Один из способов регуляции альбедо А ‒ использование наночастиц и микрочастиц определенного размера, а также материалов отражающих солнечный свет, был предложен работах [23]. Все эти методы не так безопасны. Например, использование наночастиц и микрочастиц, экранов из отражающих материалов способно нарушить влагооборот, существенно снизить среднюю температуру планеты, или, в случае технических сбоев, существенно ее повысить [24]. Отличие нашего способа управлением температурой планеты заключается в использовании заряженных частиц и водяных паров, которые способны образовать дополнительный облачный покров, что существенно снизит экономические затраты.
Заряженные аэрозольные частицы являются эффективными ядрами конденсации водяного пара, находящегося в атмосфере (на заряженных ядрах конденсация пара происходит при меньших пересыщениях, чем на незаряженных). В работах [25,26,27] приведен анализ среднемесячных спутниковых данных по площади нижней облачности за период 1983 г. по 1994 г. Показано, что за время 11 – летнего солнечного цикла площадь, занятая облаками, увеличилась на ~ 2 %. В результате в атмосфере ускоряется процесс конденсации водяного пара и образования капель, что приводит к увеличению площади облачного покрова всего земного шара [28]. Рассеивая коротковолновое солнечное излучение, частицы уменьшают приток солнечной радиации к Земле. Поэтому альбедо эффект считается определяющим при увеличении содержания стратосферного аэрозольного слоя (САС) [28]. С другой стороны, САС поглощает длинноволновое тепловое излучение Земли, приводя к усилению тепличного эффекта [28]. При изменениях аэрозольного содержания САС изменяется приток солнечной радиации к тропосфере, что ведет к изменениям ее температуры и к изменениям теплового баланса. Воздействия САС на радиационно-тепловые изменения зависит прежде всего от размеров частиц и в меньшей степени от их состава и локализации [28]. В работе [28] показано, что очень маленькие (радиусом < 5 мкм) и большие (> 1 мкм) частицы вызывают нагревание поверхности [28]. Полагают [29], что тепличный эффект преобладает над эффектом альбедо для частиц со средним эффективным радиусом более 2 мкм [30]. Помимо размера аэрозольных частиц в качестве главного параметра, определяющего воздействие САС на климатические изменения, рассматривается также стратосферная аэрозольная оптическая толща ‒ σа [29, 30].
На Рис. 4 изображен график изменения концентрации аэрозолей и вторичных нейтронов с высотой. Видно, что поток вторичных нейтронов очень хорошо коррелирует с концентрацией аэрозолей в атмосфере на всех высотах, при этом коэффициент корреляции приближается к 1, что несколько противоречит результатам работы [31]
Рис. 2. Концентрация нейтронов и аэрозолей в зависимости от высоты над уровнем моря.
При распространении электромагнитного излучения в атмосфере оно ослабляется при взаимодействии с ее составляющими. Часть его энергии поглощается атомами, молекулами и аэрозолями, другая рассеивается на молекулах и аэрозолях. Наконец, часть поглощенной энергии возвращается за счет переизлучения. Под коэффициентом ослабления электромагнитного излучения понимают коэффициент пропорциональности в законе Бугера-Бэра
, (5)
где I ‒ интенсивность излучения; h ‒ высота; dI ‒ изменение интенсивности излучения. при прохождении слоя среды dh; α ‒ объемный коэффициент ослабления, км-1, который является мерой всех взаимодействий, вносящих вклад в ослабление излучения при прохождении слоя среды dh. Его можно представить в виде
, (6)
где αр, αп ‒ объемные коэффициенты рассеяния и поглощения. Если известно число рассеивающих и поглощающих центров в единице объема N (h), то при выполнении условия линейного взаимодействия соответствующие коэффициенты можно представить в виде:
(7)
где σ(h) ‒ сечение взаимодействия данного компонента космического излучения энергии Е с фотонами, см2. Сечение взаимодействия данного компонента космического излучения с фотонами определяется из экспериментальных данных [32].
Показатель степени экспоненты определяет оптическую толщу слоя и, следовательно, альбедо.
(8)
Число рассеивающих и поглощающих центров N (h) пропорционально интенсивности данного компонента космических лучей (без учета рекомбинации)
. (9)
где υ ‒ скорость частиц; h ‒ высота.
Отсюда
(10)
Интенсивность протонов падает с высотой по экспоненциальному закону:
(11)
Интенсивность нейтронов сначала возрастает экспоненциальному закону, а затем резко падает:
(12)
Подставляя, например, (12) в (9), а (9) в (8) и интегрируя (8), получим толщу вещества для нейтронов
(13)
где γ(k +1, х/λ) ‒ неполная гамма-функция; k ‒ число столкновений первичного нуклона; Е – энергия нейтронов; λ – длина свободного пробега до поглощения
Оптическая толща τ пропорциональна потоку вторичных космических лучей J: τ ~ J. Альбедо А связано с оптической толщей следующей зависимостью: А~ ехр(-τ).
(14)
Пользуясь выражением (14), легко рассчитать интенсивность нуклонов, которую необходимо изменить инжектировать в атмосферу для изменения альбедо на некоторую фиксированную величину. т. к. δ А ~ 1-ехр(-δτ) ~ δ J. Приращение среднегодовой температуры связано с изменением альбедо (см. выражение 4): Рассчитав среднегодовую температуру с помощью формулы (4) при фиксированном изменении альбедо А и коэффициента α, можно определить поток нуклонов, который необходим для изменения альбедо на данную величину
(15)
Соответствующие результаты показаны на графиках (3) и (4)
Рис. 3. Изменение среднегодовой температуры в зависимости от изменения альбедо и коэффициента возврата α.
Рис. 4. Интенсивность нуклонов с энергиями 10 МэВ, 100МэВ и 1ГэВ, которые необходимо инжектировать в атмосферу для изменения альбедо на некоторую величину.
Из Рис. 3. видно, что для того, чтобы современное значение среднегодовой температуры оставалось на прежнем уровне при условии сохранения настоящего значения коэффициента возврата (α ~ 0,7) альбедо можно изменять в пределах от 0 до 0,3. Интенсивность нуклонов, которые инжектируются в атмосферу для изменения альбедо на определенную величину, изменяется в зависимости от δА по логарифмическому закону.
Заключение
Метод, предложенный в данной работе, позволяет без значительных потерь для экономического развития изменять температурный режим в благоприятную сторону, управляя объемным коэффициентом рассеяния с помощью потоков заряженных частиц.
Так как космические лучи оказывают значительное влияние на климат, образуя облака и аэрозоли, а облака и аэрозоли вносят значительный вклад в альбедо, то для нейтрализации парникового эффекта предлагается использовать пучки заряженных частиц, которые способны в данной в области образовывать дополнительный облачный покров и тем самым изменить температурный режим в благоприятную сторону.
Рассматриваемый здесь метод следует считать предварительным, поскольку необходимо провести более подробный анализ физических и климатических изменений в атмосфере (в том числе и влияние на озоновый слой Земли и ионосферу).
Следует также оценить стоимость научных исследований и реализаций «внесения» в стратосферу искусственных потоков заряженных частиц и твердых частиц микронного размера (от 0,1 до 2 мкм).
Предлагаемый метод следует рассматривать как переход от «спасения» средней температуры планеты к управлению температурным режимом планеты вне зависимости от причин, вызвавших изменение средней температуры планеты.
Литература
1.Р.Г. Хлебпрос, В.А. Охонин, А.И. Фет. Катастрофы в природе и обществе. ‒ Сибирский Федеральный Университет, Красноярский научный центр СО РАН, Институт биофизики СО РАН.: ИД «Сова», ‒ 2008, ‒ с. 14, 15, 30, 31, 89, 90, 107-119.
2. Washington Post. ‒ 1997, ‒ 12.
3. Emma Marris. The escalator effect. Nature, 1, 94-96 (2007)
4. Anna Barnett. Deep-sea collapse. Nature, 2, 26 (2008), p.26
5. Gary Braasch. A novel view of a warming world. Nature, 2, 33 (2008)
6. Mason Inman. Where warming hits hard. Nature, 3, 18-21 (2009)
7. Anna Armstrong. Fading forests. Nature, 3, 15 (2009)
8. Anna Armstrong. Leaf-level warming. Nature, 3, 29 (2009)
9. Alicia Newton. Early seasons. Nature, 3, 15 (2009)
10. Brian Hoyle. Accounting for climate ills. Nature, 2, 79 (2008)
11. Anna Armstrong. Physical effects. Nature, 2, 138 (2008)
12. http// www.zvezdi-oriona.ru/205008.htm.
13. http// science.compulenta.ru/40633/.
14. http/prognoz.org/article/kosmicheskie-luchi-vyzyvayut-pokholodanie /.
15. О.Г. Сорохтин. Адиабатическая теория парникового эффекта. Опубл. В сб. Возможности предотвращения изменения климата и его негативных последствий. ‒ М.: Наука, ‒ 2006, ‒ с. 101-129.
16. Gorshkov V.G., Makarieva A.M. Greenhouse effect dependence on atmospheric concentrations of greenhouse substances and the nature of climate stability on Earth. //Atmos. Chem. Phys. Discuss. ‒ 2, ‒ 2002, p. 289-337
17. Gorshkov V.G., Makarieva A.M. Biotic regulation of the environment: Its role today.// Abstracts of the VIth Congress of the European Society for Evolutionary Biology. ‒ 24-28 August, ‒ 1997
18. D. A. Semenov, R. G. Khlebopros. Biophysical Aspects of the Biosphere Impact on Global Climate. //Lectures AN. ‒ 3, ‒ 2002
19. А.С. Исаев, Г.Н. Коровин. Леса России и Киотский протокол. ‒ Опубл. В сб. Возможности предотвращения изменения климата и его негативных последствий. ‒ М.: Наука, ‒ 2006, ‒ с. 287.
20. https://www.lse.ac.uk
21. https:// www.albioncom.ru/univercity/england/catalog/?id=40
22. Dirk Solte. Understanding teh worlds' s crisis: an opportynity for global action for a sustainable future. (2009)
23. Hannah Hoag. Risky business: Altering the atmosphere. Nature 3, 34-35 (2007)
24. BBC NEWS CHANNEL. Five Ways To Save The World. 20 February (2007)
25. В.В. Зуев. Лидарный контроль стратосферы. ‒ Н.: Наука, ‒ 2004, ‒ с. 56, 57, 77.
26. J. A. Coakley, G. Grams. Relative influence of visible and infrared optical properties of a stratospheric aerosol laer on the global climate// J. Appl. Meteorol. ‒ Vol. 15. ‒ 1976, ‒ p. 679-691.
27. A. Lacis, J. Hansen, M. Sato. Climate forcing by stratospheric aerosol// J. Geophis. Res. Lett. ‒ Vol. 19, ‒ 1992, ‒ p. 1607-1610.
28. http//theory.asu.ru/~raikin/Physics/PCR/RCRC/2004_Moscow/papers/DKL2504.pdf.
29. Svensmark H. and E. Friis-Christensen. // J. Atm. Solar-Terr. Physics. ‒ V. 59, ‒ 1997, p. 1225.
30. CLOUD. A study of the link between cosmic rays and clouds with a cloud chamber at
the CERN PS. ‒ 2000.
31. [http//www.chukin.ru/publish/2007-02-27.pdf.