаций.

Общая структура модели для построения оптимальных стратегии

хозяйственной деятельности с учетом наиболее актуальной в текущий

период проблемы влияния антропогенных загрязнений на природную среду

определяется следующими основными блоками:

- распространение и трансформация загрязняющих примесей от источников

до компонент экосистемы;

- взаимодействие загрязнителей и природных систем (включая человека);

- динамика природных систем с учетом угнетающего воздействия

загрязнителей;

- построение основных оптимизируемых функционалов;

- решение оптимизационных задач по определению управляющих параметров

модели и разработка плана хозяйственных мероприятий на основе решения

оптимизационных задач;

- информационное обеспечение модели.

Некоторые из задач, возникающих при реализации блоков, к настоящему

времени проработаны достаточно глубоко. Так, создана целая система

(зачастую повторяющих друг друга) моделей для описания процессов

переноса и диффузии примеси в атмосфере. Разработаны эффективные методы

решения кинетических уравнений. Существуют подходы для описания

различного типа экологических систем. Однако основная проблема -

разработка оптимального «экологизированного» плана конкретных

народохозяйственных мероприятий - может быть решена только при создании

единой взаимоувязанной супермодели, реализирующей все упомянутые блоки в

полном объеме.

Практическое использование такой супермодели должно основываться на

учете и контроле выбросов и переноса загрязнителей. Наиболее

перспективным источником соответствующей информации являются данные

космического зондирования. Выбор данных космического зондирования в

качестве основного источника информации обусловлен глобальным характером

проблемы и необходимостью изучения распространения загрязнителей и

определения их воздействия на компоненты биосферы для всей планеты.

Этот выбор обоснован успехами и перспективами развития космической

техники, достигнутыми результатами в области дистанционного зондирования

Земли из космоса.

Методы и аппаратура дистанционного определения характеристик примесей,

разработанные в предшествующий период, были успешно испытаны на

спутниках серии «Космос» и «Интеркосмос», а также на пилотируемых

станциях «Салют». Результаты экспериментов на этих космических аппаратах

позволили определить степень точности и надежности данных космического

зондирования, используемых для решения рассматриваемой задачи. Так,

эксперимент с многоканальным спектрометром МКС-М в сочетании с

многоканальной фотокамерой МКФ-6М на станции «Салют-7» обеспечил

получение информации о спектральной яркости системы поверхность

Земли-атмосфера над промышленными районами с высоким пространственным

разрешением (30-50 м) и большой фотометрической точностью (1-3%). Методы

дистанционного зондирования, созданные для обработки этой информации,

позволили одновременно определить коэффициенты спектральной яркости

поверхности и вертикальные профили оптической толщины аэрозольных

частиц с ошибкой 15-20%.

Не менее важным направлением фундаментальных и прикладных

исследований, определяющих достоверность и эффективность плановых

мероприятий, является определение воздушных потоков, которые переносят

частицы примеси на большие расстояния, а также других метеоэлементов.

Расчет распределений метеорологических параметров на основе уравнений

гидротермодинамики - чрезвычайно сложная задача, решение которой немыслимо

без привлечения современных методов вычислительной математики и мощных

ЭВМ. Сегодня уровень знаний в этой области позволяет прогнозировать

изменения распределения различных характеристик, определяющих

метеорологические условия в том или ином районе, на сроки порядка

недели. Поэтому, имея в виду практическую значимость борьбы с

загрязнениями окружающей Среды отходами промышленных предприятий и

необходимость оценивать долгосрочные последствия таких загрязнений, в

настоящее время следует считать весьма актуальными исследования

распространения загрязнений с учетом данных о крупномасштабных

атмосферных процессах, влияющих на климат. Выбор такого масштаба

позволяет использовать основные характеристики динамики атмосферы за

текущий период (скажем, за последние 10 лет) и проанализировать

воздействие загрязнений на биосферу в предположении, что за последующий

(сравнимый по продолжительности) промежуток времени существенных

изменений климата не произойдет. Это приводит к необходимости создания

специализированных баз данных по климатическим характеристикам атмосферы

и соответствующего математического обеспечения. Однако такой подход

применим только для тех слоев атмосферы, влияние земной поверхности на

которые мало. В пограничном слое атмосферы (толщиной до 2 км), где

сосредоточены все антропогенные источники загрязнений, динамический режим

атмосферы определяется исходя из глобальных климатических характеристик

свободной атмосферы с учетом различных мезомасштабных метеорологических

процессов. Определяющие этот режим процессы, протекающие в планетарном

пограничном слое, описываются уравнениями гидродинамики атмосферы и

решаются на мощных ЭВМ.

К этому направлению тесно примыкает проблема необычайной сложности -

проблема турбулентности.

В атмосфере постоянно образуются невидимые вихри, имеющие различные

пространственные и временные масштабы. Большие вихри с течением времени

распадаются на меньшие, те в свою очередь на еще более мелкие и т.

д., пока энергия мельчайших вихрей не превратится в тепло. Реализуется

и обратный процесс образования больших вихрей из малых. Именно эти

вихри, взаимодействуя с дымовым шлейфом, «растаскивают» частицы примесей

в разные стороны, что приводит к наблюдаемому увеличению его

поперечных размеров. Чем больше размер аэрозольного облака, тем с

большими вихрями оно может взаимодействовать. Если же размер вихря

намного превосходит размер облака, то примесей не происходит.

Этот процесс оказывает сильное воздействие на итоговое распределение

загрязнителей. Однако замкнутой теории для конструктивного определения

турбулентных пульсаций до сих пор не создано и для вычисления

коэффициентов турбулентности приходится пользоваться гипотезами о

замыкании моментами первого и второго порядков, уточняя полученные

результаты по данным наблюдений (например, из космоса).

В задачах о пространственно-временном распределении полей загрязняющих

примесей встречаются и другие трудности, которые современная теория

пока не в силах устранить. В первую очередь это относится к

взаимодействию облака примеси с земной поверхностью. Исследования в

этом направлении только начаты и их следует существенно

активизировать, так как воздействие человека на экологические системы

определяется в конечном счете именно характером такого взаимодействия.

Следующая серьезная проблема - определение воздействия определенного

количества данного загрязнителя на конкретный объект или комплекс

объектов биосферы и последствий такого продолжительного взаимодействия.

Математические модели эволюции популяций как элементов единой

экологической системы строятся исходя из условия баланса изменений их

биомассы и формулируются обычно в виде систем нелинейных

дифференциальных уравнений. Они описывают взаимодействие популяций и

скорости нарастания или убывания их биомассы. В общем случае каждое

из уравнений системы включает в себя характеристики всех

рассматриваемых популяций. Кроме того, в эти уравнения в качестве

параметров входят величины, характеризующие скорости процессов,

описываемых моделью. Значения параметров находятся из биологических

экспериментов, а зависимости характеристик популяции друг от друга

устанавливаются в соответствии с биологическими механизмами развития

элементов экосистемы. Определение параметров и детальное описание

механизмов представляет собой очень важное направление экологических

исследований, без глубокого развития которого оценить долгосрочные

последствия антропогенного воздействия на окружающую среду с высокой

степенью достоверности весьма затруднительно.

Воздействие загрязнителей на элементы экологической системы имеет, как

правило, «пороговый» характер - если количество примеси меньше допустимой

нормы, оно почти не сказывается на эволюции, если же превышает эту

норму, то губит популяцию. Это означает, что скорости биологических

процессов, а следовательно, и соответствующие им параметры модели,

меняются в зависимости от количества и типа загрязнений, причем эта

зависимость носит весьма сложный «пороговый» характер.

Вопрос о типе загрязнителя высвечивает проблему исследования

химических процессов, протекающих в атмосфере. Состав атмосферы весьма

сложен. В ней помимо изучаемых нами частиц примеси в том или ином

количестве присутствуют различные соединения, взаимодействующие с этими

частицами. Кроме того, в атмосфере есть и соединения, ускоряющие

химические реакции,- катализаторы, а также сильны окислители и вода.

Наконец, атмосферу пронизывают мощные потоки солнечной радиации, вносящие

свой весомый вклад в многочисленные химические преобразования,

протекающие в атмосфере. Положение усугбляется еще тем, что в разных

местах планеты состав атмосферы различен, так что фотохимические

превращения примеси могут происходить с разной скоростью и давать в

итоге различные соединения.

Таким образом, частицы примеси взаимодействуют не только с

турбулентными вихрями, но и вступают в химические реакции с составными

частями атмосферы. Образовавшиеся при этом соедиения в свою очередь

вступают в реакции и т. д. В такой цепочке возможны и разветвления,

когда часть некоторого соединения образует несколько новых соединений,

которые дают начало другим цепочкам.

Может показаться, что создание комплекса взаимоувязанных моделей,

описывающих текущее и перспективное состояние основных характеристик

окружающей среды, уже само по себе позволяет выработать стратегию

оптимального ведения хозяйства с учетом потребностей охраны природы.

Однако это далеко не так. Действительно, пусть в заданном регионе нужно

возвести новое промышленное предприятие, для которого тип и количество

выбрасываемых загрязнений определены заранее. В этом районе уже

существуют объекты, особо нуждающиеся в охране от загрязнения (жилые

массивы, лесные угодья, парки, зоны отдыха и т. п.). Требуется определить

место для строительства предприятия так, чтобы воздействие

распространяющихся от него примесей на эти объекты было минимальным.

Очевидно, для решения этой задачи наиболее прост подход, при котором

предприятие «размещается» по очереди во всех точках региона, а

воздействие загрязнений на указанные объекты определяется в каждом

случае с помощью модели, о которой говорилось выше. Но, как нетрудно

убедиться, для этого понадобится произвести столько вычислений, что их

не удастся реализовать в разумное время даже на самых мощных ЭВМ.

Нужны, стало быть, новые методы решения оптимизационных задач,

ориентированных на охрану окружающей Среды. Такие задачи удалось

Страницы: 1, 2