6 лет назад
Нету коментариев

Образно говорят, что вся история человечества, его хозяйственной деятельности — это история борьбы за энергию. Она ведется, как правило, на локальном уровне, осваивается прямой источник энергии (ветер, вода, термальные источники недр, топливо и т. д.). Опираясь на работы М. И. Будыко, Н. М. Сваткова, рассмотрим вопросы теоретического анализа косвенного воздействия на энергетические потоки на всех трех основных уровнях организации среды: планетарном, региональном и локальном.

Воздействие на радиационный баланс. Для анализа происходящих и возможных воздействий на радиационный и тепловой баланс географической оболочки необходимо его рассматривать в качестве системы управления и с учетом взаимодействия радиационных и тепловых балансов земной поверхности, атмосферы и океана.

Выразим: уравнение радиационного баланса земной поверхности (см. III.1.4) в несколько иной форме (обозначения физических величин те же):

R = (S + D)(l — a) — Eз + EA.

Это уравнение можно представить в виде наглядной модели — механического аналога (рис. V. 3). Модель представляет собой сосуд, в боковой части которого имеется расширяющийся кверху разрез. В сосуд попадает вода из крана а. В сосуде при любом потоке воды из крана устанавливается динамическое равновесие, т. е. постоянный уровень воды. Кран в модели имитирует приходную часть, а разрез в стенке — расходную часть баланса.

Механический аналог радиационного баланса

Механический аналог радиационного баланса

Если в сосуд долить определенную массу воды, уровень в нем сначала резко поднимется на соответствующую высоту, равную Ah, а затем снизится до равновесного положения. То же самое произойдет, если отобрать из сосуда некоторое количество воды. Уровень постепенно установится в том же равновесном положении.

Если ту же воду лить незначительной струей длительное время из крана б, скачкообразного изменения уровня не наблюдается и равновесное положение изменяется: уровень динамического равновесия повысится. На механическом аналоге мы получили важные результаты. Они сводятся к следующему:

1. Радиационный баланс — это устойчивое динамическое равновесие между приходом и расходом солнечной энергии.

2. Благодаря устойчивости, кратковременные флуктуации, «стрессы» не приводят к направленным изменениям равновесного состояния, которое восстанавливается самопроизвольно.

3. Малые, но постоянные воздействия способны изменить равновесное состояние, сместив его в соответствующую сторону.

Рассмотрим, как это происходит в действительности. Роль «щели» на алгебраической модели радиационного баланса выполняет излучение земной поверхности. По закону Стефана — Больцмана В=6Т4 поток излучения пропорционален четвертой степени абсолютной температуры. Представим себе, что мы повысили каким-то образом температуру подстилающей поверхности (рис. V. 4). Это приведет к очень резкому возрастанию теплового излучения. Если повышение температуры имеет характер флуктуации, т. е. кратковременного и ненаправленного отклонения, то равновесие быстро восстанавливается на том же уровне. Если же фактор, обусловивший изменение прихода теплоты, действует длительно, то устанавливается новое равновесие, характерное для нового соотношения прихода солнечной радиации (падающей радиации) и теплового излучения Земли.

Функциональная схема управления океанической циркуляцией

Функциональная схема управления океанической циркуляцией

Механический аналог не полностью соответствует действительному объекту. В частности, он не позволяет объяснить, куда девается разность приходящей и уходящей радиации (т. е. радиационный бюджет).

Солнечная энергия, усвоенная географической оболочкой, идет на поддержание различий, т. е. сохранение определенной структуры, «самосохранение» оболочки. Если бы эта энергия не оставалась в географической оболочке, то постепенно сгладились бы различия, упростилась (до хаоса) структура, а географическая оболочка как система разрушилась. Радиационный бюджет обеспечивает поддержание различий и тем самым обусловливает вертикальные и горизонтальные движения потоков и круговороты вещества и энергии.

Регуляторы приходной части радиационного баланса. Регулирующие механизмы имеются и в отдельных (приходной и расходной) частях радиационного баланса. Рассмотрим приходную часть. Величина альбедо земной поверхности а является коэффициентом усвоения приходящей радиации. Этот коэффициент изменяется в пространстве и во времени и обеспечивает тем самым пространственно-временную неоднородность радиационного баланса географической оболочки, значение которой было показано выше. Кроме того, он служит определенным регулятором, «вентилем» (см. механический аналог) на пути приходящего теплового потока. Например, при выпадении снега альбедо земной поверхности сильно возрастает, поэтому резко убывает приходящая радиация. Это, в свою очередь, увеличивает вероятность очередного снегопада. Возникает система положительной обратной связи. Если бы не другие регуляторы, то при малом первоначальном воздействии (выпадение снега на небольшой территории) из-за действия положительной обратной связи нас ожидала бы «белая земля» (выражение М. И. Будыко). На альбедо оказывает влияние целый ряд факторов, связанных с характером (суша, море; тип ландшафта) и состоянием (влажность, заснеженность, фенологический аспект) ландшафта. Альбедо подвержено значительным изменениям под влиянием хозяйственной деятельности (табл. V. 6).

T_5_6

Из данных таблицы видно, что выпадение снега (альбедо около 90 %) на поверхность в степном районе (альбедо 12 %) снижает приходную часть радиационного баланса более чем в 8 раз (в незаснеженной степи поверхность усваивает около 90 % падающей радиации, а в заснеженной — только 10%). Это означает, что такое обычное для умеренных и высоких широт явление, как выпадение снега (или, наоборот, его таяние), приводит к изменению радиационного баланса, равнозначному перемещению данного участка местности на несколько десятков градусов по широте.

Альбедо изменяется и под воздействием других факторов: распашки степи, уничтожения леса, смены аспектов растительности по фенофазам и т. д.

Во всех случаях альбедо выступает в качестве очень мощного регулятора приходной части радиационного баланса, так как приходящая радиация умножается на величину (1 — а). Кроме того, альбедо — тонкий индикатор состояния ландшафта, сравнительно легко поддающийся регуляции. В качестве средств регулирования альбедо можно назвать все возможные изменения ландшафта (вырубка или посадка леса, распашка земель, орошение, увлажнение вообще, запыление снега сажей в зоне деятельности промышленных предприятий и во время пыльных бурь и др.).

Регулирующая роль альбедо известна издавна. Неоднократно разрабатывались проекты растопления льдов путем зачернения (с помощью сажи, угольной пыли и т. п.) снежно-ледовой поверхности. В отдельных районах это средство применяется для увеличения интенсивности таяния горных ледников и искусственного повышения водности рек (в связи с отбором воды на орошение). При зачернении снежно-ледовой поверхности альбедо может уменьшаться в 5 раз. Это приводит к соответствующему увеличению поглощенной радиации. В системе радиационного и теплового баланса другого такого мощного регулятора нет.

Менее мощным регулятором (из-за сравнительно малых амплитуд колебания) является прозрачность атмосферы для коротковолновой радиации. В целом атмосфера прозрачна для всей видимой части спектра (видимая часть спектра составляет малую долю электромагнитного спектра излучения Солнца). Поглощение атмосферой электромагнитного излучения Солнца происходит во всей ее толще. Наиболее мощное и избирательное поглощение наблюдается молекулами озона, водяного пара.

Прозрачность атмосферы зависит от содержания аэрозолей (дымы, продукты горения топлива самолетов и ракет), которое возрастает. Этому способствует антропогенная деятельность, особенно в промышленно развитых районах. В таких районах следует ожидать дефицита коротковолновой радиации, что существенно ухудшит условия среды, а также резко снизит энергетический потенциал приходящей радиации.

Регуляторы прозрачности атмосферы еще не использовались ни в региональных, ни в глобальных масштабах, но могут быть применены в борьбе с перегревом географической оболочки.

Следовательно, имеется две группы регуляторов приходящей солнечной радиации:

1. Альбедо земной поверхности — самый мощный и чувствительный регулятор, поддающийся направленным воздействиям.

2. Прозрачность атмосферы — потенциальный регулятор, пока не использовавшийся для управления приходящей радиацией. Эти регуляторы способны существенно менять приход солнечной радиации на локальном (непосредственно), региональном (интегрально) и глобальном (вследствие длительных процессов) уровнях.

Регуляторы расходной части радиационного баланса. Расходная часть радиационного баланса регулируется, как уже отмечалось, абсолютной температурой излучающей поверхности по закону Стефана — Больцмана. Величина излучения зависит, как известно, от длины волны, которая определяется температурой (рис. V. 5), так как с повышением температуры длина волны уменьшается, интенсивность излучения растет (она обратно пропорциональна длине волны). На рис. V. 5 количеству энергии соответствует площадь под соответствующей кривой.

Связь потока излучения с температурой по закону Вина

Связь потока излучения с температурой по закону Вина

Максимум излучения земной поверхности приходится на инфракрасную зону спектра. Излучение происходит круглосуточно, причем длина волны зависит от температуры (от 4,0 до 40 мкм), которая постоянно меняется. Максимальное излучение приходится на длину волны 10 мкм (рис. V. 6).

Электромагнитные спектры излучения Солнца и Земли

Электромагнитные спектры излучения Солнца и Земли

Атмосфера не полностью прозрачна для длинноволнового излучения. Прозрачность атмосферы ограничивается «окнами прозрачности», которые приходятся, по данным космических зондирований, на интервалы 3,0— 4,5 и 8,5—14 мкм. Водяной пар и особенно озон, диоксид азота, аммиак, диоксид углерода снижают прозрачность атмосферы для теплового излучения и способствуют возникновению парникового эффекта. Даже очень малые изменения в содержании перечисленных компонентов влияют на прозрачность атмосферы. По данным М. И. Будыко, незначительные изменения содержания диоксида углерода (наряду с другими факторами) сильно влияют на температуру Земли (рис. V. 7). Мощный фактор повышения температуры — облачность, снижающая прозрачность атмосферы для длинноволнового излучения. На содержание указанных компонентов в атмосфере сильно влияет хозяйственная деятельность человека. Уменьшение прозрачности атмосферы для длинноволновой радиации и как следствие этого — повышение, температуры Земли может привести к эффекту перегрева земной поверхности. Описанные воздействия являются непреднамеренными, но потенциально управляемыми.

Поглощение радиации компонентами и примесями атмосферы

Поглощение радиации компонентами и примесями атмосферы

Следовательно, расходная часть радиационного баланса содержит следующие элементы управления:

1. Температура излучающей поверхности.

2. Прозрачность для теплового излучения атмосферы (содержание водяного пара, озона, диоксида углерода), наличие облаков, тумана и др. Непреднамеренные воздействия через указанные регуляторы на расходную часть радиационного баланса многочисленны.

Общеизвестно значение повышения содержания в атмосфере диоксида углерода. На рис. V. 8 показано воздействие увеличения содержания диоксида углерода на температуру Земли. Содержание СО2 в атмосфере зависит от естественных процессов и промышленной деятельности. Оно является мощным регулирующим фактором глобальной температуры Земли.

Воздействие увеличения содержания СО2 на температуру земной поверхности

Воздействие увеличения содержания СО2 на температуру земной поверхности

На планетарном уровне определенное значение может иметь загрязнение поверхности океана нефтяной пленкой. Уже отмечалось, что не менее половины теплоты океан передает в атмосферу вместе с водяным паром в виде скрытой теплоты парообразования. Возникновение нефтяной пленки примерно в два раза снижает испарение с поверхности, следовательно, приводит к повышению температуры океанских поверхностных вод. Это, в свою очередь, должно увеличить тепловое излучение с поверхности океана (взамен переноса теплоты на значительные расстояния вместе с водяным паром). Следствия такого процесса пока не известны, но можно предполагать, что из-за увеличения переноса теплоты излучением (т. е. в явном виде) и уменьшения скрытого теплового потока произойдет повышение температуры воздуха над океаном. Летом это приведет к уменьшению контраста между океаном и сушей, а зимой — к его увеличению. Соответственно уменьшится действие тепловой машины второго рода летом и усилится зимой. Следовательно, изменится климат умеренных широт.

На региональном уровне воздействия касаются, прежде всего, изменения водного баланса территорий за счет орошения, испарения, значительных количеств водяного пара, выделяемого тепловыми установками, появления ядер конденсации (аэрозолей) — продуктов горения или химических реакций. Эти воздействия увеличивают экранирующую роль атмосферы, снижают расходную часть баланса и в конечном итоге повышают значение радиационного бюджета, косвенно способствуют «перегреву» Земли.

В процессе орошения происходит по крайней мере два воздействия на природу, которые носят характер управления: понижение температуры излучающей поверхности и повышение содержания водяного пара. Оба воздействия способствуют уменьшению расходной части баланса и увеличению радиационного бюджета.

Все загрязнения воздуха также вызывают уменьшение теплового излучения географической оболочкой.

Следовательно, имеется значительное число природных механизмов, которые воздействуют на радиационный баланс географической оболочки, придают ему состояние динамического равновесия. Значительная часть управляющих механизмов поддается преднамеренному воздействию, о чем свидетельствуют результаты непреднамеренных воздействий.

Косвенные воздействия на энергетику географической оболочки эффективнее и экономичнее прямых, так как не требуют затрат энергии, сопоставимых с энергией процессов прихода — расхода солнечной энергии; в то же время косвенные воздействия сложнее, так как они требуют знания тонких механизмов управления.

Воздействие на тепловой баланс географической оболочки. Воздействие на тепловой баланс земной поверхности связано со следующими составляющими: 1) изменение затрат теплоты на испарение; 2) изменение турбулентного теплообмена с атмосферой; 3) изменение теплового потока в глубь верхнего слоя земной коры; 4) изменение циркуляции для воздействия на перенос теплоты.

Изменение затрат теплоты на испарение связано, как уже отмечалось, со следующими воздействиями:

1. Загрязнение поверхности океана нефтяной пленкой, которое уменьшает затраты теплоты на испарение с этой поверхности почти в 2 раза и приводит к перегреву поверхности океана (так как в уравнении теплового баланса происходит увеличение последних двух членов его правой части). В свою очередь, увеличение тепловых потоков в атмосферу и глубинные слои океана возможно только в случае соответствующего увеличения контраста температуры между поверхностным слоем океана (нагревателем), атмосферой (холодильником — 1) и нижним, в частности переходным, слоем океанской тропосферы (холодильником — 2). Контраст обеспечивается определенным перегревом поверхности, т. е. повышением температуры океанской поверхности.

Следовательно, под влиянием описанного механизма произойдет изменение структуры теплового баланса океанской поверхности, которое приведет к ее нагреву. Очевидно воздействие последнего на структуру расходной части радиационного баланса. Изменение расходной части радиационного баланса приведет к уменьшению радиационного бюджета, а это скажется на структуре теплового баланса, нарушит его равновесие и т. д. Начнется переходный процесс в системе, который не поддается умозрительной оценке.

На суше изменение затрат теплоты на испарение связано с прямым воздействием — нарушением водного баланса территорий и косвенным — всяким изменением ландшафта. Первое воздействие носит пока локальный, местами региональный характер; второе достигает масштабов континента, т. е. субпланетарных. Оба вида воздействия имеют побочный характер, так как ни в одном случае задача изменения структуры теплового баланса специально не ставилась. В отдельных работах гидрометеорологов, связанных с научным обеспечением орошаемого земледелия, задача изменения структуры радиационного и теплового баланса на локальном уровне уже разрабатывалась.

В аридных районах Земли затраты теплоты на испарение воды невелики, и большая часть тепловой энергии переносится в атмосферу и почву. Это обусловливает повышенную температуру в этих районах. Орошение аридных районов, а также любые изменения природы, связанные с увеличением испарения, приводят к соответствующему изменению структуры теплового баланса.

Изменения структуры теплового баланса неизбежно приводят к нарушению сложившихся отношений между территориями, а также между геосферами в пределах одной территории, увеличению или уменьшению контрастности температурных различий. Увеличение температурных различий усиливает действие тепловых машин, а уменьшение — ослабляет.