Юрий Мизун - Озонные дыры и гибель человечества

Пожар может гореть по-разному, и при этом выделяется разное количество дыма. Это зависит от условий горения. Количество дыма сильно увеличивается, если кислорода поступает меньше. Увеличивает количество дыма и рост температуры вентилирующего воздуха. Если горючий материал не горит, а тлеет, то масса выделяемого при этом дыме увеличивается во много раз. При горении леса на площади около десяти квадратных метров относительная масса дыма составляет 3–6 %. Но она увеличивается до 15 % при тлении. При горении нефтепродуктов, пластмасс и резины дыма выделяется до 15 % при пламенном горении и до 40 % при тлении. Но не будем брать в расчет эти максимальные величины. Примем, что при горении выделяется примерно 4 % дыма (по массе). Далее, примем, что сгорает половина запасов «потенциального топлива». Если сгорит половина всего «потенциального топлива», то масса дыма достигнет 200 Мт. Из всего того, что уже было сказано об аэрозольных слоях и их влиянии на изменение климата, ясно, что аэрозольный слой массой 20 миллионов тонн вызовет, без сомнения, катастрофические для биосферы (и человека) изменения климата.

Основным источником дыма в случае ядерной войны будут города. Они дадут как минимум 150 миллионов тонн дыма. Это при очень щадящих условиях, когда считается, что предел плотности энергии, которая вызывает воспламенение, близка к максимальному значению (а именно 840 кДж/м 2), что примерно треть областей поражения перекрывается при множественных взрывах. Считается также, что пожары не распространяются. На самом деле эти ограничения нарушаются, поэтому заведомо можно считать, что масса городского дыма во время ядерной войны достигнет не менее 450 миллионов тонн.

Вернемся к более детальному рассмотрению лесных пожаров, вызванных ядерными взрывами. Запасы сухой древесины в среднем составляют около 15 кг на один квадратный метр. Конечно, эту цифру можно спокойно удвоить, когда речь идет о высокопродуктивных лесах. В таких лесах до 20 % сухой древесины (6 кг/м 2) может находиться в виде горючей подстилки и опадка. Это сухие сучья, листья и т. п. Весь этот материал обычно сгорает полностью. Что касается древостоя, то из всей массы сгорает примерно пятая часть (сучья, которые тоньше 4 см, кора, часть ствола). Можно считать, что в среднем сгорает примерно треть сухой биомассы. Если запасы сухой древесины составляют 15 кг на квадратный метр, то в среднем сгорает примерно 5 кг сгораемого материала на квадратный метр леса.

Мы еще ничего не говорили о торфяниках, которые в случае ядерной войны тоже будут гореть. Дым от этих пожаров также надо учитывать. В этом случае запасы горючего материала составляют до 15 кг/м 2. Торфяники горят в режиме тления, и такие пожары длятся месяцами и выделяют много дыма.

Если горит дерево, то примерно 4 % его массы переходит в дым. Если рассматривать задачу в глобальном масштабе, то есть условия мирового ядерного конфликта, то может сгореть примерно один миллион квадратных километров леса. В результате такого глобального пожара выделится до 160 Мт дыма. Эту цифру без труда можно дотянуть до 200 Мт, если считать, что на каждом квадратном метре сгорает 5 кг древесины и при этом 4 % всей массы горючего переходит в дым. Конечно, все цифры здесь ориентировочные. Можно считать, что сгорит меньшая площадь леса, но выход дыма при этом будет несколько больше. Ведь важно убедиться в том, насколько опасна игра в ядерные игрушки.

Как уже говорилось, чем выше поднимется дым, тем больше бед он наделает. В обычных условиях при лесных пожарах он поднимается до высоты 2–3 км. Реже он поднимается выше. Дым от пожара первоначально поднимается в так называемых термиках. Так называют воздух, который нагрет пожарами. Этот нагретый воздух вместе с дымом поднимается до высоты, на которой плотность воздуха внутри этой струи сравнивается с плотностью воздуха вокруг нее. Поэтому нагретый воздух больше не выталкивается вверх. Он останавливается на этой высоте. Чем выше, тем нагретый воздух занимает все больший и больший объем. То есть он расширяется. Это происходит потому, что чем выше, тем меньше давление на этот воздух воздуха из граничащих ненагретых областей, поскольку с ростом высоты плотность воздуха уменьшается. Но при расширении теплый воздух охлаждается. Ясно, что в термики (области нагретого воздуха) может вовлекаться и окружающий воздух.

Специалисты рассчитали вероятность того, что восходящие конвективные потоки воздуха с дымом, порожденные пожарами, могут достигнуть высоты стратосферы (20–40 км). При источнике мощностью в один миллион киловатт струя нагретого воздуха в сухой атмосфере распространится до высоты около 2 км. Это небольшая мощность. Она соответствует сгоранию 70 тонн керосина в течение одного часа. Рассчитана даже формула, связывающая высоту распространения горячей струи и тепловую мощность источника нагрева: высота распространения струи пропорциональна корню в четвертой степени из тепловой мощности источника.

Ученые пытались выяснить, может ли струя воздуха с дымом от наземного пожара достигнуть стратосферы. Для того, чтобы провести такие расчеты, надо задать определенные исходные величины (начальные условия). Тропосфера над экватором простирается значительно выше (до 18 км), чем над высокими широтами (до 11 км). Выше тропосферы находится стратосфера. В расчетах исходили из того, что в начальный момент струя имела в поперечнике 1 км, а вертикальная скорость воздуха равнялась 20 м в секунду. Считалось, что температура горячего воздуха в струе превышала температуру воздуха в соседних областях (ненагретого) на 100, 200 и 300 °C (три варианта). Такие условия создаст источник тепла с мощностями приблизительно 0,9; 1,85 и 2,8 × 10 9кВт. Если взять мощность самую большую из этих трех, то получится, что горячий воздух с дымом поднимется вверх выше тропосферы, то есть в стратосферу (на 12 км и даже выше).

Главный вывод состоит в том, что дым от ядерного пожара поднимется в стратосферу. Для этого мощность источника должна составлять (1–2) × 10 9кВт. Такая мощность соответствует мощности, выделяемой при лесном пожаре, который охватывает площадь в 10 квадратных километров и когда скорость горения составляет 3–5 г/(м 2.с). Это случай полного выгорания леса (всей древесины) на указанной площади в течение двух-трех часов. При обычных пожарах так быстро лес не горит.

При сгорании древесины выделяется влага, она превращается в пар и облегчает процесс подъема воздуха в конвективных потоках за счет выделения тепла конденсации. Дело в том, что вертикальная скорость воздуха в струях, которые распространяются во влажной атмосфере, примерно в два раза больше, чем в сухой атмосфере. Потолок струи метеотрона в стандартной насыщенной влагой атмосфере составил приблизительно 6 км по сравнению с 2 км для сухой атмосферы при той же мощности источника.