Слой воздуха, непосредственно прилегающий к подстилающей поверхности и формирующий под ее воздействием специфические профили скорости, температуры и влажности традиционно называют пограничным слоем атмосферы. Неотъемлемой составляющей пограничного слоя атмосферы является природный и антропогенный аэрозоль. Таким образом, физика пограничного слоя атмосферы содержит как гидродинамическое описание многообразия его движений, так и теорию переноса, трансформации и оптических свойств аэрозоля, входящего в его состав.
Адекватное описание состояния пограничного слоя атмосферы является весьма актуальной и важной проблемой в связи с задачами:
• построения численного прогноза погоды;
• моделирования общей циркуляции атмосферы;
• исследования изменения климата;
• формирования облачности и осадков, а также их влияния на гидрологический цикл атмосферы;
• распространения и переноса природного аэрозоля и антропогенных загрязняющих веществ в атмосфере;
• образования и трансформации аэрозольных частиц;
• изменения оптических свойств аэрозоля и атмосферы;
• определения благоприятных условия для добычи полезных ископаемых и использования природных ресурсов, производства, строительства, функционирования транспорта, а также другой производственно-хозяйственной деятельности.
Многоцелевые исследования пограничного слоя атмосферы выполнены в экспериментах Канзас 1968, Миннесота 1973, ITCE 1976, EFEDA-91, BOREX-95, BLX-96. Эти исследования показали, что глубина конвективного пограничного слоя подвержена суточным колебаниям. В дневные часы, когда интегральный поток тепла поступает от подстилающей поверхности в атмосферу, формирование пограничного слоя происходит в основном за счет процессов конвекции, поэтому дневной пограничный слой часто называют конвективным пограничным слоем. Высота конвективного пограничного слоя растет со временем и достигает в средних широтах 1.5−2 км. В ночные часы, когда интегральный поток тепла поступает от атмосферы к подстилающей поверхности, формирование пограничного слоя происходит, в основном, за счет процессов динамического трения. Высота ночного пограничного слоя практически постоянна и достигает в средних широтах нескольких сот метров.
Описание пограничного слоя может быть реализовано различными моделями. В рамках интегральной модели пограничный слой рассматривается как горизонтально однородное образование. Высота пограничного слоя определяется исходя из некоторого априорно заданного уравнения, тогда как вертикальные профили метеоэлементов определяются исходя из упрощенных турбулентных моделей, использующих различные варианты замыкания. Подобный подход к описанию пограничного слоя атмосферы был впервые предложен в работах Deardorff J. W., Willis G. E., Lilly D.K. (1969) — Deardorff J.W. (1972). Указанный подход весьма эффективен в задачах численного крупномасштабного прогноза погода и моделирования общей циркуляции атмосферы. Шаг конечно-разностной сетки, принятый в этих задачах и имеющий порядок несколько сот километров, не позволя.
1 См. статьи: Izumi Y.(1971) — lzumi Y" Gaughey J. S. (1976) — Daer A. J., Bradley E. F. (1982) — Kiemle C" Kastner M" Ehret G. (1995) — Mikkelsen Т., Jorgensen H. E., Lofstrom P., Lyck E. (1996) — Stull R. В., Santoso E" Berg L, Hacker J. (1997). ет осуществить детальное разрешение метеополей, поэтому использование здесь интегрального описания пограничного слоя оказывается весьма конструктивным.
Многочисленные натурные и лабораторные эксперименты указывают на наличие существенных неоднородностей метеополей внутри конвективного пограничного слоя. Пусть h — высота конвективного пограничного слоя. Будем характеризовать вихри, образующие термогидродинамическую неоднородность, горизонтальным радиусом восходящих движений R. Максимальная величина R определяется внешним масштабом турбулентности, который, согласно статье Hunt J. С. R. (1998), равен примерно 3 • 101/г. Минимальная величина R, выбранная как 10~4h, по крайней мере, на порядок превосходит внутренний масштаб турбулентности. Наблюдаемые вихри условно можно классифицировать на крупные, средние и мелкие.
Крупные вихри, горизонтальные радиусы восходящих движений которых удовлетворяют условию 1-Ю" 1 < R/ ИкЗЛО'1, образуют упорядоченные когерентные квазистационарные структуры высотой h, подобные конвективным ячейкам Бенара.
Мелкие вихри с горизонтальными радиусами восходящих потоков 10~4 < Ю-2 неупорядочены и хаотичны. Изучение этих вихрей осуществляется в рамках теории турбулентности.
Средние вихри, т. е. вихри, горизонтальные радиусы восходящих движений которых R, удовлетворяют неравенству 10~3 < Ю-1, традиционно идентифицируются как термики. Их описание подчиняется динамическим уравнениям, однако, начальные условия для них носят случайный характер, связанный с зарождением термиков в неустойчиво стратифицированном приземном слое. Стохастический ансамбль термиков образует тонкую инфраструктуру пограничного конвективного слоя атмосферы. Исследование поведения этого ансамбля необходимо для описания конвективной облачности и зон осадков, а также при изучении некоторых вопросов переноса естественного аэрозоля.
Выполненный за последние десятилетия комплексный мониторинг воздушной среды убедительно продемонстрировал, что среди атмосферных параметров наибольшие изменения коснулись показателя мутности атмосферы. Так, например, согласно Мс. CormicR. A., LudwigJ. Н. (1967) с начала XX века мутность атмосферы в восточных районах США увеличилась примерно на 57% за 60 лет, а в Швейцарии на 88% за 30 лет. По данным работы Lovelock J. Е. (1971) мутность атмосферы увеличивается на 30% за десятилетие. Это явление, связывают с ростом концентрации атмосферного аэрозоля.
Природный или «фоновый» аэрозоль появляется в атмосфере при воздействии ветра на поверхность океана (брызги морской воды) или суши (песок пустынь), при извержении вулканов (пепел и сульфатные частицы вулканических выбросов серы), при лесных пожарах, отмирании растений и сгорании метеоритов, а также при конденсации газов и окислении газов, содержащих серу.
В зависимости от высотного распределения в атмосфере можно выделить: стратосферный аэрозоль, фоновый тропосферный аэрозоль и аэрозоль пограничного слоя атмосферы.
Стратосферный аэрозоль имеет максимум концентрации на высотах 15−20 км. Естественным источником стратосферного аэрозоля является вулканическая деятельность, следствием которой является образование сульфатных частиц. Антропогенным источникам стратосферного аэрозоля в какой-то мере является сверхзвуковая авиация.
Фоновый тропосферный аэрозоль состоит преимущественно из субмикронных фракций минеральной пыли и других конденсатных континентальных аэрозолей, образование которых связано с газофазной трансформацией малых газовых компонент.
Аэрозоль пограничного слоя атмосферы состоит из минеральной пыли пустынь, ядер конденсатного континентального аэрозоля и частиц морской соли.
Современные данные о составе и свойствах атмосферного аэрозоля получены в результате натурных экспериментов FACE-95, EXPRESSO-96, PEM-Tropics-962.
Частицы аэрозоля способны оказывать на атмосферу как химическое так и физическое воздействие. Химическое воздействие аэрозоля проявляется в колебаниях состава малых газовых компонент атмосферы, а также в изменении состава снежного покрова. Физическое воздействие аэрозоля проявляется в вариациях температурного режима и оптических свойств атмосферы. Весьма существенна роль аэрозоля в фазовых переходах влаги в атмосфере, а также при индикации (трассировки) движения воздушных масс.
Систематическое изучение влияния аэрозоля на термический режим атмосферы было впервые начато в исследованиях Кондратьев К. Я., Васильев О. Б., Ивлев О. С., Никольский Г. А., Смокти О. И. (1973). Полученные за последние годы оценки Kondratyev К. Ya. (1999) свидетельствуют, что похолодание глобального климата, обусловленное сульфатными аэрозолями, сравнимо по величине с потеплением, связанным с усилением парникового эффекта, см. Будыко М. И. (1980) — Монин А. С. (1982). Природный и антропогенный аэрозоль влияет как на падающую солнечную радиацию, так и на инфракрасную радиацию, излучаемую земной поверхностью, поглащая и рассеивая ее. Знак и величина локального изменения.
2 См. статьи: Bates Т. S. (1999) — Rucllan S., Cachier Я, Gandichet A., Maslet P., Lacanx J.-P. (1999% Dibb J. E., Talbot R. W" SchenerE. M., Blake D. R., Blake N. S., Gregory G. L., Sachse G. W., ThoratonD. C. (1999). суммарного теплового баланса поверхности зависит от свойств аэрозоля (отношение поглощения к рассеиванию) и от альбедо подстилающей поверхности (суша, океан, облака и т. д.). Исходя из детального обсуждения радиационных свойств аэрозоля и альбедо подстилающей поверхности, а также измерения типичного антропогенного аэрозоля в работе Kellog W. W. (1980) был сделан вывод, что в качестве итогового эффекта можно ожидать нагревания над сушей и умеренного выхолаживания над океанами.
Основным процессом, изменяющим микроструктуру аэрозоля является равновесная гетерогенная конденсация. В процессе гетерогенного фазового перехода пары осаждаются на поверхности ядер конденсации. Изучение свойств частиц атмосферного аэрозоля как ядер конденсации необходимо для исследования процессов облакообразования и разработки эффективных методов ускорения или замедления процессов образования облаков на стадии их развития. Методы прогноза оптической прозрачности атмосферы базируются на конкретном учете конденсационного изменения микроструктуры атмосферного аэрозоля.
Производственно-хозяйственная деятельность человечества за последнее время настолько усилилась, что теперь она оказалась в полной взаимосвязи с окружающей средой. Все возрастающие антропогенные выбросы в атмосферу твердых частиц и газов, способствующих образованию активных облачных ядер конденсации, приводят к непреднамеренным воздействиям на погоду и климат, проявляющимся как в уменьшении прозрачности атмосферы для солнечного света, так и в изменении микроструктуры и коллоидальной устойчивости образующихся облаков и туманов. Так если распространение загрязняющих веществ ограничивается пограничным слоем, то в обширных районах могут создаться метеоусловия, не только обладающие специфическими полями температуры и влажности, но и значительно затрудняющие жизнедеятельность человека. Изучение естественных вариаций окружающей среды в пределах пограничного слоя атмосферы, является важным фактором планирования. Для реализации этого планирования крайне желательно располагать мезомасштабной моделью пограничного слоя атмосферы, включающей описание переноса и трансформации аэрозоля.
Цель диссертационной работы состоит в исследовании локальных динамических конвективных движений и физических механизмов загрязнения воздуха в пограничном слое атмосферы, а именно:
• роли физических механизмов конденсации и конвекции в формировании оптических свойств аэрозольного ослабления в пограничном слое атмосферы;
• общих закономерностей распространения конвективного фронта и изолированных термиков над точечными, линейными и плоскими источниками тепла;
• динамико-статистических свойств элементов конвективного ансамбля, образующего тонкую структуру пограничного слоя атмосферы;
Настоящее исследование посвящено систематическому изучению динамических свойств конвективных термиков в неподвижной атмосфере. Конвективные термики представляют существенный метеорологический интерес, т.к. являются базовыми элементами тонкой структуры дневного пограничного слоя. Прикладная значимость этих исследований в значительной степени определяется задачами распространения природного и антропогенного аэрозоля. В естественных условиях развитие конвективных термиков во влажной атмосфере сопровождается процессом облако-образования, а также управляет процессом переноса природного аэрозоля. Существенно, что именно в виде конвективных термиков реализуются многие антропогенные выбросы загрязняющих веществ в атмосферу.
Динамическая теория изолированных конвективных элементов и их распространение в нейтральной и стратифицированной среде, основанная на автомодельных уравнениях Буссинеска, а также уравнение распространения конвективного слоя изложено во второй и третьей главах представленной работы.
Для описания тонкой структуры конвективного пограничного слоя используется динамико-статистический подход. В рамках этого подхода конвективные элементы интерпретируются как стационарные струи или пузыри, при этом ансамбль термиков рассматривается как случайный и характеризуется функцией распределения.
Динамическое развитие струй и пузырей сопровождается формированием двух алгебраических инвариантов, связывающих среднюю вертикальную скорость, температуру, давление и радиус элемента. В приближении слабого взаимодействия конвективных элементов алгебраические инварианты можно рассматривать как универсальные характеристики ансамбля конвективных термиков, позволяющие сократить до одного число независимых аргументов для функции распределения.
Используя статистику Больцмана и асимптотику турбулентного спектра Колмогорова-Обухова, можно получить распределение конвективных термиков по размерам, убедительно соответствующее экспериментальным данным. Реализация этого подхода последовательно изложена в четвертой главе.
В этой главе также исследованы некоторые аспекты процесса переноса аэрозоля в конвективном пограничном слое. В частности указано на существование подобия полей концентрации и температуры в слое смешения, следствием которого является наличие пятнистости в поле концентрации аэрозоля, а также формирование среднего, квазиоднородного по высоте профиля концентрации.
Интенсивная конвекция в дневном пограничном слое оказывает определенное воздействие и на оптические свойства атмосферы. В районах пустынь аридный аэрозоль увлекается конвективными потоками воздуха, в результате чего в пограничном слое формируется подслой с практически.
Заключение
.
Физика пограничного слоя атмосферы содержит как гидродинамическое описание многообразия его движений, так и теорию переноса, трансформации и оптических свойств аэрозоля, входящего в его состав.
Настоящая работа посвящена исследованию тонкой структуры и внутренних термогидродинамических процессов конвективного пограничного слоя атмосферы.
В физике атмосферного аэрозоля выделяют следующие основные задачи:
• задача о трансформации и образовании аэрозоля.
Эта задача исследует трансформацию частиц морской соли в атмосфере влажного воздуха, образование конденсатного континентального аэрозоля из газовых фаз и т. д.
• задача об оптических свойствах аэрозоля и его взаимодействии с излучением.
Эта задача исследует спектральные коэффициенты аэрозольного ослабления, а также влияние концентрации аэрозоля на температуру атмосферы.
• задача о переносе аэрозоля потоками воздуха.
Эта задача, по сути является некоторой вспомогательной задачей динамики атмосферы.
Все три задачи для аэрозоля пограничного слоя атмосферы, в той или иной мере, рассмотрены в настоящей диссертации.
В рамках первой задачи рассмотрена задача о трансформации частиц морской соли в атмосфере влажного воздуха. Согласно наблюдениям капли морской дымки могут существовать, как в виде однородных капель растворов, так и в виде композитных капель, включающих твердое растворимое ядро. При вариациях влажности воздуха размеры капель изменяются в соответствии с условием термодинамического равновесия.
Модификация закона Рауля для концентрированных и умеренно пересыщенных растворов позволило построить решение задачи о равновесном давлении пара над однородной каплей убедительно соответствующее известных экспериментальным данным.
Модификация соотношения Оствальда-Френдлиха для пленок и капель насыщенных растворов, покрывающих твердое растворимое ядро позволило построить решение новой задачи о равновесном давлении пара над композитной каплей.
Термодинамическое решение задач выполнено в рамках вариационного метода Гиббса в форме М. А. Леонтовича, позволяющего также исследовать устойчивость соответствующих решений.
Теоретическое исследование ансамбля растворимых частиц показало, что обводнение морских ядер конденсации происходит практически одновременно по всему спектру частиц Айткена. При этом порог возникновения дымки определяется величиной равновесного давления пара над насыщенным раствором.
В рамках второй задачи рассмотрена зависимость коэффициента аэрозольного ослабления в видимом диапазоне спектра. Для коэффициента аэрозольного ослабления морской дымки в видимом диапазоне спектра использовано соотношение, аналогичное по форме коэффициенту экстин-ции молекулярного раствора. Соображения теории размерности позволяют построить теоретическую зависимость коэффициента аэрозольного ослабления от длины волны и относительной влажности. Обработка экспериментальных данных показала, что изменение оптических свойств морской дымки определяется трансформацией усредненной аэрозольной частицы. При этом наблюдаемые значения коэффициента аэрозольного ослабления указывают на существование термодинамического гистерезиса, связанного с изменением размеров эффективной частицы дымки, в зависимости от увеличения или уменьшения влажности воздуха.
Следует заметить, что полученные результаты могут быть использованы для аэрозольных дымок, образование которых связано с обводнением твердых растворимых частиц произвольного химического состава. При этом форма коэффициента ослабления обратно пропорциональна длине световой волны и прямо пропорциональна концентрации аэрозольных частиц в единицы объема. Это обстоятельство позволяет реализовать метод грубой оценки загрязнения атмосферы по оптическим измерениям видимости.
В рамках третьей задачи исследованы некоторые аспекты процесса переноса аридного аэрозоля в конвективном пограничном слое. В частности указано на существование подобия полей концентрации и температуры в слое смешения, следствием которого является наличие пятнистости в поле концентрации аэрозоля, а также формирование среднего, квазиоднородного по высоте профиля концентрации, с практически постоянным коэффициентом аэрозольного ослабления.
Адекватное описание динамики и тонкой структуры пограничного слоя атмосферы является весьма актуальной и важной проблемой в связи с задачами:
• построения параметризацией физических процессов в численных моделях крупномасштабного прогноза погоды;
• распространения и переноса природного аэрозоля и антропогенных загрязняющих веществ в атмосфере;
• формирования конвективной облачности и осадков;
Все три вышеупомянутые задачи пограничного слоя атмосферы в той или иной мере рассмотрены в настоящей диссертации.
В рамках первой задачи предложено обоснование универсального соотношения, связывающего высоту подъема конвективного фронта в нейтральной и устойчиво стратифицированной атмосфере с потоком тепла на плоской горизонтально однородной подстилающей поверхности, произвольно изменяющегося со временем. Предложенное уравнение адекватно описывает глубину проникновения конвекции, и соответствуют существующим экспериментальным данным в достаточно широком временном диапазоне. Рассмотренное уравнение является естественным обобщением уравнений теории Дирдорффа на случай устойчиво и нейтрально стратифицированной среды.
Изложенные результаты имеют непосредственное приложение к описанию суточного хода высоты конвективного пограничного слоя атмосферы и соответственно суточного хода концентрации субмикронной фракции аэрозоля.
Заметим, что непосредственное описание процессов проникающей конвекции численными моделями среднесрочного прогноза погоды и общей циркуляции атмосферы, использующих приближение квазистатики и шаг сетки порядка 10−100 км, в принципе невозможно ввиду принятых приближений и несоизмеримости масштабов. Поэтому описание проникающей конвекции в крупномасштабных моделях возможно только параметрически. При этом уравнение распространения конвективного фронта служит существенным элементом параметризации дневного пограничного слоя для крупномасштабных численных моделей.
В рамках второй задачи рассмотрены элементы теории стационарных и нестационарных струй в нейтральной и устойчиво стратифицированной атмосфере. Изложенная теория включает обоснование универсального соотношения, связывающего высоту подъема конвективного фронта в нейтральной и устойчиво стратифицированной атмосфере с потоком тепла на подстилающей поверхности, произвольно изменяющимися со временем, для случаев точечных и линейных тепловых источников.
Существенно, что полученные уравнения являются естественным дополнением теории Дирдорффа на случай точечных и линейных источников тепла, а также на ситуацию нейтрально стратифицированной среды.
Использование полученных универсальных уравнений позволяет найти классы автомодельных решений уравнений Буссинеска, соответствующих нестационарным конвективным струям, над точечными и линейными источниками.
Нестационарные модели конвективных струй в нейтральной и стратифицированной среде связаны, в основном, с процессами техногенного характера. Типичным примером нестационарной конвективной струи служат тепловые выбросы над коллекторами сгорания. Другим примером конвективных струй служат дозвуковые утечки природного газа, возникающие при некоторых типах повреждений подводных газопроводов, связанных с коррозией и усталостными трещинами. Существенно, что в окрестности повреждений образуется облако, состоящее из множества мелких пузырьков подъем которых на поверхность определяется действием архимедовых сил. Поэтому описание «пузырькового режима» утечки газоконденсата может быть реализовано в рамках теории нестационарных конвективных струй.
Стационарные конвективные струи имеют естественное происхождение и реализуются в дневном пограничном слое при нагревании поверхности солнечными лучами.
Для нестационарных струй предложенное универсальное соотношение распространения конвективного фронта позволяет по оптическим наблюдениям над высотой распространения конвекции определить интегральную мощность теплового выброса. Полученные автомодельные решения могут найти широкие приложения при описании промышленных тепловых выбросов в атмосферу, разрывов подводных газопроводов, горению нефти на поверхности воды и т. д.
Для неограниченных стационарных струй над точечным тепловым источником, распространяющихся в неустойчивой и нейтральной атмосфере, выполненные исследования показывают, что отношение кинетической и потенциальной энергии, а также отношение модифицированного давления и кинетической энергии остаются постоянными вдоль всей оси симметрии струи.
В случае, когда стационарный источник тепла сопровождается выбросом пассивной примеси, существует алгебраическая связь концентрации примеси и температуры на оси струи. Синхронное измерение температуры и концентрации на заданном расстоянии от источника, позволяют вычислить отношение мощности выброса поллютанта и теплового выброса.
Наличие алгебраических соотношений, связывающих скорость, температуру, давление и пассивную примесь в каждом сечении стационарной струи в нейтральной атмосфере, а также соотношения связывающего высоту струи и мощность теплового источника представляет определенный интерес в связи с задачами мониторинга распространения примеси в окружающей среде.
В рамках третьей задачи реализовано конструктивное описание распределения конвективных термиков по размерам. В основу распределения положены алгебраические инварианты для струй и пузырей и известные спектральные закономерности турбулентности. Полученное статистическое распределение представляет интерес для построения количественной оценки общего запаса влаги в системе мелких конвективных облаков, а также для вычисления количества осадков. Эти данные необходимы для построения адекватных параметризацией гидрологического и энергетического циклов в задачах атмосферной циркуляции, а также для описания процессов «вымывания» легких растворимых поллютантов из свободной атмосферы.
Полученные в диссертации результаты имеют общее геофизическое значение и могут быть полезны при параметризации физических процессов в задачах численного прогноза погоды и общей циркуляции, в задачах.