Оглавление

Введение

Ле к ц и я  1.

Глобальный анализ атмосферы 

1.1. Модель стандартной атмосферы

1.2. Энергетический баланс Земли и ее атмосферы

1.3. Изменение глобальной температуры поверхности Земли

1.4. Глобальная модель электрической системы Земли

Ле к ц и я  2.

Процессы переноса и основные компоненты

атмосферы

2.1. Конвективный перенос воздуха в атмосфере Земли

2.2. Водяной пар в атмосфере Земли

2.3. Углекислый газ в атмосфере Земли  

2.4. Фотосинтез на Земле

Ле к ц и я  3.

Парниковый эффект в атмосфере

3.1. Природа парникового эффекта

3.2. Эмиссия фотонов из плоского слоя возбужденного газа

3.3. Оптическая толщина атмосферы для ИК-излучения

3.4. Излучатели земной атмосферы

Ле к ц и я  4.

Углекислый газ в парниковом эффекте Земли

4.1. Излучение молекул CO2 в атмосфере

4.2. Уходящее тепловое излучение атмосферы за счет CO₂

4.3. Тепловое излучение молекул углекислого газа, направленное к по-

верхности Земли

Ле к ц и я  5.

Аэрозоли в атмосферных явлениях

5.1. Аэрозоли в атмосфере Земли

5.2. Энергетические процессы с участием аэрозолей

5.3. Рост аэрозолей в атмосфере Земли

5.4. Равновесие между аэрозолями и струями влажного воздуха

Ле к ц и я  6.

Космические лучи и ионизация атмосферы

6.1. Ионизация атмосферы под действием космических лучей

6.2. Фотоионизация молекул воздуха γ-квантами в атмосфере

6.3. Торможение быстрой заряженной частицы и ионизация атмосфер-

ного воздуха

6.4. Ионы в нижней атмосфере Земли

Ле к ц и я  7.

Атмосферное электричество

7.1. Особенности электрических процессов в атмосфере

7.2. Процессы зарядки аэрозолей

7.3. Процессы эволюции зарядов в кучевом облаке

7.4. Формирование дождя в грозовую погоду

Ле к ц и я  8.

Проблема стратосферного озона

8.1. Озон в атмосфере Земли

8.2. Атомарный кислород в верхней атмосфере

8.3. Циклы разрушения озона в стратосфере

Ле к ц и я 9.

Природные энергетические процессы в атмосфере

9.1. Молния как электрический пробой в атмосфере

9.2. Вулканы

9.3. Землятрясения, цунами и смерчи

9.4. Океанские течения и наводнения

Ле к ц и я 10.

Эволюция климата Земли

10.1. Эволюция глобальных параметров атмосферы

10.2. Факторы, влияющие на изменение климата Земли

10.3. Глобальные проблемы и мифы

Заключение

Список литературы

Предисловие

   Характер развития физики атмосферы в настоящее время напоминает картину, сюжет которой уже создан и не меняется со временем. Однако, время меняет ее детали, именно, некоторые из них становятся рельефными и обрастают подробностями, другие детали тускнеют. Подобным образом, физика атмосферы как наука с современными проблемами сложилась 100–200 лет назад, и ее современная эволюция направлена на увеличение точности определения наблюдательных параметров, а также основана на более глубоком анализе отдельных аспектов физики атмосферы, связанных как с прогрессом в определении параметров атмосферы, так и с развитием смежных наук.

   Рассматривая глобальные атмосферные явления, мы основываемся на наблюдательных данных, объединяя их с физическими законами. Это позволяет не только построить схемы процессов для каждого глобального явления, но также и высвечивает слабые места этой схемы. В частности, рассматривая проблему углекислого газа, мы не обладаем определенной информацией, какой вклад в накопление атмосферного газа вносит горение лесов в Восточной Сибири, а также уничтожение лесов в дельте Амазонки, экваториальной Африке и южной Азии. Тем более, этот процесс приводит к образованию в атмосфере вредных химических соединений наряду с извержениями вулканов, выбросами при сжигании ископаемого топлива, а также попаданием в атмосферу продуктов химической и металлургической промышленности. В этих случаях попадание химических соединений в атмосферу отражается на окружающем живом мире, растительности, а также на здоровье человека. Одним из примеров такого воздействия является смог, который связан с продуктами деятельности человека. Хотя экологические проблемы атмосферы не относятся к рассмотренным выше глобальным физическим проблемам, их влияние на атмосферу как среду, в которой находится живой мир и человек, гораздо серьезней, чем накопление водяного пара и углекислого газа в атмосфере. Сюда же следует отнести и использование удобрений, которое при современных масштабах соответствующих процессов существенно изменяет окружающую среду. Все это относится к химии тропосферы и составляет актуальную проблему окружающей среды.

   Отметим, что основной прогресс физики глобальной атмосферы в течение последних десятков лет достигнут благодаря ряду международных программ по климату, большинство которых выполняется под эгидой NASA, а также в созданных этой организацией научных институтах. Этот прогресс относится к глобальной температуре Земли, средней концентрации в атмосфере воды, углекислого газа, метана, озона, среднего объема ледников, среднего уровня моря, а также изменение этих параметров во времени, причем соответствующие данные содержатся в результатах исследований в численной форме. Эти исследования прежде всего нацелены на проблему изменения климата и воздействия человека на окружающую среду. Возможно, по этой причине исследование атмосферного электричества происходит относительно вяло, и наше понимание этой проблемы не сильно изменилось за последние пятьдесят лет.

   Естественный вопрос, который ставится не первую сотню лет, каково влияние деятельности человека на окружающую среду и климат. Несомненно, это влияние имеет место. Казалось бы, вклад хозяйственной деятельности человека в энергетику атмосферы и изменение ее состава мал, если оставить в стороне локальные воздействия и выброс в атмосферу канцерогенных веществ. Однако поднятая Свендсмарком и Кристенсеном [496] проблема воздействия космического излучения на климат Земли учит нас, что в цепочке глобальных процессов на Земле имеются такие звенья, где слабыми воздействиями можно изменить всю систему. Действительно, исследуя глобальные проблемы атмосферы Земли, мы неявно представляем атмосферу как некоторую устойчивую систему, описываемую конечным числом параметров, которые, несмотря на большие флуктуации, в среднем ведут себя более или менее предсказуемо. При этом мы пренебрегаем большим числом связей между элементами системы Земля–атмосфера. Например, теплое течение Гольфстрим осуществляет перенос воды и тепла из одних областей планеты в другие. При этом существуют определенные затраты энергии на поддержание этого течения. Теперь представим себе, что при некотором уровне изменений в атмосфере это течение исчезает. Ясно, что это приведет к драматическим изменениям в районах Земли, на климате которых отражается это течение. Существенно и то, что рассматриваемое изменение носит пороговый характер, т. е. определенный признак накапливается в системе, и при некотором его значении система меняет свое состояние. А теперь представим себе, что система Земля–атмосфера характеризуется многими связями, возбуждение каждой из которых может перевести ее в новое состояние, отвечающее этой связи. Такие возможности требуют как более глубокого изучения этой системы, так и аккуратного отношения к воздействиям на нее. 

   При этом влияние человека на внутренние слои земли сильнее, чем на атмосферу. Видимо, за последние полвека частота стихийных бедствий возросла. Это утверждение требует специальной проверки, тем более, что за прошедшее время были разработаны более совершенные методы как детектирования стихийных бедствий, так и защиты от них. Будем исходить из ранее рассмотренной простейшей модели поверхности Земли, согласно которой суша находится на платформах, погруженных в магму, и эти платформы находятся на глубинах, начиная с нескольких километров. Человек уже давно достиг таких глубин при добыче полезных ископаемых. Особенно опасны подземные взрывы, поскольку перемещения подземных слоев земли могут привести к землетрясениям и цунами. Поэтому добыча сланцевой нефти нам еще аукнется, причем, возможно, далеко от тех мест, где производились взрывы.

   Трудность атмосферных наук связана с большими флуктуациями параметров как по поверхности земного шара, так и по времени. Поэтому при анализе глобальных явлений в атмосфере удобно использовать модели с усредненными параметрами. К таким моделям относится модель стандартной атмосферы с усредненными значениями ее параметров как по сезону и времени суток, так и по широте и долготе местности, так что эти параметры зависят только от высоты над земной поверхностью. Другой пример модели для описания глобальных явлений — это глобальная электрическая модель атмосферы, где электрическая система Земли моделируется сферическим конденсатором с двумя обкладками, так что отрицательно заряженной обкладкой этого конденсатора является поверхность Земли, а положительно заряженная обкладка находится на высоте несколько километров, и все электрические атмосферные процессы развиваются в пространстве между этими обкладками.

   Развитие цивилизации требует не только исследований, позволяющих составить основу современного производства и сельского хозяйства, но также и наук, связанных со здоровьем человека и окружающей средой. В последние десятилетия большое внимание было уделено изучению атмосферы Земли, которое приводит к новому пониманию отдельных процессов и явлений в атмосфере. В данной книге мы рассмотрели глобальные явления, влияющие на изменение энергетического баланса атмосферы Земли и тем самым на изменение климата Земли. При этом книга посвящена не проблемам климата, а физическим принципам, которые связывают разные аспекты этой проблемы. Это понимание позволяет предотвратить негативное влияние развития цивилизации на окружающую среду. Однако, очень опасно, когда этими изменениями пользуются предприимчивые силы и группы сомнительной честности, как это имеет место в случае проблемы углекислого газа, и задача специалистов объяснить общественности реальную ситуацию.