big-archive.ru

Большой информационный архив

                       

Лучистый теплообмен и строение атмосферы

Уже в первое десятилетие после Великой Октябрьской социалистической революции исследования солнечной радиации (актинометрии) в СССР быстро продвинулись вперед и заняли почетное место как в общей системе геофизических научных исследований в нашей стране, так и среди научных работ по актинометрии во всем мире. Наличие к 1917 г. в Павловске отличной актинометрической обсерватории, где уже в 1912 г. впервые в мире начались систематические регистрации прямой и рассеянной солнечной радиации, а также исследования выдающихся геофизиков русской школы, таких как С. И. Савинов, немало способствовали развитию отечественной актинометрии уже в первые послереволюционные годы. Так, например, упомянутые наблюдения в Павловске были дополнены с 1922 г. систематической записью светового потока в той же обсерватории, а затем и Иркутске В. А. Михельсоном был разработан усовершенствованный актинометр (впервые построенный в 1906 г. в Московской земледельческой и лесной академии — ныне Сельскохозяйственная академия имени К. А. Тимирязева), который быстро распространился во всем мире. Особенно большое применение получил отличный пиранометр Ю. Д. Янишевского, созданный им в 1934 г., и балансомер2 И. Г. Лютер-штейна, сконструированный в 1940 г. Между 1925 и 1931 гг. вступили в строй 16 обсерваторий, наблюдавших солнечную радиацию, в том числе в Ташкенте и Тбилиси, а в 1930 г. был создан Институт актинометрии и атмосферной оптики в Павловске, первое в мире специальное учреждение этого рода. Им руководил Н. Н. Калитин. В 1934 г. в СССР было 33 актинометрические станции, тогда как в Японии —18, в США —15 и т. д. Замечательно, что наши первые регулярные наблюдения за солнечной радиацией и другими слагающими лучистого баланса во многих случаях с самого начала были связаны с практическими задачами: так, например, наблюдения, начавшиеся в 1926 г. в Евпатории и в 1927 г. в Кисловодске, были связаны с текущим обслуживанием курортов, а наблюдения в Костроме (с 1928 г.), в Саратове (с 1930 г.) — с сельскохозяйственными исследованиями. В результате уже в начале 30-х годов были накоплены довольно детальные сведения о радиационном климате СССР и собран материал для многочисленных исследований радиации, использованный затем во многих работах в СССР и за рубежом.

Наблюдения в горах на больших высотах, важные для оценки вертикальных измерений потоков радиации, велись эпизодически в некоторых экспедициях (Кавказ, 1928 г.) и на некоторых высокогорных станциях в Тянь-Шане, на Казбеги и др. Первые наблюдения с аэростата (свободные от искажающего влияния подстилающей поверхности, существенного в горах) были сделаны в виде опыта в 1913 г. Н. Н. Калитиным, а начиная с 1946 г., по более полной программе, В. А. Белинским и С. С. Гайгеровым до высот 5 км в Центральной аэрологической обсерватории. Они были дополнены затем довольно многочисленными наблюдениями коротковолновой и длинноволновой радиации, главным образом на самолетах, организованными В. Г. Кастровым и Е. М. Лопухиным (1955), уже систематически изучавшими восходящий и нисходящий потоки радиации в атмосфере до высот около 7 км над Ташкентом. Они не только получили надежные данные об этих потоках, но и сделали опыт вычисления важной для динамической метеорологии величины — «дивергенции радиации», являющейся мерой радиационного охлаждения или прогревания атмосферы, обусловливающих значительную долю отклонения динамических процессов в атмосфере от адиабатических. Понятие дивергенции радиации, таким образом, связывает сейчас упомянутый круг исследований по актинометрии и радиационному балансу с большими задачами современной динамической метеорологии. В настоящее время эти исследования, экспериментальные и теоретические, развиваются в Институте физики атмосферы, Ленинградском и Тартуском университетах, Главной геофизической обсерватории, Центральной аэрологической обсерватории и др.

Крупным вкладом в исследование планетарных процессов обмена тепла в атмосфере была организация в Антарктиде, наряду с метеорологическими, также и актинометрических наблюдений, начатых в Мирном в 1956 г. В период Международного геофизического года эти наблюдения проводились в пяти пунктах этого континента, в том числе и на глубоко континентальных станциях Советская и Восток в районе полюса холода. Их результаты были подытожены Н. П. Русиным. Обнаружилось, что благодаря огромной, рекордной величине отражения (более 90%) солнечной радиации чистым снегом Антарктиды радиационный баланс этого материка постоянно отрицателен. Величина его оказалась наибольшей на станции Восток-1; с этим, несомненно, тесно связаны исключительно низкие температуры материка, где зимой средняя температура падает до — 72°, а экстремальная до — 87°. Так было доказано, что Антарктика получает постоянный приток тепла (явного и скрытого), приносимого воздушными течениями. В масштабе планеты она является огромным стоком тепла — холодильником той энергетической машины, какой можно считать атмосферу.

В последнее время исследования радиационного баланса (помимо применения спутников, о чем см. стр. 619) были дополнены двумя методами, которым принадлежит значительное будущее. С одной стороны, были созданы актинометрические радиозонды, позволяющие проследить величину восходящих и нисходящих потоков радиации, в том числе коротковолновой и длинноволновой, до высот порядка 30 км. Эти работы, весьма важные с точки зрения динамики стратосферы, дали положительные результаты уже при выпусках актинометрических самописцев на аэростатах, которые провел в 1960 г. К. Я. Кондратьев до высоты 20 км, и при выпусках первых советских актинометрических радиозондов конструкции Г. И. Костяного в 1964 г.

С другой стороны, в обиход наших метеорологов в 1960 г. вошла метеорологическая башня высотой более 300 ж, построенная по идее Е. К. Федорова, несущая, кроме аппаратуры для подробных микрометеорологических наблюдений и исследования турбулентности, также и комплекс актинометрических приборов. Наблюдаемые с мачт, самолетов, зондов изменения потоков радиации в пограничном слое (примерно до 1 км над землей) свидетельствуют о том, что в нем происходит значительный теплообмен, в том числе теплообмен между поверхностью Земли и воздухом пограничного слоя. Очевидно, последний имеет первостепенное значение для тех термодинамических процессов атмосферы в целом, которые зависят от влияний земной поверхности. Наблюдение также с помощью башни струйных течений нижней атмосферы, проведенное, например, 21 ноября 1960 г., показало, что этот механизм передачи энергии от Земли к атмосфере может создавать в последней потоки очень большой силы, важные для авиации, энергетики и пр.

Теоретические задачи радиационного баланса свободной атмосферы у нас впервые привлекли внимание А. А. Фридмана. В 1913 г. он теоретически рассмотрел вопрос о радиационном равновесии воздушной массы, охваченной вертикальным движением. То, что важность подобных проблем была у нас понята рано, видно из «Динамической метеорологии» Н. Е. Кочина и др. (1936—1937), где специальная глава посвящена изучению потоков радиации в атмосфере и математическому аппарату, нужному для их изучения. К сожалению, в ту пору не было еще экспериментальных материалов, на которые можно было бы опереться в подобных исследованиях. Несколько позднее, в 1943 г., И. А. Кибель обратил внимание на важность турбулентного перемешивания для лучистого теплообмена в атмосфере и показал, что, имея его в виду, можно устранить «парадокс Эмдена» — возникновение не соответствующих данным наблюдениям больших градиентов температуры в приземном слое при учете только одного радиационного равновесия. Теоретический расчет этот дал удовлетворительное согласие с наблюдениями, хотя и требовал некоторых допущений относительно радиационных свойств атмосферы, смысл которых стал ясен лишь значительно позднее. В 1947 г. Е. Н. Блинова теоретически рассмотрела радиационный баланс атмосферы в разных широтах и оценила таким путем также и роль, которую играют в тепловом балансе потоки тепла, переносимые от тропиков к полюсу макротурбулентностью, т. е. в конечном счете крупномасштабными вихрями — циклонами и антициклонами. Такой перенос должен выравнивать радиационные температурные различия между низкими и высокими широтами и способствовать формированию некоторых муссонных типов климата, как это показал В. В. Шулейкин.

Заметим, что еще в 1940 г. Е. С. Кузнецов разработал более подробно теорию переноса излучения, учитывающую не только его поглощение «по пути», но и его диффузность, т. е. непрямолинейное распространение потока. Эта теория переноса радиации, связанная с применением довольно сложного математического аппарата (с решением двух совместных интегральных уравнений), была потом развита зарубежными исследователями, а у нас применена М. С. Малкевпчем, Б. В. Овчинским, Е. М. Фейгельсон и другими для изучения видимости в атмосфере и других оптических явлений в ней.

Большой интерес представили основанные на той же теории исследования лучистого баланса облачного слоя, проведенные Е. М. Фейгельсон. Она показала, что такой слой должен излучать и терять много тепла, существенно охлаждаться с верхней поверхности; это охлаждение усиливает конденсацию в облаке, создает усиленную конвекцию близ его верхней границы и другие процессы, словом, вызывает ряд явлений, всегда наблюдаемых в слоистых, слоисто-кучевых и других облаках. Удалось при этом учесть и влияние турбулентности, распространяющей эффект охлаждения в глубь облака аналогично тому, как макротурбулентность передает избыток тепла тропического пояса далеко за его пределы. И. А. Хвостиков высказал также гипотезу, что лучистое равновесие воздуха мезосферы совместно с эффектом сильных восходящих движений вызывает глубокое охлаждение на высотах 70— 80 км и образование там характерных серебристых облаков. Таким образом, исследование радиационного баланса позволило объяснить многие черты климатов земного шара и основные свойства вертикального распределения температур в атмосфере, а также возникновение и развитие многих форм облаков.

Другое направление, разрабатывающееся у нас с 1948 г. К. Я. Кондратьевым,— более глубокое изучение тонкой спектральной структуры линий поглощения водяного пара, углекислоты и т. п. Структура эта влияет на лучистый баланс, теплообмен между высокими и низкими слоями атмосферы, на прохождение радиации в области «спектрального окна», т. е. зоны спектра, для которой атмосфера очень прозрачна, и т. д. Так были созданы некоторые модели спектральных полос и спектра поглощения атмосферы в целом и объяснено, почему огромные различия влажности на земном шаре приводят к сравнительно незначительным разницам температур. Другим важным выводом было то, что так называемый парниковый эффект — согревающее влияние влажной атмосферы, сказывающееся сильнее всего в ее нижних слоях, зависит в большой степени от ослабления турбулентности, вызванного радиационными эффектами, т. е. излучением Земли.

Анализ поглощения и излучения энергии в спектральных полосах водяного пара, состоящих из сложного комплекса спектральных линий, лег также в основу наблюдений температуры атмосферы и земной поверхности, строения облаков и т. п. Этот анализ производится теперь с метеорологических спутников Земли, о чем будет сказано ниже. Следует еще указать, что изучение тонкой структуры спектров поглощения углекислоты, количество которой, как предполагают, растет с годами в атмосфере в связи со сжиганием большого количества топлива, поможет, вероятно, изучить некоторые из причин изменения климата Земли. Обращенный назад, этот метод позволяет понять, как изменения растительности в прошлые геологические эпохи могли быть связаны с изменениями количества углекислоты. Вероятно, потребление последней растениями могло вести к понижениям количества углекислоты, создавая некоторое подвижное равновесие между атмосферой и живым веществом.

Изучение атмосферного озона дает нам еще один пример тесной связи между радиационным балансом атмосферы (в основном в ультрафиолетовой части спектра) и ее строением. Как мы знаем теперь, озон определяет не только температуры мощных слоев атмосферы (мезосферы), но и их движение.

Исследование атмосферного озона, начавшееся во многих странах в середине 20-х годов, привлекло тогда же пристальное внимание советских исследователей. Используя астрофизический спектрограф, Н. П. Лугин в 1934—1935 гг. впервые у нас провел систематическую серию наблюдений за атмосферным озоном в Кучине под Москвой. В это же время в Эльбрусской экспедиции Академии наук были проведены многочисленные исследования оптическим и химическим методом, обнаружившие, в частности, нарастание содержания озона и поглощения им ультрафиолетовой радиации с высотой (М. А. Константинова, В. В. Балаков, И. А. Хвостиков и др.). Тогда же возник большой интерес к биологической стороне проблемы озона — к возможному вредному влиянию его на живую клетку и к контролю над этим влиянием. Эта задача снова возникла в самое последнее время в связи с полетами самолетов на очень больших высотах, где концентрация озона может быть очень высокой.

Хотя К. Я. Кондратьев еще в 1950 г. показал, что поглощение озона в его инфракрасной полосе поглощения (с длиной волны в 9,6 мкм) несущественно для теплового баланса атмосферы, было обнаружено, что поглощение в ультрафиолетовой части спектра значительно нагревает мезосферу на высотах 25—55 км, т. е. что малая примесь озона очень важна для теплового режима атмосферы. Это создало большой интерес к региональному исследованию содержания озона, которое приняло особенно большой размах во время Международного геофизического года (1957—1959 гг.). В СССР были разработаны новые приборы для наблюдения за содержанием озона, создано 11 постоянных обсерваторий для его исследования — более чем в какой-либо другой стране мира. Так удалось собрать многочисленные сведения о распределении озона на земном шаре. Оказалось, что содержание озона невелико в тропической области и возрастает к полярным широтам, где особенно высокий максимум наблюдается в конце зимы или начале весны. Было установлено, что полярным областям свойственны не только резкие повышения содержания озона зимой или весной, соответствующие потеплениям стратосферы, но и очень большая изменчивость его количества почти во все сезоны, подобная изменчивости воздушных течений в этой части земного шара. Некоторые, весьма немногочисленные наблюдения вертикального распределения озона, сделанные в СССР и за рубежом за это время, показали, что таким повышениям общего количества озона соответствует расширение озонного слоя вниз, в нижнюю стратосферу, как бы опускание его, очевидно, с общим нисходящим движением в атмосфере.

Одновременно наблюдения за температурами стратосферы, в частности ракетные исследования теплого слоя, проведенные в то же время на о-ве Хейса (Земля Франца-Иосифа) и в средних широтах СССР, показали, что теплый слой выше 30 км опускается с приближением лета и поднимается и ослабевает зимой, действительно следуя за проникновением солнечных лучей более или менее глубоко в атмосферу, которая малопрозрачна для инфракрасной части спектра. Так стало ясно, что по крайней мере верхняя часть озонного слоя связана с изменением этого теплого слоя.

Все эти наблюдения заставили пересмотреть прежние теории равновесия озона под действием радиационных процессов и элементарных реакций в верхней атмосфере. Эти теории, обобщенные еще в 1951 г. И. А. Прокофьевой, предполагали, что определенная часть коротковолнового ультрафиолетового солнечного спектра поглощается в атмосфере и расходуется при этом на диссоциацию кислорода; так образуются атомы О — материал для образования молекул озона при тройных столкновениях с О2 и другими молекулами. Другая часть, несколько более длинноволновая, ведет к разрушению озона, так же как и двойные столкновения — О3 и О.

Таким образом, баланс озона определяется спектром поглощения солнечной радиации в атмосфере на высотах 15— 50 км. Наблюденное распределение (так же как и годовой ход и непериодические вариации содержания озона), однако, недостаточно согласовалось с этой схемой. Она требовала, чтобы максимум озона наблюдался всегда в тропическом поясе, а минимум — в полярной зоне, где к тому же количество озона должно нарастать летом и убывать зимой. Эти расхождения были в большой мере устранены теоретическими исследованиями А. X. Хргиана, Ю. А. Шафрина, В. М. Березина, В. И. Бекарюкова (1963, 1965), которые исследовали совместно радиационно-фотохимический баланс и перенос озона общими течениями атмосферы, обычной турбулентностью и макротурбулентностью воздушной оболочки. Эта постановка задачи в некоторой степени соответствовала той, которая ранее была использована (см. выше) для исследования теплового баланса атмосферы с учетом вертикальных движений, макротурбулентности и пр. В рассматриваемом случае задача была еще усложнена учетом фотохимических процессов. В результате удалось доказать, что общее нисходящее движение в  полярной шапке воздуха зимнего полушария должно вести к опусканию и одновременно развитию слоя озона (в соответствии с наблюдениями) и что подъем воздуха в жарком поясе ведет в общем к разрушению озона и утонению его слоя. Далее был разобран и механизм изменений озона в длинных атмосферных волнах, создающих обмен между высокими и низкими широтами. Действительно, Г. И. Кузнецов в 1963 г. обнаружил при подобных динамических процессах проникновение высоких концентраций озона из антарктических широт далеко в тропический пояс, подтвердив предсказания теории о роли длинных волн. Наконец, исследования С. С. Гайгерова позволили подробно описать механизм внезапных зимних стратосферных потеплений, очевидно часто связанных с нарастаниями содержания озона, т. е. с обширными областями вертикальных движений.

Все эти исследования показали, что проблема лучистого баланса атмосферы тесно связана с проблемой ее движения, прежде всего с вертикальными движениями и с обменом воздуха между высокими и низкими широтами. В то же время лучистый баланс определяет и общую структуру атмосферы до ее больших высот, что будет показано ниже.

 

Предыдущая глава ::: К содержанию ::: Следующая глава

 

                       

  Рейтинг@Mail.ru    

Внимание! При копировании материалов ссылка на авторов книги обязательна.