Юрий Мизун - Озонные дыры и гибель человечества

Дымовые частицы разных размеров по-разному влияют на распространение и поглощение солнечного излучения. Об этом уже говорилось. Поэтому специалисты очень скрупулезно изучают, каких частиц, с какими массами и размерами в образовавшемся дымовом облаке больше, а каких меньше. Собственно, надо знать полное распределение частиц по размерам и по массам. Тогда можно говорить о времени их жизни (если известна высота их нахождения), также об оптических свойствах ансамбля таких дымовых частиц.

Было установлено, что для деловой древесины содержание сажи (элементарного углерода) достигает 8 — 30 %. Количество сажи, образующейся при горении пластика и резины, составляет примерно 90 % их массы и даже больше. А сажа состоит из частиц, которые являются самыми долгоживущими.

Количество дымовых частиц изменяется не только потому, что некоторые из них вымываются осадками. Количество дымовых частиц уменьшается и потому, что, оказавшись в тропосфере и стратосфере, они слипаются друг с другом. Этот процесс называется коагуляцией. При этом масса всех частиц не меняется, поскольку частицы просто укрупняются, но резко падает их абсолютное количество. Это падение действительно стремительное. Уже после нескольких часов число дымовых частиц в дымовом облаке не превышает 10 -5см 3, тогда как примерно через неделю их становится в десять раз меньше (но зато оставшиеся в десять раз крупнее). Однако этот процесс слияния частиц проходит только в самое первое время после образования дымового облака. Для того, чтобы такое слипание происходило, надо, чтобы частицы достаточно часто сталкивались друг с другом, то есть надо, чтобы их концентрация была большой. Начальная концентрация дыма действительно большая. Так, начальная концентрация дыма вблизи интенсивного огня составляет 10 -6см 3для городских и контролируемых пожаров. Для лесных пожаров она равна 10 -5см 3. Но с течением времени дымовое облако поднимается и соответственно расширяется. Поэтому плотность частиц дыма уменьшается. Процесс слипания частиц замедляется (скорость слипания пропорциональна квадрату концентрации частиц). Примерно через полчаса частицы распределяются по размерам. В дальнейшем это состояние сохраняется почти неизменным.

В поднимающемся вверх нагретом воздухе (в термике) происходит еще один важный процесс. Это конденсация как водяного пара из захваченного окружающего воздуха, так и того водяного пара, который образовался в процессе горения. Образовавшиеся капли воды могут захватывать частицы сажи. Дальше эти черные сажевые капли воды выпадают в виде «черного дождя». Это наблюдалось после взрывов атомных бомб в Нагасаки, а также после бомбардировки и вызванных ею пожаров в Гамбурге. Конечно, указанная конденсация, ее скорость, будет зависеть от метеорологических условий и от интенсивности пожаров. «Черный дождь» может при определенных условиях быть очень обильным. В виде «черного дождя» может выпасть на поверхность Земли четверть всех дымовых частиц, которые были введены в атмосферу в результате пожаров. Считается, что в Нагасаки в виде «черного дождя» было выведено из атмосферы примерно 3 % дымовых частиц.

Образовавшиеся сажевые капли воды могут и не превратиться в дождь. Они до этого могут не дорасти. В дальнейшем вода может испариться, а частицы дыма, которые объединяла образовавшаяся капля воды, так и остаются в своем коллективе — большой частице сажи. В результате вместо большого количества мелких сажинок образуется одна увесистая частица сажи. Это тоже приходится учитывать специалистам, поскольку от этого зависят оптические свойства атмосферы, а значит и изменение климата. Таким образом, наличие водяных капель в дымовом облаке может изменить ситуации, поскольку мелкие дымовые частицы, садясь на капли будут объединяться. Правда, дождевых облаков в задымленной атмосфере значительно меньше, чем в чистой. Расчеты циркуляции атмосферного газа при образовании облаков, а также изменения теплового режима из-за поглощения солнечной энергии дымовыми частицами показали, что в задымленной атмосфере процесс образования облаков происходит быстрее. Ученые продолжают разрабатывать проблему преобразования и эволюции облака дыма от пожаров по мере его подъема над земной поверхностью.

Мы уже говорили и об оптических свойствах аэрозолевого облака, и о показателе преломления. Добавим только, что комплексный показатель преломления аэрозоля зависит от химического состава аэрозольных частиц. Напомним, что комплексный показатель преломления состоит из двух частей — действительной и мнимой. На самом деле ничего мнимого здесь нет. Просто первое число (действительная часть показателя) характеризует рассеивание солнечного (и не только) излучения на аэрозольных частицах. Второе число (мнимая часть показателя) характеризует, в какой степени солнечное излучение (его энергия) поглощается частицами аэрозоля. Наиболее надежно определить рассеивающие и поглощающие свойства частиц аэрозоля можно путем эксперимента, прямыми измерениями. Для простых частиц по форме и составу можно пытаться комплексный показатель преломления рассчитать. Но если частицы имеют сложное или многослойное строение, то это невозможно.

Надо иметь в виду, что ослабление солнечного излучения, которое падает сверху на аэрозольный слой, складывается не только из поглощения и рассеяния, которое рассеивает солнечные лучи обратно, вверх. Рассеивание может произойти под любым углом по отношению к первоначальному направлению луча падающего света. Значит, оно может быть направлено и вниз, под некоторым углом к вертикали.

Дым оказывает весьма малое влияние на тепловое излучение. Во всяком случае, слой дыма примерно в десять раз слабее влияет на потоки излучения в тепловом диапазоне, чем видимом участке спектра.

Для понимания процессов ослабления солнечного излучения, о которых здесь шла речь, приведем расчеты ученых. Расчеты эти выполнены для следующих условий. Масса облака дыма составляет 1509 Мт. Далее рассматриваются два варианта. В первом варианте дымовое облако равномерно распределено (размазано) над областью от 30° до 70° c. ш. Этот пояс составляет 44 % площади всего северного полушария. Во втором варианте это дымовое облако распределено равномерно над всем северным полушарием, от экватора до северного полюса. Для указанных условий в первом варианте масса дыма в столбе составляет М = 1,34 г/м 2и солнечное излучение ослабляется облаком дыма более чем в тысячу раз. Во втором случае плотность дыма в столбе примерно в два раза меньше. Поэтому ослабление прямого солнечного излучения дымовым облаком происходит только примерно в 40 раз.