Нано-и микромасштабные частицы в волновых явлениях в системе тропосфера-стратосфера-ионосфера

Актуальность темы

В настоящее время проводятся многочисленные исследования, посвященные нанои микромасштабным частицам в атмосфере. Источники и стоки частиц, их свойства, географическое и высотное распределение важны с точки зрения влияния на экологическую и климатическую обстановку, на электромагнитные процессы, протекающие в атмосфере, на её оптические свойства, а также на здоровье человека. Многочисленные работы [1, 2, 3, 4] посвящены изучению естественных и антропогенных источников нанои микромасштабных частиц в атмосфере, механизмам подъема пылевых частиц от земной поверхности на высоты околоземного слоя (до 1,5 км) [5, 6, 7, 8], а также их глобальному транспорту [10,11,12].

В настоящей работе наномасштабными будем называть частицы с размерами от 1 до 1000 нм, а микромасштабными — частицы с размерами от 1 до 1000 мкм. Такая классификация принята в науках о Земле, что обусловлено, в частности, давней историей наблюдения наномасштабных структур в природе, когда методы исследования и физические основы описания структур с размерами от 1 до 100 нм ещё не были развиты.

Среди исследований, возникающих при изучении нанои микромасштабных частиц в среде обитания человека, можно выделить несколько направлений. Во-первых, это задачи, связанные с изучением элементарных процессов, к которым относятся образование зародышей (нуклеация) из малолетучих газов, дальнейшая конденсация, коагуляция или химические реакции, приводящие к росту частиц и образованию частиц разных диапазонов размеров, а также динамика частиц в атмосфере.

Важной задачей также является изучение изменения потока аэрозолей в атмосферу со временем. Из сравнительного анализа данных по количеству нанои микрочастиц, поступающих в атмосферу в разные годы, можно делать выводы о том, какую тенденцию имеет наличие пылевых частиц в атмосфере. Необходимо накапливать статистику по атмосферным частицам, в частности, надо учитывать региональное и высотное распределение частиц. Имея такие данные, можно делать выводы о связи каких-либо локальных событий, способствующих изменению потока нанои микромасштабных частиц (или их свойств), с глобальными характеристиками атмосферы.

Существенной проблемой геофизики является описание механизмов переноса нанои микромасштабных пылевых частиц в системе тропосфера-стратосфера-ионосфера. В результате естественных процессов и деятельности человека основной объем поступающих в атмосферу пылевых частиц приходится на околоземный слой. Дальнейшая эволюция пылевых частиц зависит от множества факторов, таких, как размер и форма частиц, их плотность, химический состав, а также метеорологические характеристики атмосферы в области локализации нанои микромасштабных частиц. Вместе с воздушными массами частицы могут переноситься на расстояния, сравнимые с диаметром Земли, в результате конвективных процессов в тропосфере пылевые частицы из приземного слоя могут распределяться до высот 10−16 км. Определенные сложности представляет преодоление тропопаузы, поскольку практически нулевой градиент температуры затрудняет конвекцию. Вопросу подъема тропосферных воздушных масс на стратосферные высоты посвящены работы [13, 14]. Эти исследования во многом связаны с изучением распределения озона и других газов, содержащихся в воздухе в небольшом процентном отношении, но играющих важную роль в радиационном и энергетическом балансе атмосферы. Перенос вещества и, в частности, пыли на стратосферные высоты иногда связывают с мощной конвекцией в тропических широтах [13]. При этом следует иметь в виду, что в случае типичного для земной атмосферы протекания процесса конвекции перенос вещества за счет этого процесса на стратосферные высоты затруднен из-за малого градиента температуры в области тропопаузы. Вследствие положительного градиента температуры в стратосфере конвективные движения в обычных условиях отсутствуют, и перемещение воздушных масс происходит преимущественно горизонтально согласно картине глобальной циркуляции.

Имеется ряд фактов, свидетельствующих о возможности переноса нанои микромасштабных частиц из тропосферы в стратосферу и ионосферу. Прежде всего, первые наблюдения серебристых облаков в 1885 г., представляющих собой пылевые структуры в нижней ионосфере на высотах 82−85 км [15], часто связывают с возникновением большого количества пыли в атмосфере Земли в результате чрезвычайно мощного извержения вулкана Кракатау в 1883 г. [16]. Считается [17], что в результате пожаров, вызванных региональным конфликтом с применением ядерного оружия (50 ядерных зарядов по 15 килотонн каждый), частицы сажи могут подниматься до стратосферных высот, приближаясь к верхней части стратосферы. Наличие выбросов дыма в стратосферу от лесных пожаров подтверждается данными наблюдений [10, 18].

В ряде климатических моделей, используемых для описания подъема пыли на стратосферные высоты в результате мощной конвекции, зачастую используется приближение, в котором горизонтальное разрешение в расчетах оказывается относительно грубым [17]. При этом атмосферная конвекция происходит в пространственных масштабах, меньших, чем позволяет указанное приближение, и данное приближение может оказаться неадекватным для описания подъема пыли в стратосферу. Далее, в модели [17], описывающей подъем частиц сажи, образовавшейся в результате пожаров, вызванных региональным конфликтом с применением ядерного оружия, существенным фактором, влияющим на интенсивное вертикальное перемещение частиц на большие высоты, является их нагрев коротковолновым электромагнитным излучением. Отметим, что и вулканический пепел (частицы материала земной коры, называемые также «тефра»), и более мелкие сульфатные аэрозоли имеют намного больший индивидуальный параметр рассеивания (альбедо), чем дым от ядерных пожаров. Таким образом, они поглощают намного меньше радиации и, следовательно, проявляют слабую способность к подъему вверх [19].

Приведенные выше факты указывают на важность поиска других механизмов подъема пыли, которые могли бы объяснить ее появление в стратосфере и в случае не столь сильных воздействий на атмосферу, каковыми являются ядерные взрывы и мощные извержения вулканов. При этом должен учитываться тот факт, что конвективный перенос вещества может приводить к концентрации пыли в верхней тропосфере [13].

Наличие нанои микромасштабных частиц на высотах более 50 км вносят существенные изменения в динамику ионосферной плазмы [20, 21]. В результате взаимодействия с окружающей ионосферной плазмой и солнечным излучением пылевые частицы заряжаются. Этот эффект сопровождается заметными вариациями концентраций ионов и электронов в областях локализации пылевых частиц [15]. Все это приводит к изменению дисперсионных свойств плазмы, что влияет на распространение электромагнитных волн в атмосфере Земли. Помимо влияния на заряженную компоненту ионосферы пылевые частицы могут влиять и на ее химический состав, в частности, на содержание в ионосфере металлов [22]. Твердые поверхности частиц могут играть роль катализатора в гетерогенной химии [23]. Отметим, в частности, каталитическое образование молекул воды на поверхности наномасштабной частицы. Этот эффект может приводить к повышению концентрации воды в области локализации пылевых частиц, что в свою очередь обуславливает рост частиц, т. е. приводит к появлению отрицательной обратной связи. Таким образом, знание о процессах переноса пыли в ионосфере, влияющих на положение областей ее локализации имеет существенное значение.

Происхождение мелкодисперсных пылевых частиц в ионосфере связано прежде всего с метеорным веществом, поток которого на Землю составляет несколько десятков тонн в день [24]. Выпадают преимущественно сантиметровые тела, которые сгорают (испаряются) на высотах 70−120 км [25]. Пары метеорного вещества конденсируются, приводя к появлению в ионосфере мелкодисперсных (smoke) наномасштабных частиц с концентрациями, как о правило, превышающими 10 см". Наибольшие концентрации таких частиц, большие или порядка 104 см" 3, достигаются на высотах 80−90 км [26]. Наномасштабные частицы могут также попадать в ионосферу из нижней атмосферы вследствие конвективного переноса частиц сажи от лесных пожаров и частиц вулканического происхождения. В летней полярной мезосфере с конца мая по конец августа на высотах около 80−95 км образуются тонкие (порядка 1 км) пылевые слои, известные как серебристые облака и полярные мезосферные радиоотражения [27]. Происхождение составляющих эти слои наномасштабных частиц связано с процессом конденсации водяных паров. Таким образом, согласно имеющимся представлениям (см. также [28]), наномасштабные пылевые частицы природного происхождения присутствуют в нижней ионосфере на высотах 80−120 км. Частицы обычно группируются в облака. Характерная толщина пылевого облака составляет величину порядка 1 км, протяженность по горизонтали — порядка 10−100 км.

Экспериментальное исследование нижней ионосферы (80−120 км) затруднено, поскольку эти высоты уже недостижимы для стратостатов, и в то же время недосягаемы для искусственных спутников Земли (воздух ещё не достаточно разрежен), единственным источником экспериментальных данных являются пролетные ракетные эксперименты.

Наличие нанои микромасштабных пылевых частиц на различных высотах в системе тропосфера-стратосфера-ионосфера имеет глобальное влияние. Одним из явлений, на которое могут оказывать влияние пылевые частицы, являются глобальные электромагнитные резонансы — шумановские резонансы [29]. Электромагнитные колебания возбуждаются в концентрической сферической полости, образованной поверхностью Земли и нижней границей ионосферы. На поверхности Земли наблюдается спектр волн, которые целое число раз укладываются вдоль окружности земного шара, что соответствует частотам около 8 Гц, 14 Гц, 20 Гц, 26 Гц, 32 Гц. Шумановские резонансы — это стабильные, достаточно длительные, глобальные колебания, представляющие собой типичный естественный дневной фон биосферы. Возбуждаются колебания преимущественно грозовыми разрядами, которых происходит порядка сотни в секунду. Собственные частоты резонатора зависят от электромагнитных свойств его стенок, что дает возможность исследовать ионосферу на основе анализа спектра шумановских резонансов.

Интерес к шумановскому резонатору возрос в 1990;х годах, после того как обнаружилась возможность использования шумановских резонансов в качестве глобального тропического термометра [30]. Интерес к этим колебаниям обусловлен также тем, что их частоты попадают в диапазон собственных колебаний биотоков мозга: альфа-ритма (8−13 Гц) и бета-ритма (13−30 Гц) и поэтому могут быть биологически значимыми [31]. Нано-микромасштабные пылевые частицы, присутствующие в тропосфере могут оказывать влияние на источники, возбуждающие колебания, а ионосферные пылевые частицы приводят к изменению дисперсионных свойств верхней стенки шумановского резонатора.

Цель работы. Целью диссертационной работы является выявление роли нанои микромасштабных частиц в волновых процессах в системе тропосфера-стратосфера-ионосфера. Ставится целью построение классификации пылевых частиц в атмосфереопределение механизмов межгеосферного переноса нано-и микромасштабных частиц в атмосфере, в частности, вертикального переноса между тропосферой и стратосферой, а также вертикального перемешивания пылевых частиц с помощью вихревых движений на ионосферных высотахкроме того, в качестве глобального проявления нанои микромасштабных частиц в атмосфере на разных высотах ставится целью определение механизмов их воздействия на шумановские резонансы.

Научная новизна. Впервые развита теория, описывающая взаимодействие атмосферных нанои микромасштабных частиц с крупномасштабными атмосферными вихрями, вращающимися со скоростью, меньшей скорости вращения Земли. Показано, что атмосферные вихри, перемещающиеся горизонтально со скоростью, имеющей северную компоненту, могут захватывать и переносить пылевые частицы. В результате указанного процесса нанои микромасштабные частицы из верхней тропосферы могут быть перенесены в нижнюю стратосферу при условии прохождения вихрем области, где тропопауза резко изменяет свою высоту.

Впервые показано, что в реальной атмосфере, не являющейся адиабатической и изотермической, возникает неустойчивость АГ волн, связанная с ненулевым балансом потоков тепла за счет солнечного излучения, конденсации паров воды, инфракрасного излучения атмосферы и теплопроводности. Показано, что инкремент неустойчивости для структур с размерами порядка эффективной глубины атмосферы возрастает до высоты 110 км.

Впервые показано, что в результате взаимодействия пылевых частиц с акустико-гравитационными вихрями, образующимися на ионосферных высотах, нанои микромасштабные частицы, составляющие преимущественно слоистые структуры толщиной порядка километра, распределяются по области существования вихрей, определяемой условиями развития неустойчивости. Показано, что в результате нелинейного взаимодействия с дипольными вихрями, образованными пылевыми частицами, могут генерироваться потоки пыли в вертикальном направлении — стримеры.

Впервые рассмотрено влияние нанои микромасштабных частиц в атмосфере на глобальные электромагнитные колебания. Показано, что присутствующие в ионосфере пылевые частицы приводят к уменьшению собственных частот и добротности резонатора, уменьшая плотность энергии в полости резонатора. Присутствующие в тропосфере нанои микромасштабные частицы оказывают влияние на грозовую активность. При увеличении интенсивности грозовой активности происходит накачка энергии в полость шумановского резонатора. Присутствующие на стратосферных высотах сульфатные пылевые частицы приводят к уменьшению среднегодовой температуры поверхности Земли, что вызывает уменьшения плотности энергии в полости резонатора. Этот эффект обусловлен связью грозовой активности, возбуждающей колебания, с температурой поверхности Земли.

Практическая ценность. Результаты диссертации могут быть использованы широким кругом специалистов, занимающихся изучением свойств нанои микромасштабных частиц в атмосфере Земли, проблемами глобального переноса пылевых частиц, задачами, связанными с подъемом пыли от лесных пожаров и конфликтов с применением ядерного оружия, влиянием на радиационный баланс и климат Земли, оптические свойства атмосферы, проблемой Атмосферных Коричневых Облаков и прочими экологическими проблемами. Кроме того, полученные результаты важны с точки зрения исследования нижней ионосферы, распространения радиоволн, источников электромагнитного излучения, резонансных явлений, для ученых, занимающихся процессами, происходящими в активных геофизических экспериментах (например, при инжекции в околоземную плазму вещества со спутников или геофизических ракет). Результаты могут быть полезны при изучении развития неустойчивостей в ионосферной плазме и нейтральной атмосфере на более низких высотах, вихревых движений в тропосфере, стратосфере и ионосфере, а также при изучении состава и химических свойств нанои микромасштабных частиц в ионосфере Земли. Некоторые результаты могут быть использованы при изучении явлений, происходящих на других планетах и их спутниках.

Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертации, докладывались на Международной конференции «Mode Conversion, Coherent Structures and Turbulence» (Москва, Россия, 2004), на XLVII научной конференции Московского физико-технического института (Москва-Долгопрудный, Россия, 2004), на XLVIII научной конференции Московского физико-технического института (Москва-Долгопрудный, Россия, 2005), на XXXIII Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС (Звенигород, Россия, 2006), на Генеральной ассамблее геофизического научного сообщества (Вена, Австрия, 2006), на XLIX научной конференции Московского физико-технического института (Москва-Долгопрудный, Россия, 2006), на XXXIV Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, (Звенигород, Россия, 2007), на Генеральной ассамблее геофизического научного сообщества (Вена, Австрия, 2007), на Молодёжной научной конференции «Физика и прогресс», (Санкт-Петербург, 2007), на Европейском планетарном конгрессе (Мюнстер, Германия, 2008), на 50ой научной конференции Московского физико-технического института (Москва-Долгопрудный, Россия, 2007), на Генеральной ассамблее геофизического научного сообщества (Вена, Австрия, 2008), на XXXV Международной (Звенигородской) конференции по физике плазмы и УТС, (Звенигород, Россия, 2008), на Генеральной ассамблее геофизического научного сообщества (Вена, Австрия, 2009), на Питерском воздушном конгрессе «Атмосфера — 2009» (Санкт-Петербург, 2009), на Европейском планетарном конгрессе (Потсдам, Германия, 2009). Также, основные результаты докладывались на научных семинарах в Казанском Государственном Университете, Московском физико-техническом институте и Институте динамики геосфер Российской Академии наук.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. Она изложена на 126 стр. машинописного текста и иллюстрирована 43 рисунками. Библиография включает 122 наименование литературных источников.

3.4 Выводы.

Итак, изучено влияние нанои микромасштабных частиц на характеристики шумановских резонансов. Показано, что наличие пылевых частиц в полости Земля-ионосфера существенно влияет на грозовую активность и может ее усиливать. Между грозовой активностью и амплитудой шумановских резонансов существует прямая зависимость, таким образом, увеличение концентрации нанои микромасштабных частиц в атмосфере может привести к накачке энергии в резонатор. Например, при мощном вулканическом извержении амплитуда шумановских резонансов может возрасти в несколько раз. Кроме того, присутствие пылевых частиц в атмосфере отражается на среднегодовой температуре у поверхности Земли. Например, в случае сильного извержения вулкана может наблюдаться заметное понижение среднегодовой температуры. Поскольку наблюдается корреляция между амплитудой шумановских резонансов и температурой поверхности, то это может привести к уменьшению плотности энергии в резонаторе. Показано, что наличие микромасштабных частиц в нижней ионосфере меняет ее дисперсионные свойства, что приводит к уменьшению добротности и резонансных частот. Поскольку первые моды шумановского резонатора возможно имеют биологическое значение, то существенное их изменение может отразиться на здоровье человека.

Заключение

.

1. Построена классификация нанои микромасшатбных частиц в атмосфере по их основным источникам. Особое внимание уделено следующим техногенным источникам нанои микромасштабных частиц: топливно-энергетические комплексы (ТЭЦ, котельные, работающие на угле), нефтегазовые предприятия, горнодобывающие и горнообрабатывающие комплексы, автотранспорт и дизельный транспорт, промышленно-индустриальные предприятия, лесные пожары, авиация и ракетная техника. Практически все источники поставляют частицы в околоземный слой, а при благоприятной стратификации — в тропосферу на высоты более 2 км. Авиация, ракетная техника и лесные пожары, вносят также вклад в загрязнение стратосферы на высотах более 10−15 км. Ракетные запуски приводят к загрязнению ближайшего геокосмоса.

2. Предложен механизм переноса нанои микромасштабных частиц из тропосферы в нижнюю стратосферу посредством вихрей синоптического масштаба, моделируемых солитонными решениями уравнения Чарни-Обухова (вихрями Россби). Показано, что частицы с размерами менее десяти микрометров находятся в циклоническом вихре Россби в течение времени порядка времени жизни вихря, что позволяет частицам переноситься на расстояния до нескольких тысяч километров в горизонтальном направлении. В субтропической области высота тропопаузы резко (на несколько километров) уменьшается при движении от экватора к полюсу Земли. Скорость циклонических вихрей имеет ненулевую составляющую в этом направлении. Таким образом, даже в случае горизонтального перемещения достаточно высокие циклонические вихри синоптического масштаба могут переносить захваченные ими в верхней тропосфере нанои микромасштабные частицы в нижнюю стратосферу.

3. Показано, что в реальной атмосфере, не являющейся адиабатической, возникает неустойчивость АГ волн, связанная с ненулевым балансом потоков тепла за счет солнечного излучения, конденсации паров воды, инфракрасного излучения атмосферы и теплопроводности. Построены дисперсионные поверхности для 4 ветвей АГ волн в диапазоне высот от 5 км до 130 км. Показано, что инкремент неустойчивости для структур с размерами порядка эффективной глубины атмосферы увеличивается с высотой до высоты 110 км, причем значения действительной и мнимой части частот становятся сравнимыми на высоте порядка 80 км.

4. Показано, что возбуждение АГ вихрей на высотах 110−130 км в результате развития конвективной неустойчивости АГ волн приводит к существенному переносу пылевых частиц и их перемешиванию на высотах 110−120 км. Слои пылевых частиц в ионосфере толщиной порядка километра, образующиеся на высотах, меньших 120 км, распределяются по области существования АГ вихревых структур. В результате на высотах 110−120 км могут образовываться пылевые вихри. Оказывается возможным перенос частиц на высоты до 130 км. Показано, что одним из механизмов переноса пылевых частиц в ионосфере являются вертикальные потоки (стримеры), генерируемые пылевыми вихрями в результате развития параметрической неустойчивости.

5. Показано, что присутствующие в ионосфере пылевые частицы приводят к уменьшению собственных частот и добротности шумановского резонатора, уменьшая плотность энергии в полости резонатора. Присутствующие в тропосфере нанои микромасштабные частицы оказывают влияние на грозовую активность. При увеличении интенсивности грозовой активности происходит накачка энергии в полость шумановского резонатора. Присутствующие на стратосферных высотах сульфатные пылевые частицы приводят к уменьшению среднегодовой температуры поверхности Земли, что вызывает уменьшение плотности энергии в полости резонатора. Этот эффект обусловлен связью грозовой активности, возбуждающей колебания, с температурой поверхности Земли.

В заключение автор выражает благодарность доктору физико-математических наук С. И. Попелю за руководство работой.