Введение
Глобальные экологические проблемы, то есть проблемы, касающиеся всей поверхности Земли, являются одними из самых животрепещущих проблем начала XXI века. Одна из таких проблем ‒ повышение температуры поверхности Земли вследствие выброса углекислого газа в атмосферу [1]. Межправительственная группа по исследованию климатических изменений (Introgovernmental Panel on Climate Change), поддерживаемая ООН и состоящая из примерно 2000 ученых разных стран, предсказывает, что к 2100 году среднегодовая температура Земли повысится не менее чем на 1С, но возможно, и на величину до 3,50 С ‒ если только не будет резко уменьшена выработка «парниковых газов». Срочность необходимых мер связана с тем, что СО2 и другие «парниковые газы», попав в атмосферу, могут оставаться там не менее ста лет. Ожидается, что наибольшее возрастание температуры произойдет между 40 N и 70 N северной широты [1]. Именно в этих местах произошло наибольшее потепление в ХХ столетии. Например, при нынешнем уровне потребления углеродных топлив средняя температура июля в центре Вашингтона, составляющая теперь 30 C,через сто лет возрастет на 5 С [2].
Но, повышение температуры ‒ это еще не самое важное изменение климата. Как пишут авторы обзора [2], термин «глобальное потепление» в некотором смысле обманчив, потому что создает впечатление, будто средняя температура важнее всего. Между тем это во многих отношениях наименее важный аспект целого ряда явлений, вытекающих из глобального потепления.
Эксколация эффекта глобального потепления [3] приведет к таянию ледников [4,5], повышению уровня океана [6], нарушению экологического равновесия [3,7,8] (например, желтый starthistle и tamarisk, вероятно, расширят свои диапазоны с изменением климата [9])., негативному влиянию на здоровье людей [10], распространению эпидемий [11].
|
|
В данной работе предлагается принципиально новый подход, основанный не на сокращении промышленного производства, а на управлении парниковым эффектом путем изменения альбедо (отражательной способности) в данной области планеты. Полная энергия солнечного излучения хорошо известна [1]. Известно также, какая часть ее задерживается атмосферой [1], рассеивающей это излучение: лишь около половины его достигает поверхности Земли. Лучи самых высоких частот ‒ это гамма-, рентгеновские и ультрафиолетовые лучи. Они составляют небольшую часть солнечного излучения и в основном задерживаются верхними слоями атмосферы. Земля, в свою очередь, излучает в космос только инфракрасные лучи, длиной от 3 до 30 мкм. Поскольку температура Земли (на ее излучающей поверхности), меняется очень медленно, то, по законам термодинамики, Земля должна находиться в «термодинамическом равновесии с окружающей средой, то есть излучает столько же энергии, сколько поглощает. Так как величина падающего на Землю потока энергии известна, то известна и энергия ее собственного излучения Е [1]. Как выяснилось в ходе исследования, проведенного сотрудниками института ядерной физики им. Макса Планка, под воздействием космической радиации в нижних слоях земной атмосферы происходят ядерные реакции, изменяющие содержание отдельных химических элементов, что, в конечном итоге, приводит к формированию облачных масс повышенной плотности. То, что облака играют весьма значительную роль в динамике климатических изменений, известно уже давно, хотя каким именно образом облачный покров Земли влияет на климат, до сих пор точно не установлено. Тем более, что влияние это бывает диаметрально противоположным - одни облака способствуют охлаждению планеты, другие – обогреванию [12]. Нир Шавив из Еврейского университета в Иерусалиме (Израиль) и Ян Файцер из Рурского университета в Бохуме (Северный Рейн-Вестфалия, ФРГ) пришли к выводу, что космические лучи способны влиять на климат нашей планеты. Как выяснилось, Земля очень чувствительна к интенсивному излучению, исходящему от газо-пылевых облаков и умирающих звезд. Оно повышает количество заряженных частиц в атмосфере Земли, и, по мнению многих ученых, способствует формированию плотных, низких облаков. Эти облака, в свою очередь, препятствуют нагреву Солнцем поверхности планеты. Вероятно, именно из-за них примерно раз в 150 миллионов лет Земля охлаждается до такой степени, что наступают "ледниковые периоды". Шавив и Файцер создали математическую модель воздействия космических лучей на климат нашей планеты. При этом они, в частности, использовали приблизительно подсчитанные данные о температуре воздуха Земли за последние 500 миллионов лет. Расчеты исследователей позволяют предположить, что за указанный период космические лучи привнесли в изменения земного климата свой примерно 75-процентный вклад [13]. Схема этого влияния, как считают исследователи из Центральной аэрологической обсерватории Росгидромета РФ и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН), выглядит следующим образом. Поток космических лучей, который непрерывно попадает в атмосферу, при взаимодействии с ней порождает вторичное излучение. Вторичное излучение ионизирует воздух в страто- и тропосфере, усиливая его электропроводность. При этом облегчается прилипание к незаряженным аэрозольным частицам легких ионов, и заряженные аэрозольные частицы становятся центрами конденсации водяного пара. В результате усиливается облачность, которая ослабляет поток солнечной энергии и снижает температуру приземной атмосферы [14], и, следовательно, увеличивает альбедо (отражательную способность). Таким образом, создается положительная обратная связь. Величину альбедо можно представить в виде:
|
|
|
|
Управляя параметром α(h), можно управлять температурным режимом в данной области Земли.
Энергетический баланс Земли
Рассмотрим подробнее энергетический баланс Земли. Пусть солнечное излучение (Рис. 1) падает на поверхность планеты. Часть солнечного излучения отражается, поэтому лишь около его половины согревает поверхность Земли. Поскольку, температура Земли меняется очень медленно, то, по законам термодинамики, Земля должна находиться в состоянии термодинамического равновесия.
Тогда энергетический баланс Земли можно записать следующим образом без учета парникового эффекта:
(1)
где σ ‒ постоянная Стефана-Больцмана; Т ‒ средняя температура; σ Т 4 ‒ энергия теплового излучения Земли; А ‒ альбедо (отражательная способность) Земли. Величину альбедо можно представить в виде:
(2)
где Еotr ‒ отраженный поток; Е ‒ падающий поток.
В случае наличия «парникового эффекта» энергетический баланс Земли будет выглядеть как:
Ec(1-A)=σT4(1-α) (3)
где α ‒ доля энергии, излучаемой Землей, возвращаемая парниковыми газами к земной поверхности. Из выражения (2) легко выразить температуру через альбедо и коэффициент α:
Т4= Ec(1-A)/σ(1-α) (4)
Выражение (4) впервые было получено Р.Г. Хлебопросом.
| |||||||||||||
 | |||||||||||||
| |||||||||||||
 | |||||||||||||
| |||||||||||||
 | |||||||||||||
 | |||||||||||||
РисЭнергетический баланс Земли.