Техногенез: глобальные и региональные проявления

Глобальные следствия техногенеза

Неконтролируемый рост населения и хозяйства давно имеет уже не только региональные последствия, но привел и к глобальным изменениям. Сбывается предсказание В. И. Вернадского о превращении человечества в силу, по масштабам сравнимую с геологическими силами, хотя ноосфера (слой разума) способна пока лишь примерно оценить значимость и опасность этих процессов, и тем более не в состоянии точно прогнозировать их течение и последствия. Понятие о состоянии природной среды и ее загрязнении

О состоянии природной среды можно судить с точки зрения естественной эволюции природы и с позиции ее нарушенное™ человеком. Мы поговорим об антропогенном влиянии на природную среду. Время удвоения численности населения Земли

Прирост в год, % Время удвоения, годы Загрязняющие вещества

Антропогенное загрязнение ок-ружающей среды возникает в результате хозяйственной дея-тельности человека — за счет выбросов (сбросов) газообразных, жидких и твердых отходов промышленного производства, коммунального хозяйства, транспорта, в результате сель-скохозяйственной деятельности и т. д. Часть загрязнений ис-ходит от рекреационных систем. При этом спектр загрязняющих веществ весьма широк — газы, тяжелые металлы, раз-личные органические вещества, искусственно созданные ра-диоактивные элементы и др. Виды загрязнений

Как отмечалось выше, одной из разно-видностей классификации загрязнений является классифика-ция по характеру источников загрязнения. Экспоненциальный рост техногенной нагрузки на среду

С начала промышленной революции, т. е. уже несколько сотен лет, рост техногенной нагрузки доминирует в развитии социальноэкономической системы Земли. Так, рост населения мира идет со скоростью более 1,6% в год, что означает удвоение населения за 40 лет. Но еще быстрее растет промышленное производство (за 1970—1990 гг. 3,3% в год, т. е. вдвое быстрее роста населения). За эти же годы потребление угля возросло в 2,5 раза, мощность тепловых электростанций — в 2,5 раза, АЭС — в 23 раза ( 50). Потребление минеральных удобрений увеличилось в 3 раза и в начале 90х годов их выносилось на поля в 15 раз больше, чем в первые послевоенные годы. Еще интенсивнее развивались другие отрасли химического комплекса — производство химических волокон возросло в 10 раз, пластмасс — в 60 раз.

Техногенез: глобальные и региональные проявления

В словаресправочнике Н. Ф. Реймерса «Природопользование» техногенез трактуется как процесс изменения природных комплексов под воздействием производственной деятельности человека. Он заключается в преобразовании биосферы под влиянием совокупности геохимических процессов, связанных с технической и технологической деятельностью людей по извлечению из окружающей среды, концентрации и перегруппировке целого ряда химических элементов, их минеральных и органических соединений.

Главным источником энергии для системы земля − атмосфера является Солнце. Потоки

солнечного излучения, проходящие через атмосферу, трансформируются в результате

действия газовых составляющих атмосферы и облачности. Поглощенная земной

поверхностью и атмосферой солнечная энергия в различных регионах земного шара, в

сочетании с другими видами притоков тепла, создает градиенты температуры на

подстилающей поверхности и в атмосфере, что приводит к появлению градиентов давления и

таким образом влияет на циркуляцию атмосферы.

Главная особенность построения радиационных алгоритмов для применения в

гидродинамических моделях прогноза погоды состоит в том, что алгоритмы должны быть

настроены на ограниченную информацию, которую может предоставить модель. Объем этой

информации зависит от содержания системы уравнений модели, описывающих динамику и

различные физические характеристики атмосферы. В связи с этим для описания физических

процессов часто применяют приближенные методы, называемые методами параметризации.

Описание переноса излучения в безоблачной атмосфере опирается на данные о составе

атмосферы и информации о спектре поглощения различными атмосферными газами с учетом

влияния неоднородности атмосферы. В данной работе учитывается влияние на перенос

солнечного излучения водяного пара, углекислого газа, озона и релеевского рассеяния.

Влияние аэрозоля на перенос солнечного излучения в рассматриваемом алгоритме не

учитывается.

Существующие методы решения уравнения переноса можно разделить на точные

аналитические, точные численные и приближенные [1].

Аналитические методы решения трехмерного уравнения переноса представляют собой

решение в виде многочленных рядов при представлении индикатрисы рассеяния в виде

полиномов Лежандра. Точные численные методы, среди которых весьма распространенными

являются метод Монте-Карло и метод дискретных ординат, также громоздки. Эти методы

позволяют получить значения характеристик поля излучения в атмосфере с высокой

1

ГУ «Гидрометцентр России»

2

НИЦ «Планета» точностью [1]. Однако они требуют больших вычислительных затрат, что ограничивает их

использование в гидродинамических моделях атмосферы.

В связи с этим в задачах прогноза погоды часто применяют приближенные методы,

основанные на упрощении уравнения переноса излучения. С этой целью проводится

процедура усреднения интенсивности излучения по углам, в предположении изотропности

рассеяния, что позволяет привести трехмерное уравнение переноса к одномерному виду для

расчета односторонних потоков (двухпотоковые методы). Эти методы характеризуются

экономичностью расчетов и широко используются в гидродинамических моделях атмосферы.

Метод двухпотокового приближения может применяться для расчета потоков в

безоблачной и облачной атмосфере. Для расчета потоков при наличии облачности

необходима информация об оптических свойствах облаков.

Для оценки точности разработанного алгоритма проведено сравнение результатов

расчета потоков и притоков солнечного излучения с эталонными расчетами, в качестве

которых использованы полинейные расчеты методом Монте-Карло.

1. Алгоритм расчета потоков солнечного излучения в атмосфере

Разработанный алгоритм расчета потоков солнечного излучения в атмосфере основан на

решении уравнения переноса излучения в двухпотоковом приближении δ-Эддингтона в

многослойной атмосфере.

В статье представлен алгоритм и результаты расчета потоков методом решения

уравнения переноса, основанном на работах Дж.-Ф. Желена [12, 15] и В. Здунковского [19].

Уравнение переноса солнечного излучения в плоскопараллельной атмосфере имеет

следующий вид [4, 5, 7]:

( ) ) ( ( ) ( )

( ( ),,,,

4

,,

4

,,,,

0 00

2

0

1

1

ϕμϕμ

ω

ϕμ

π

ω

ϕμτϕμτ

∂τ

∂

μ

π

+ −−

+−=

∫ ∫

−

PI

I I P ,,',' ddI ϕμϕμτϕμ +

cosi 0

=

(1)

где I(τ,µ,φ) − интенсивность рассеянного излучения; I0 − интенсивность прямого солнечного

излучения; μ ; i − зенитный угол Солнца; μ = cos Θ ; Θ − угол визирования

рассеянного луча; ϕ0 − азимут Солнца; ϕ − азимут рассеянного излучения; τ − оптическая

толщина слоя атмосферы, используемая в (1) в качестве вертикальной координаты; ω −

вероятность выживания кванта (альбедо однократного рассеяния); ( )00

P μ ϕ −μ ,,, −ϕ −

индикатриса рассеяния прямого излучения, падающего под углами μ0, ϕ0 и рассеянного под

2углами μ и ϕ; P μ ϕ μ ϕ',',, )(

( )

∫

∞

+=

z

κστ dz

− индикатриса рассеяния рассеянного излучения, падающего под

углами μ’, ϕ’ и рассеянного в направлении μ и ϕ.

Оптическая толщина слоя атмосферы от верхней границы до уровня z рассчитывается по

формуле:

, (2)

где σ − коэффициент рассеяния излучения; κ − коэффициент поглощения.

Вероятность выживания кванта определяется как

ω =σ (σ + κ ). (3)

Индикатрису рассеяния принято представлять в виде разложения по полиномам

Лежандра. Эддингтон предложил ограничиться двумя членами разложения и представлять

индикатрису в виде [4]:

P( ) γ

P x (γ ) = +1 1

cosγ , (4)

где γ − угол рассеяния; ( )

∫ =

π

γ

0

1

2

3

Px cos dγγ

3 x

1

≤

.

Параметр х1 является первым коэффициентом разложения и характеризует вытянутость

индикатрисы рассеяния. Чем больше вытянутость индикатрисы вперед, тем больше значение

х1, но всегда [5].

Для характеристики индикатрисы рассеяния используют фактор асимметрии g, который

связан с х1 выражением:

( )

∫ ==

π

γγγ

0

1

cos

2

1

3

dP

x

g

( )

. (5)

В результате вычисления интегралов в уравнении (1) по нижней и верхней полусферам в

предположении изотропности рассеяния окончательно получаем систему дифференциальных

уравнений первого порядка для вычисления односторонних потоков рассеянного излучения

F

↑

и F

↓

на границах слоя атмосферы, расположенного на уровне τ. Для определения потока

прямого излучения в систему добавляется третье уравнение.

( ) ατα

τ

τ

FF

d

dF

1

−= 2

↑ ↓

↑

( )

( ) ( ) S τατ − 3

,

( ) ( ) ( ) τατατα

τ

τ

SFF

d

2 1

+−= 4

↑ ↓

↓

dF

, (6)

3(τ )

( ) μτ 0

τ

S

d

dS

−= ,

где коэффициенты α1 −α4 есть функции оптических свойств слоя атмосферы:

( )

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ +

−=

8

34

1

12

ω g

α ,

8

34

2

2

− g

= ωα , (7)

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ +

=

8

32 0

3

μ

ωα

g

,

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ −

=

8

32 0

4

μ

ωα

g

.

Система уравнений (6) описывает изменение потоков излучения на границах слоя

атмосферы под влиянием свойств этого слоя. Задача сводится к нахождению потоков

диффузного излучения, направленных вверх (F

↑

) и вниз (F

↓

), а также потоков прямого

излучения (S) на границах слоя.

Решение системы уравнений (6) проводится в предположении, что потоки, входящие в

слой, известны, а выходящие – искомые [6, 12].

В результате решение системы дифференциальных уравнений сводится к решению

системы алгебраических уравнений для вычисления неизвестных потоков на границах слоев в

многослойной атмосфере в зависимости от коэффициентов, характеризующих слой

атмосферы

( ) ( jSajS ) 1 j

+1 = ,

( ) ( ) ( ) ( 1) 2

+= 4 5

++

↓ ↑

j j j

jFajFajSa

( )

+1

↓

jF , (8)

( ) ( ) ( 1) 3

+= 5 4

++

↓ ↑

jFajFajSaj

j j j

↑

F ,

где j – номер уровня в атмосфере.

Коэффициенты системы (8), записанной для слоя j, расположенного между уровнями j и

j+1, имеют четкий физический смысл: a1j

–коэффициент пропускания потока прямого

излучения, a2j

– коэффициент пропускания потока прямого излучения в рассеянном виде, a3j

–

коэффициент отражения потока прямого излучения, a4j

– коэффициент пропускания потока

рассеянного излучения, a5j

– коэффициент отражения потока рассеянного излучения. Для

расчета этих коэффициентов применяются следующие формулы:

4( τ μ) a j

= − Δ j 1

exp

2 211425

,

= − γ − γ + γ

j j

aaaa jj

3 2111524

,

γ γ γ

j

= − j

− jj

+ aaaaa j

, (9)

j j

ee

a

j τε τε

ββ

β − β

,

Δ Δ−

−

=

2 1

12

4

j j

j j

ee

ee

a j τε τε

τετε

ββ

Δ Δ−

Δ−Δ

−

−

=

2 1

5

где

j j j

τ τ −τ =Δ +1

;

( )

2

0

2

3103

1

1 με

( ) α μ α α α α 42

γ

−

− +

= ;

2

0

2

324104

2

1 με

α μ α α α α

γ

−

− +−

= ;

2

2

2

1

−= ααε ;

2

1

1

α

α ε

β

−

= ;

1

2

1

β

β = .

При построении системы уравнений для многослойной атмосферы предполагается

непрерывность потоков на границах N−1 слоев, где N – число расчетных уровней. Кроме того,

приняты следующие граничные условия:

− нисходящий поток рассеянного излучения на верхней границе атмосферы (ВГА), при

j=1, ( ) = 01 ;

↓

F

− поток прямого солнечного излучения на ВГА ( ) = 0

cos1 iSS , где S0 − солнечная

постоянная, i – зенитный угол Солнца;

− на нижней границе (j=N) ставится условие связи между восходящим потоком

рассеянного излучения и суммой нисходящих потоков прямого и рассеянного излучения:

( ) ( ( ) (NSNFANF )) = s

+

↑ ↓

, (10)

где Аs – альбедо подстилающей поверхности.