книги из ГПНТБ / Непреднамеренные воздействия на климат. Результаты исследования влияния человека на климат [коллектив. моногр

23.E n g e 1 m a n n R. I., S 1 i n n W. G. Precipitation Scavenging. Proc. of sym­ posium held at Richland, Washington, June 2—4, 1970, sponsored by Pacific

Northwest Laboratory, Battelle Memorial Institute, and the Fallout Studies Branch, Division of Biology and Medicine, U. S., Atomic Energy Commis­ sion, AEC Symposium Series No. 22 (Washington, D. C.: U. S. Atomic Energy Commission), 1970, v. 261.

V. 11, p. 375—403.

25.F i s c h e r K. Measurements of absorption of visible radiation by aerosol particles.— Atmospheric Physics, 1970, v. 43, p. 244—254.

218

66.О d d i e В. С. V. The chemical composition at cloud levels.— Quart. J. Royal Meteorol. Soc., 1962, v. 88, p. 535.

219

73.R e i q u a m H. European interest in acidic precipitation.— In: Precipitation Scavenging. Proc. of symposium held at Richland, Washington, June 2—4,

p. 704—706.

220

Г л а в а 9

ВОЗДЕЙСТВИЯ НА СТРАТОСФЕРУ

9.1.ВВЕДЕНИЕ

9.1.1.Значение стратосферы

Стратосферу характеризуют три свойства, которые делают ее загрязнения, как естественные, так и искусственные, более опас­ ными, чем загрязнения тропосферы. Во-первых, термическая ус­ тойчивость и отсутствие облаков в стратосфере позволяют многим примесям оставаться здесь дольше (на время, измеряемое го­ дами), чем в тропосфере (где время нахождения примесей изме­ ряется днями и неделями). Равновесная концентрация, образован­ ная непрерывным источником, в стратосфере может быть в 1 0 — 100 раз больше, чем в тропосфере при таком же источнике. Вовторых, ультрафиолетовая радиация создает озон, который важен как фактор управления температурой стратосферы и как экран, защищающий жизнь на Земле от опасной ультрафиолетовой ра­ диации. Как увидим ниже (п. 9.4), даже небольшие изменения концентрации загрязнений, составляющие миллионные доли по объему (мд), например водяной пар, или миллиардные доли (млрд, д., ІО-9), например окись азота, могут повлиять на равно­ весие озона. В-третьих, нижняя стратосфера близка к радиацион­ ному равновесию, т. е. нагрев и охлаждение благодаря водяному пару, углекислому газу и озону почти нейтрализуют друг друга.

9.1.2. Наблюдаемые флуктуации

Измерения содержания водяного пара указывают на его флук­ туации с периодом в несколько лет. На рис. 9.1 показано изме­ нение отношения смеси водяного пара в стратосфере в районе Вашингтона. Обнаруживаются колебания от месяца к месяцу, но между 1964 и Ю69 гг. четко проявляется тенденция к увеличе­ нию влажности.

Наблюдения за общим содержанием озона на ряде станций также обнаруживают колебания с различными периодами. Тен­ денция изменения общего содержания озона на 1 0 -летний период на семи станциях иллюстрируется рис. 9.2. На отдельных стан-

222

циях (не приведенных здесь) обозначилась тенденция к уменьше­ нию содержания озона за тот же период, и .во многих случаях (например, в Арозе) эти тенденции можно представить как часть колебаний более длинного периода. Тем не менее общее возраста­ ние содержания озона на станциях, показанных на рис. 9.2, пред­ ставляется репрезентативным для земного шара.

Насколько можно определить, увеличение влажности между 1964—1969 гг. и увеличение содержания озона в 1961—1970 гг. вызваны естественными причинами. Естественные колебания ком­ понентов стратосферы затрудняют оценку искусственных измене­ ний. Вызывает тревогу и наша неспособность объяснить наблю­ даемые сейчас изменения. Чрезвычайно важно производить наблю­ дения за всеми параметрами стратосферы, которые могут быть связаны с климатом. Это позволит получить представление о ко­ ротко- и длиннопериодных колебаниях.

9.1.3. Перенос из тропосферы в стратосферу

Обмен воздухом между тропосферой и стратосферой изменяет состав этих двух слоев атмосферы. Значительное внимание было уделено переносу озона и радиоактивных примесей из стратосферы в тропосферу, но такой перенос едва ли имеет какие-либо клима­

о которых речь пойдет в следующих параграфах.

Предложено четыре механизма переноса тропосферного воз­ духа в стратосферу:

1 ) восходящие движения, которые, как полагают, наблюдаются в экваториальных широтах;

2 ) квазигоризонтальная циркуляция на уровне тропопаузы че­ рез разрывы в тропопаузе;

3)вертикальное перемешивание на всех широтах;

4)конвективные потоки вверх, связанные с интенсивной гро­ зовой деятельностью, когда вершины кучево-дождевых облаков «пробивают» тропопаузу и проникают в стратосферу.

Сухость стратосферы привела Брюера £10] к заключению, что

следовал сезонную изменчивость стратосферной влажности до вы­ соты около 20 км над Вашингтоном и обнаружил, что летом она увеличивается. Увеличение влажности на таких высотах может быть связано только с грозовой деятельностью. Грозовые про­ цессы, где бы они ни возникали, всегда способствуют вертикаль­ ному переносу вверх тропосферного воздуха внутри ледяных об­ лаков.

224

9.2. ЗАГРЯЗНЕНИЕ СТРАТОСФЕРЫ САМОЛЕТАМИ, ЛЕТАЮЩИМИ НА БОЛЬШИХ ВЫСОТАХ

В отчете ИКПОС анализируются климатические последствия загрязнения стратосферы самолетами гражданской авиации. Пред­ положения, на которых был построен этот анализ, относящийся к июлю 1970 г., сейчас уже не годны. В настоящее время мы пока ничего не знаем ни о размерах воздушного флота, ни о его операциях; неизвестны выхлопные продукты моторов самолетов «Конкорд» или ТУ-144. Следовательно, еще нельзя количественно оценить будущую концентрацию примесей в стратосфере. Тем не менее мы должны пересмотреть климатический анализ ИКПОС.

Предположения, сделанные в отчете ИКПОС, были неизбеж­ ными, иначе невозможно было дать количественную оценку за­ грязнения стратосферы сверхзвуковыми самолетами. В частности, было предположено, что сверхзвуковая авиация состоит из 500 са­ молетов, из которых 334 являются крупными американскими че­ тырехмоторными самолетами, а остальные 166 самолетов меньше по размерам и снабжены моторами, выхлопы которых эквива­ лентны выхлопам двух моторов американского типа. Один мотор потребляет 15000 кг горючего в час. Считалось, что каждый са­ молет летает по 7 ч в день на высоте 20 км со скоростью 2,7 М. Тогда отношение количества выхлопных продуктов к потреблен­

0,04: 1, S 0 2 0,001 : 1, для сажи 0,0001 : 1.

Уже после составления отчета ИКПОС американские моторо­ строители сообщили о некоторых изменениях в составе и норме продуктов выхлопа. Например, по более поздним оценкам, коли­ чество выхлопного N0 в несколько раз меньше, чем указано в от­ чете ИКПОС. С другой стороны, согласно новым оценкам, число сверхзвуковых самолетов в тот же самый период, с 1985 по 1990 г., увеличится примерно до 1 0 0 0 .

Каждое из основных заключений отчета ИКПОС, которое от­ носится к потенциальным воздействиям сверхзвуковых самолетов на стратосферу, пересматривается здесь в свете имеющихся сей­

час сведений.

1. Радиационные эффекты углекислого газа, водяного пара и продуктов выхлопа, выделяющихся в малых количествах, едва ли могут иметь существенное значение на фоне значительно больших источников загрязнения в тропосфере.

2.Из анализа отчета ИКПОС, в котором учитывалось горючее

ссовременным средним содержанием серы, следует, что в отдель­

ных местах концентрация аэрозольных частиц в стратосфере была бы равна естественной фоновой концентрации или превы­ шала ее. В районе наиболее интенсивных полетов концентрация имела бы тот же порядок величины, что и концентрация аэро­ золя, обнаруженная в стратосфере в 1968 г. после извержения вулкана Агунг. Самый большой вклад в массу аэрозоля дает сера,

содержащаяся в топливе. Однако, вероятно, можно будет исполь­ зовать топливо со значительно меньшим содержанием серы, чем топливо, которое используется сейчас. Подробный анализ послед­ ствий извержения вулкана Агунг приводится в п. 9.6. Если бы из этих данных были сделаны соответствующие выводы, они изме­ нили бы заключения ИКПОС. Если выброс частиц из выхлопных труб высотной авиации увеличит фоновую концентрацию больше, чем в 10 раз, стратосфера заметно нагреется. Но вероятность искусственного увеличения содержания аэрозольных частиц и сте­ пень этого увеличения зависят от количества самолетов и интен­ сивности их полетов (частоты и дальности полетов), состава про­ дуктов выхлопа моторов и содержания серы в топливе.

3. Количество водяного пара в стратосфере может увеличитьс или уменьшиться и естественным путем, и под влиянием чело­ века. Изменение влажности в стратосфере может затем из­ менить повторяемость, толщину и пространственное распределение

тосфере сравнительно близок к насыщению — над экваториальной тропопаузой и над полярными районами зимой на высотах 25— 35 км. Это связано с тем, что здесь температура воздуха опускается до —75 и даже до —80° С. Сообщалось всего об одном случае, когда за самолетом, летевшим на высоте 15 км, образовались ус­ тойчивые конденсационные следы. Это наблюдалось над экватори­ альной тропопаузой (неопубликованные данные Национальной ла­ боратории в Лос-Аламосе).

В периодической литературе можно найти сведения о так на­ зываемых перламутровых облаках, которые наблюдаются в ниж­ ней стратосфере полярной ночью в Антарктике и Норвегии. Нор­ вегия лежит на восточной окраине холодного района северного полушария. Здесь эти облака отмечаются 1—2 раза в течение трех зимних месяцев. Не ясно, появляются ли перламутровые об­ лака севернее Исландии, где температура ниже, чем над Нор­ вегией, или явления, наблюдаемые в Норвегии, есть результат подъема воздуха над горами этой страны. По непонятным причи­ нам перламутровые облака не наблюдались в Норвегии между

1892 и 1925 гг. [31].

Предполагается, что существует прямая связь между измене­ ниями влажности и облачностью в стратосфере в упомянутых двух наиболее подверженных влиянию изменений влажности рай­ онах, но наши познания в данной области пока еще не позволяют предположить какие-либо изменения и дополнения к выводам отчета ИКПОС в отношении стратосферной облачности. Мы не мо­ жем с уверенностью сказать, увеличится ли облачность в страто­ сфере, а если это произойдет, то неизвестно, как такое увеличе­ ние подействует на климат.

226

9.3.ПЕРЕНОС УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ РАДИАЦИИ

ВСТРАТОСФЕРЕ

Среди продуктов выхлопа самолетных моторов находятся во­

сфере, изменение его количества может вызвать некоторые изме­ нения климата. И все же мы склонны поддержать выводы ИКПОС относительно того, что радиационные эффекты вследствие воз­ можных изменений содержания озона были бы пренебрежимо малы. Возможно и другое последствие потенциального изменения человеком содержания озона в стратосфере. Оно связано со свой­ ством озона экранировать ультрафиолетовую радиацию. Измене­ ния интенсивности ультрафиолетовой радиации, достигающей зем­ ной поверхности, могли бы иметь серьезные последствия для био­ сферы вообще и для человека в особенности.

Интенсивность солнечной ультрафиолетовой радиации, посту­ пающей к поверхности Земли, зависит от интенсивности радиации на верхней границе атмосферы. Проходя через атмосферу, радиация

гии при длине волны меньше 3400 Â. Поглощательная же способ­ ность озона в области длин волн < 3400 Â как раз очень боль­ шая. В результате к поверхности Земли проникает лишь ничтож­ ная часть солнечной радиации с длиной волны меньше примерно

чувствительности лежит около 2950 А. Умножение величин относи­ тельной чувствительности на наблюденное распределение солнеч­ ной радиации, получаемой у поверхности Земли, дает действитель­ ный «спектр действия» биологически эффективной ультрафиоле­ товой солнечной радиации. Такой спектр показан на рис. 9.3.

Кривая спектра действия для эритемы резко поднимается от 2950 Â до своего пика у 3075 А. Хотя сам пик довольно узкий, кривая продолжается до 3300 А. Более высокие значения общего содержания озона, которые, вероятно, наблюдаются на крайнем севере, несколько сдвинули бы пик кривой спектра действия в сто­ рону длинных волн; понижение содержания озона сдвинуло бы пик в сторону коротких волн. Однако общий вид кривой остался бы примерно таким же. Ультрафиолетовая радиация тех длин волн, которые приходятся на максимум в фактическом спектре дейст­ вия, проникает к поверхности Земли в очень малом количестве, а то количество, которое все-таки достигает поверхности, сущест­ венно зависит от общего содержания озона на пути солнечных лучей. Большое количество озона и длинный путь через атмо­ сферу (низкое Солнце) уменьшают ультрафиолетовую радиацию,