CC BY
36
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
«НАУКА. ИННОВАЦИИ. ТЕХНОЛОГИИ», № 4, 2018
25.00.29
ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ГИДРОСФЕРЫ
ДИДЕНКО А.Ю., СИМАХИНА М.А., ВОЛКОВА В.И., ЗАКИНЯН А.Р.
УДК 551.513.22
Северо-Кавказский федеральный университет, г. Ставрополь, Россия
zakinyan@mail.ru
Введение:
Материалы и методы:
Результаты исследования:
Обсуждение и заключение:
Ключевые слова:
К ПРОБЛЕМЕ ИСКУССТВЕННОГО СТИМУЛИРОВАНИЯ КОНВЕКЦИИ В АТМОСФЕРЕ
вынужденный подъем значительных масс воздуха осуществить искусственно трудно или осуществление такого подъема будет, по крайней мере, экономически нерентабельно, так как потребует затраты большого количества энергии. Воздействия на метеорологические процессы имеют смысл, т.е. практически могут быть осуществлены только на неустойчивые состояния облаков или атмосферы, потенциальная энергия которых может реализоваться в нужном направлении за счет существенно меньших энергетических затрат. Иными словами, искусственно создать в атмосфере восходящие движения протяженностью, достаточной для развития или интенсификации процессов облако- и осадкообразования, в настоящее время можно только используя потенциальную энергию конвективной неустойчивости атмосферы. Эта энергия может реализоваться в виде восходящих движений (конвективных потоков) в результате нагрева у поверхности земли сравнительно небольших объемов воздуха.
Для прогноза параметров облачной конвекции используется данные радиозондирования, которые наносятся на аэрологическую диаграмму. Как правило, при этом делается допущение, что скорость восходящих потоков и перегрев на уровне конденсации равны нулю. Но это не всегда так. Поэтому представляется важным определить, как параметры приземного слоя влияют на значения параметров облачной конвекции на уровне конденсации.
В работе рассматривается проблема искусственного стимулирования конвекции с целью развития облачной конвекции. Дан обзор современного состояния данной проблемы. Приводятся факты, когда искусственно созданная конвекция вызывала облако, сопровождающее дождем. Эти факты стимулировали научные эксперименты с целью разработки научных основ воздействия на облака и атмосферу с целью искусственного увеличения осадков. Несмотря на многочисленные эксперименты, мы не можем в настоящее время утверждать о положительном результате воздействий. Более того мы не можем на идейном уровне утверждать, что у нас есть научные принципы искусственного стимулирования конвекции с целью образования кучево-дождевой облачности. Поэтому в настоящей работе приводится оценка возможности влияния искусственно созданной приземной конвекции на развитие облачной конвекции.
учет влажности подоблачного слоя приводит не только к количественным изменениям критериев, определяющих параметры облачной конвекции на уровне конденсации, но и качественным изменениям. Мы видим, что существенное влияние на параметры облачной конвекции на уровне конденсации имеет не столько значение абсолютной влажности подоблачного слоя, сколько градиент массовой водяного пара в подоблачном слое. Если приземный слой атмосферы от уровня земли до уровня конденсации имеет градиент температуры, равный Y = Yт , то все попытки искусственного стимулирования за счет нагрева безуспешны. Если же толщина задерживающих слоев меньше указанного слоя, то они могут быть пробиваемы. искусственное стимулирование конвекции, искусственное увеличение осадков, критический размер термика, характеристики поверхностного слоя атмосферы, уровень конденсации, облачная конвекция.
Didenko A.Yu., Simakhina M.A., Volkova V.l., Zakinyan A.R
North Caucasus Federal University,
Stavropol, Russia
Introduction:
Materials and Methods:
Results of the research:
Discussion and conclusion:
Keywords:
To a problem of artificial stimulation of convection in atmosphere
forced lifting of large air masses is artificially difficult or such lifting will be, at least, economically unprofitable, as it will require the expenditure of large amounts of energy. Impacts on meteorological processes make sense, i.e. can practically be realized only on unstable states of clouds or the atmosphere, the potential energy of which can be realized in the right direction due to much lower energy costs. In other words, it is possible to artificially create upward movements in the atmosphere with a length sufficient to develop or intensify the processes of cloud and sedimentation, currently only using the potential energy of the convective instability of the atmosphere. This energy can be realized in the form of ascending movements (convective flows) as a result of heating relatively small volumes of air near the surface of the earth. To predict the parameters of cloud convection, radiosonde data is used, which are plotted on the upper-air diagram. As a rule, it is assumed that the rate of ascending flows and overheating at the level of condensation are zero. But it's not always the case. Therefore, it is important to determine how the parameters of the surface layer affect the values of the parameters of cloud convection at the level of condensation. The paper deals with the problem of artificially stimulating convection in order to develop cloud convection. An overview of the current state of this problem is given. The facts are cited when artificially created convection caused a cloud accompanying the rain. These facts stimulated scientific experiments in order to develop the scientific basis for influencing clouds and the atmosphere in order to artificially increase precipitation. Despite numerous experiments, we cannot at present claim a positive result of the effects. Moreover, at the ideological level, we cannot assert that we have the scientific principles of artificially stimulating convection in order to form cumulonimbus clouds. Therefore, this paper presents an assessment of the possible influence of artificially created surface convection on the development of cloud convection.
taking into account the humidity of the sub-cloud layer leads not only to quantitative changes in the criteria that determine the parameters of cloud convection at the level of condensation, but also to qualitative changes. We see that a significant effect on cloud convection parameters at the level of condensation is not so much the value of the absolute humidity of the sub-cloud layer, as the mass water vapor gradient in the sub-cloud layer.
If the surface layer of the atmosphere from the ground level to the level of condensation has a temperature gradient equal to, then all attempts at artificial stimulation due to heating are unsuccessful. If the thickness of the retaining layers is less than the specified layer, then they can be punched.
Artificial stimulation of convection, artificial augmentation of deposits, the critical dimension TepMUKa, characteristics of surface layer of atmosphere, condensation level, cloudy convection.
Введение
Первые сведения, относящиеся к искусственному стимулированию атмосферной конвекции, относятся к далекой древности. Отметим некоторые примеры, которые приводятся в известном учебнике Л.Г. Качури-на [3].
В описании осады крепости, имевшей место в 429 г. до н. э., можно прочесть о том, как «осаждающие, навалив у крепостных стен связки хворосту, подожгли их горячей смесью серы и смолы. Поднялось пламя, такое вы-
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
К проблеме искусственного стимулирования конвекции в атмосфере Диденко А.Ю., Симахина М.А., Волкова В.И., Закинян А.Р.
сокое, какого еще никогда не видели, по крайней мере, из зажженных человеком. Немного нужно было, чтобы защитники города, которые избежали других опасностей, погибли от огня. Если бы ветер раздул пожар, как надеялись осаждающие, никто не остался бы в живых. Но начался сильный дождь, сопровождаемый громом, который погасил огонь и уничтожил опасность».
Здесь следует обратить внимание, что начавшийся дождь был не случайным совпадением, а вызван искусственно созданным облаком.
Более того, ряд народов Центральной Америки и Экваториальной Африки, обнаружив, что пожары в прериях и саваннах часто приводят к образованию облаков, дающих дождь, стали во время засух поджигать траву или кустарники, чтобы вызвать осадки [1, 2].
Во время второй мировой войны, 27 июля 1943 г., около полуночи американские самолеты сбросили на Гамбург несколько тысяч тонн фугасных и зажигательных бомб. Город вспыхнул. Пожар по своей теплотворной способности был эквивалентен горению примерно миллиона тонн горючего. Налет был совершен в сухую устойчивую погоду, не предвещавшую развития конвекции, тем более ночью. Однако нагретый воздух образовал над городом гигантский восходящий вихревой столб со скоростями в несколько десятков метров в секунду. О силе вихря можно судить по тому, с какой легкостью ураган выкорчевывал и высоко подбрасывал деревья. В несколько минут образовалось громадное кучево-дождевое облако, и начался ливневый дождь, который, однако, не смог погасить пожар, а лишь способствовал дезорганизации обороны.
Здесь мы опять замечаем, что искусственно созданное облако вызвало дождь.
Атомная бомба, взорванная над Хиросимой 6 августа 1945 г., зажгла гигантский костер и вызвала бурю, завершившую уничтожение города. В марте 1965 г. над подожженными напалмом вьетнамскими джунглями образовалось гигантское облако, которое разразилось ливнем, быстро погасившем начавшийся было пожар.
Более скромны по масштабам и результативности опыты по преднамеренному стимулированию конвекции в атмосфере в мирных целях.
Начиная с 50-хгодов прошлого века в ряде стран (Франция, СССР) разрабатываются метеотроны, представляющие собой систему камер сгорания с регулируемым режимом работы. Такие метеотроны предназначаются для вызывания (или интенсификации) осадков [1-3, 5].
При благоприятных метеоусловиях над метеотроном возникает искусственное кучевое облако, имеющее все основные признаки кучево-дож-девого.
Вместо того чтобы сжигать топливо, можно создавать перегрев воздуха у поверхности земли на отдельных участках путем изменения теплового баланса поверхности земли. С этой целью надо по возможности увеличить пог-
лощательную способность поверхности, особенно в области коротковолновой радиации, уменьшить излучательную способность в области собственного излучения Земли и уменьшить тепловой поток в почву.
Отметим, что отсутствие убедительных оценок результативности опытов по искусственному увеличению осадков путем засева их кристаллизующим реагентом (йодистым серебром) подтолкнуло ряд ученых к поискам других методов воздействия на облака с целью получения дополнительных осадков. Таким методом является, в частности, так называемый метод динамического воздействия на облака, основанный на искусственном создании в атмосфере восходящих движений и использованием конвективной неустойчивости атмосферы и облаков [1].
Известно, что практически все естественно происходящие осадкообра-зующие процессы связаны с восходящими движениями в атмосфере, в процессе которых поднимающийся воздух охлаждается и на некоторой высоте его температура достигает точки росы. При этом создаются условия для конденсации водяного пара в капельки воды или сублимации в ледяные кристаллы при наличии ядер конденсации или замерзания.
В природе восходящие движения, обусловливающие развитие облаков до стадии выпадения осадков, возникают в зонах фронтальных разделов (вынужденный подъем воздуха) или в результате нагрева солнцем земной поверхности, что приводит к образованию над ней неустойчивого слоя, в котором происходит всплывание отдельных масс воздуха (свободная конвекция) до уровня конденсации. В горных районах также может иметь место вынужденный подъем воздуха, обусловленный орографией местности.
Очевидно, что вынужденный подъем значительных масс воздуха осуществить искусственно трудно или осуществление такого подъема будет, по крайней мере, экономически нерентабельно, так как потребует затраты большого количества энергии. Воздействия на метеорологические процессы имеют смысл, т.е. практически могут быть осуществлены только на неустойчивые состояния облаков или атмосферы, потенциальная энергия которых может реализоваться в нужном направлении за счет существенно меньших энергетических затрат. Иными словами, искусственно создать в атмосфере восходящие движения протяженностью, достаточной для развития или интенсификации процессов облако- и осадкообразования, в настоящее время можно только используя потенциальную энергию конвективной неустойчивости атмосферы. Эта энергия может реализоваться в виде восходящих движений (конвективных потоков) в результате нагрева у поверхности земли сравнительно небольших объемов воздуха.
Целью настоящей статьи является провести оценку возможности искусственного стимулирования конвекции, на основе разработанной двумерной модели конвекции влажного воздуха в слое от поверхности земли до уровня конденсации.
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
K проблеме искусственного стимулирования конвекции в атмосфере Диденко А.Ю., Симахина М.А., Волкова В.И., Закинян А.Р.
Материалы и методы исследования
Критический размер термика определяется по формуле:
_ й
Гсг~^ГоГ~ , (1)
где d - толщина слоя конвекции, в нашем случае это высота до
уровня конденсации; Racr = 657,511 - критическое число Рэлея.
Для толщины ё = 1 км получаем: гсг = 115 м. Соответственно, для толщины ё = 2 км получаем гсг = 230 м. Отсюда, критическая площадь термика для толщины ё = 1 км равна:
^сг =яг* =4,155-Ю4 м2 = 4,155-10~2км2
Для толщины ё = 2 км получаем 5СТ = пг2сг = 1,662 • 105 м2.
Но здесь важно не столько площадь, сколько объем термика. Поэтому критический объем термика для толщины ё = 1 км равен: усг = 4/3лх3сг = 6,371 • 106 м3, для толщины ё = 2 км усг = 4/3лг3сг = 5,097 • 107 м3. Отсюда высота термика для толщины ё = 1 км равна:
4 з
у ~ пгсс и 4
= = =--115 = 153 м.
Б„ кг2. 3 сг 3
Соответственно, для толщины ё = 2 км получаем ксг = 307 м. Отсюда следует, что толщина нагретого слоя в 20-40 м не достаточна для развития конвекции.
В расчетах предполагалось, что термик имеет форму сферы. Если допустить, что форма термика не повлияет на значения критических параметров и представить их в виде прямоугольных призм, то для толщины нагретого слоя 20 м площадь термика должна быть равна ксг = 3,0 • 105 м2 = 0,3 км2.
Другими словами, надо начинать с площади нагретого участка 5СТ = 0,3 км2 и выше, если толщина нагретого слоя 20 м. Но, если толщина нагретого слоя 40 м, то площадь термика должна быть равна 5СТ = 1,6 • 105 м2 = 0,16 км2.
Выше мы считали, что для сплюснутого эллипсоида, каким является термик в нашем случае, сила сопротивления Стокса такая, как и в случае сферы. В действительности для сплюснутого эллипсоида сила сопротивления несколько отличается на поправочный коэффициент:
к.*..
3
г „\2
а
Ъ
-1
где а -
большая полуось эллипсоида, а Ь - малая полуось.
Расчеты показывают, что коэффициент К находится в диапазоне от 0,85 до 1. И, казалось бы, это несущественно изменит наши расчеты, проделанные выше. Но дело в том, что изменится и выражение для силы плавучести. В нашем случае Ь = (10 ^ 20),
4 2 рЬ=^Ро7га Ь ^аАТ,
= б7тг]тК,
\ у
Яа аЪъ
Для толщины нагретого слоя d = 1 км и Ь = 10 м
11
= 1,521-103,
Яа сг63
3 +1 )[До -1)агс с« Ло]
А)
Яа С1Ь3
Отсюда у„= 0,0008,
аст=Ь 11 + Аг =12,5км, 5сг=я-а^=4,9-108м2=490км2
Получаем очень завышенные критические значения для полуоси и горизонтальной площади сплющенного эллипсоида.
Исходя из расчетов, если они,хоть как-то,отражают действительность, следует, что область нагрева должна быть симметрична и близка к сфере. Другими словами, надо увеличивать вертикальную протяженность области нагрева, как минимум, до 100 м. Тогда не надо будет увеличивать горизонтальную площадь нагрева. То есть создаем термик, размеры которого по всем направлениям равны 100 м.
Более того, думается, что, если бы мы смогли бы создать вытянутый по вертикали термик, то он скорее бы отрывался бы от поверхности земли, чем сферический.
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
. К проблеме искусственного стимулирования конвекции в атмосфере Диденко А.Ю., Симахина М.А., Волкова В.И., Закинян А.Р.
конвекция до уровня конденсации (подоблачная)
Уровень конвекции влажного подоблачного воздуха определяется выражением [3]:
_ 2(аА0Г + рДд0) ^ аДу-рб ' (2)
где Д0Т - перегрев воздуха у поверхности земли;
Дэо - пересыщение воздуха у поверхности земли.
Здесь 5 - массовая доля водяного пара;
ДУ = Та - У,
где у - градиент температуры окружающего воздуха;
уа - сухоадиабатический градиент температуры;
Ь - градиент массовой доли водяного пара в окружающей ат-
мосфере;
<* = -¡щ = 3,7-10 3 К 1 - коэффициент теплового расширения воздуха, величина постоянная; В = -1 = 0,608 - константа;
к МV
МА, Му - молярные массы воздуха и водяного пара.
Как видно из формулы (2) величина перегрева у поверхности земли Д0Т влияет на развитие конвекции. При значении Т = 10 °С получим аД0Т = 3,7 • 10-2. При значении Д$0 = получим РД^0 = 0,6 • 10-2. То есть фактор перегрева сильнее, чем фактор пересыщения, потому, что мы не можем создать сильные пересыщения. Однако, как видно из формулы (2) самым существенным фактором, влияющим на развитие конвекции, является градиент массовой доли водяного пара в окружающей атмосфере Ь. Из формулы видно, что, когда градиент массовой доли водяного пара достигает критического значения:
, <хАу
ьсг = _в", имеет место «взрывной» режим конвекции.
Поэтому возникает вопрос: умеем ли мы искусственно влиять на градиент массовой доли водяного пара и делать его таким, как надо. Но можно на формулу (2) посмотреть по-другому, смотря по тому, на какой параметр мы можем влиять. Из нее следует, что при заданном градиенте массовой доли водяного пара Ь существует критическое значение градиента температуры или
(Ду) = V Ча а •
Для характерного значения градиента массовой доли водяного пара Ь = 1 • 105 м-1 получим
Ор Ол О^-ч
(Аг) =1,7-10-3 — = 0,17 —— = 1,7 — /сг м 100 м км
Так как Ду = уа - у , то
Усг = Га-(АУ)СГ= .
Формулу (2) можно приблизительно записать в виде:
z.
w
2аА0Т аАу-pb '
(3)
Таким образом, управляя градиентом массовой доли водяного пара или градиентом температуры, мы можем получить любую, необходимую нам высоту конвекции. Сложнее дело обстоит, если мы можем регулировать только значением перегрева Д0Т. Например, при значении b = 0, Ду = 4 • 10-3 °С/ м, нагрев должен быть равен Д0Т = 4 °C для уровня конвекции 1 км. Соответственно, Д0Т = 8 °C для уровня конвекции 2 км.
Следует отметить, что те случаи, которые приводит Л.Г. Качурин в своей монографии [1], искусственного стимулирования конвекции, сопровождающее образованием облаков и осадков, связано именно с подготовленностью атмосферы. Думается, что было намного больше случаев, когда при тех же нагревах ничего не происходило, но история эти случаи замалчивает.
Перейдем к расчету максимальной скорости восходящих потоков и уровня максимальных скоростей. Профиль вертикальной скорости восходящих потоков без учета начальной скорости (орографии) имеет вид [3]:
w = Nm,]z(zw-z), (4)
где NBV = yJagAy - частота Брента - Вяйсяля (Brunt - Vaisala).
Уровень максимальных скоростей равен:
zw = аАрГ + рАдр ' 2 аАу-рй .
(5)
Поэтому все замечания, относящиеся к уровню конвекции, относятся и к уровню максимальных скоростей. Выражение для максимальной скорости восходящего потока во влажной атмосфере имеет вид [3]
"max
аДу-рЬ
(аДрГ + рДур). (6)
Отсюда следует, что при критических значениях или градиента массовой доли водяного пара или градиента температуры wmax ^ да, т.е. имеет место «взрывной» рост.
НАукИ о ЗЕмлЕ
К проблеме искусственного стимулирования конвекции в атмосфере Диденко А.Ю., Симахина М.А., Волкова В.И., Закинян А.Р.
Несколько слов по поводу «взрывного» роста. В нашей модели конвекции не учитывается вязкость воздуха. Поэтому, думается, что учет вязкости ограничит рост уровня конвекции и других параметров.
По поводу критического значения градиента температуры. В действительности, когда мы греем приземный слой атмосферы, мы автоматически меняем и вертикальный градиент температуры. Здесь принципиально важно наличие вертикального градиента температуры. Так как, если мы создадим достаточно толстый однородный по температуре нагретый слой, то пользы от этого не будет. Другими словами, необходимо наличие, как горизонтального перегрева, так и наличие вертикального перегрева. Кстати, в теорию Рэлея устойчивости конвекции входит не горизонтальный перегрев, а вертикальный перегрев атмосферы. Конвекция начинается при определенном, критическом значении именно вертикального градиента температуры.
Оценим максимальную скорость восходящих потоков при следующих параметрах: Д50 = 0, Ь = 0, Д0Т = 10 °С
[<*£ А Т м
\ Ду с
Для этих значений уровень конвекции zw = 5 км.
Как видим, образовать термик, чтобы он оторвался от поверхности земли и достиг необходимых высот, можно. Тем более что термики в естественных условиях всегда возникают над пашней, над склонами гор и другими хорошо прогреваемыми участками поверхности земли.
Но, как понимается, наша задача заключается в образование не самого термика и даже не самой подоблачной струи, а в образовании облака.
Прежде, чем перейти к расчету параметров на уровне конденсации приведем расчеты подоблачной конвекции в рамках двумерной модели [3] .
Для функции тока получено выражение [3]
= ^ ^ ^ -г)со8 кх. (7)
Здесь = 2z - уровень конвекции.
Из формулы видно, что, чем ближе градиент массовой доли водяного пара к критическомузначению, тем выше становится размер конвективной ячейки.
Перейдем к расчету параметров конвекции на уровне конденсации.
Уровень конденсацииопределяется по формуле [2]
ЗгЦо^А., (8)
Уа-Гт АУх
где г0 - температура точки росы вблизи поверхности земли;
1ш - градиент температуры точки росы;
й0 - дефицит точки росы у земли. Отсюда при дефиците точки
росы й0 = 10 °С получим
10 1 о г.. = — = 1.2км.
Как правило,формула (8) дает заниженные значения уровня конденсации. Это связано с тем, что в приземном слое имеют место задерживающие слои, кроме того, имеет место перемешивание поднимающегося воздуха с окружающей средой. Поэтому иногда не обосновано с точки зрения физики, формулу (8) в предположении полного перемешивания пишут в виде
г =*оГЕо=_*Ь_ (9)
Г-Ух У-Ут В нашем случае это даст
Ю „ *
г. = — = 2.5 юуъ 0 4
т.е. почти в два раза увеличивается уровень конденсации.
Очень важно правильно определить уровень конденсации, так как от этого будут зависеть параметры конвекции на уровне конденсации.
Если подвести предварительный итог приведенным расчетам и рассуждениям, то получается следующее. Для развития конвекции необходимо, чтобы атмосфера по вертикалибыласухоадиабатически неустойчива, т. е. у > уа. Но отсутствие таких вертикальных градиентов температуры в приземном слое, а также наличие инверсионных слоев препятствует развитию конвекции. Поэтому необходимо использовать другой стимул развития конвекции, а именно наличие горизонтального градиента температуры. Для крупномасштабной циркуляции атмосферы этот стимул является основным.
Влияние параметров приземного слоя атмосферы на развитие облачной конвекции. На уровне конденсации 2С выражение для скорости восходящих потоков согласно формуле (4) будет иметь вид:
щ
'2 = (аА0Г + р А$о)
АУт
!__¿о аАу-рЬ
2(аД0Г + рД*0) Дух
(10)
Для функции пересыщения на уровне конденсации получим выражение
ДС* = Д*0 (11)
АУт
Из выражения (10) видно, что существует критическое значение дефицита точки росы вблизи поверхности земли, для которого вертикальная скорость wc воздуха на уровне конденсацииравна нулю:
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
К проблеме искусственного стимулирования конвекции в атмосфере Диденко А.Ю., Симахина М.А., Волкова В.И., Закинян А.Р.
(¿о)ет1=2(аД0Г+рД,0)^^. (12)
Сравним полученное выражение с формулой: К)СГ2=2Д0Г^, (13)
определяющей критическое значение массовой доли водяного пара, при которой вертикальная скорость wc сухого воздуха на уровне конденсацииравна нулю. Замечаем, что наличие влажного подоблачного слоя будет способствовать развитию облачной конвекции (т.е. скорость восходящих потоков на уровне конденсации будет принимать положительные значения wc > 0) и при больших значениях дефицита точки росы вблизи поверхности земли.
Из выражения (10) видно, что, если градиент массовой доли водяного пара в окружающей атмосфере принимает критическое значение Ьсг, то скорость восходящих потоков на уровне конденсации при любом значении дефицита точки росы вблизи поверхности земли положительна и равна:
ДУт
Итак, учет влажности подоблачного слоя приводит не только к количественным изменениям критериев, определяющих параметры облачной конвекции на уровне конденсации, но и качественным изменениям. Мы видим, что существенное влияние на параметры облачной конвекции на уровне конденсации имеет не столько значение абсолютной влажности подоблачного слоя, сколько градиент массовой водяного пара в подоблачном слое.
Или же, если мы не управляем влажностью окружающей атмосферы, что очевидно, или не управляем влажностью струи, над чем надо бы подумать, то можно получить критическое значение перегрева вблизи поверхности земли:
Посчитаем при условиях, когда вертикальный градиент массовой доли водяного пара окружающей атмосферы равен нулю Ь = 0, и пересыщение водяного пара вблизи земли также равно нулю: Д^0 = 0. Тогда
(АоГ)"=^°. (14)
Или с учетом того, что мы говорили выше об уровне конденсации, запишем
(>5)
Расчеты для вертикального градиента температуры у = 6 • 10-3 °С/м, дефицита точки росы й0 = 10 °С, получим
КП^2'5'0, (До^4'5^.
Все наши расчеты проведены без учета наличия инверсионных слоев. И уровень конденсации у нас принимает заниженное значение: 2с = 1.2 км и 2с = 2.5 км, соответственно.
При этих условиях получается, что нагревая приземный слой воздуха с горизонтальным размером порядка 100 м на величину А0Т = 4 ^ 5 °С, мы получаем восходящий поток, который доходит до уровня конденсации.
Результаты исследования и их обсуждение
Определим параметры конвекции на уровне конденсации. На уровне конденсации 2с выражение для скорости восходящих потоков будет иметь вид [3]:
1 —
аДу-рЪ
вт2Ь:. (16)
2(аД0Г+рД?0) ДуТ , Подставляя выражение (8) в формулу для функции перегрева
АТ = А0Т-Ау-г ,
получим формулу для функции перегрева на уровне конденсации
АсТ = А0Т-40^. (17)
АУх
Из выражений (16) и (17) видно, что существуют критические значения дефицита точки росы вблизи поверхности земли, при которых соответственно равны нулю функция перегрева на уровне конденсации ДсТ и скорость восходящих потоков воздуха wc (на уровне конденсации):
ДсТ: (^)а1=А0Т^, (18)
НАукИ о ЗЕмлЕ
К проблеме искусственного стимулирования конвекции в атмосфере
Диденко А.Ю., Симахина М.А., Волкова В.И., Закинян А.Р.
wc = 0 : Юсг2 =2(аД0Г + рД*0)-^- (19)
Из формулы (19) следует, что влажность подоблачного слоя будет способствовать развитию облачной конвекции. Более того, из этой формулы следует, что при значении градиента массовой доли водяного пара, равного критическому значению Ъа = критическое значение дефицита точки росы вблизи поверхности земли (^0)сг стремится к бесконечности, а это значит, что подоблачная конвекция будет всегда пробивать уровень конденсации, т. е. wc > 0.
Полученные критерии определяют начальные условия облачной конвекции.
Из выражения (16) видно, что, если градиент массовой доли водяного пара в окружающей атмосфере принимает критическое значение Ьсг , то скорость восходящих потоков на уровне конденсации при любом значении дефицита точки росы вблизи поверхности земли положительна и равна:
wc2 = 2g (^Т +РЛ*0 (20)
Итак, учет влажности подоблачного слоя приводит не только к количественным изменениям критериев, определяющих параметры облачной конвекции на уровне конденсации, но и качественным изменениям. Мы видим, что существенное влияние на параметры облачной конвекции на уровне конденсации имеет не столько значение абсолютной влажности подоблачного слоя, сколько градиент массовой водяного пара в подоблачном слое.
Выше мы за критерий взяли дефицит точки росы вблизи поверхности земли. Пересчитаем все по отношению к перегреву Д0Т.
Из выражений (16) и (17) видно, что существуют критические значения перегрева Д0Т вблизи поверхности земли, при которых соответственно равны нулю функция перегрева на уровне конденсации Д0Т и скорость восходящих потоков воздуха wc (на уровне конденсации):
ДсГ : (21)
wc = 0 : = (22)
Так как (Д07)сг1 > (Д0Т)сг2 , то мы за необходимый и достаточный критерий конвекции примем первый критерий, т. е.
(^-¿аЧ-ь^Ч (23)
сг Дут . (23)
Расчеты для вертикального градиента температуры у = 6 • 10-3 °С/м, дефицита точки росы й0 = 10 °С, дают
Мсг=9°С
О чем нам говорит наш критерий (27). Мы видим, что требуемый перегрев является функцией состояния атмосферы, а именно вертикального градиента температуры.Приведем график зависимости перегрева от вертикального градиента температуры:
ДоГ(у1)
200
100
0
2
4
6
8
10
Рис. 1.
График зависимости требуемого перегрева вблизи поверхности земли для достижения конвекции уровня конденсации от вертикального градиента температуры.
Fig. 1. Graph of the required overheating near the surface of the earth to achieve convection of the condensation level from the vertical temperature gradient.
0
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
К проблеме искусственного стимулирования конвекции в атмосфере Диденко А.Ю., Симахина М.А., Волкова В.И., Закинян А.Р.
выводы
Из рисунка и из формулы (23) следует, что если у = уа , то перегрев равен нулю, конвекция развивается сама. Если же у = ут , т. е. вертикальный градиент температуры равен вертикальному градиенту точки росы, перегрев равен бесконечности. Другими словами, не то, чтобы инверсия температуры, а даже градиент температуры, равный у = ут, делает конвекцию невозможной.
Какой отсюда следует вывод? Если приземный слой атмосферы от уровня земли до уровня конденсации имеет градиент температуры, равный у = ут, то все попытки искусственного стимулирования за счет нагрева безуспешны. Если же толщина задерживающих слоев меньше указанного слоя, то они могут быть пробиваемы.
В заключение выражаем благодарность профессору М.Т. Абшаеву за постановку вопроса и обсуждение проблемы. Работа выполнена под научным руководством профессора Р.Г. Закиняна.
Библиографический список
1. Вульфсон Н.И., Левин Л.М. Метеотрон как средство воздействия на атмосферу. М.: Гидрометеоиздат, 1987. 129 с.
2. Дессенс А. Можем ли мы изменить климат? Л.: Гидрометеоиздат 1969. 194 с.
3. Качурин Л. Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. M.: Гидрометеоиздат, 1990, 464 с.
4. Матвеев Л.Т. Физика атмосферы. СПб: Гидрометеоиздат, 2000, 779 с.
5. Weather and Climate Modification / Ed. W. N. Hess. New-York, John Willey, 1974. 842 р.
6. Zakinyan, R.G.; Zakinyan, A.R.; Lukinov, A.A. Two-dimensional analytical model of dry air thermal convection. Meteorol. Atmos. Phys.2015, 127, 451-455.
References
1. Vulfson N.I., LevinL.M. Meteotron kak sredstvo vozdeistviya na atmosferu (Meteothrone as a means of action on atmosphere). M.: Gidrometeoizdat, 1987. 129 p.
2. DessensA. Mojem li my izmenit klimat? (Whether we can change a climate?) - L.: Gidrometeoizdat 1969. 194 p.
3. KachurinL.G. Fizicheskie osnovy vozdeystviya na atmosfernye processy (Physical bases of influence on atmospheric processes) Gidrometeoizdat, 1990, 464 0.
4. Matveev L.T. Fizika atmosfery (Physics of Atmosphere). СПб: Gidrometeoizdat, 2000, 779 с.
5. Weather and Climate Modification /Ed. W. N. Hess. New-York, John Willey, 1974. 842 р.
6. Zakinyan, R.G.; Zakinyan, A.R.; Lukinov, A.A. Two-dimensional analytical model of dry air thermal convection. Meteorol. Atmos. Phys.2015, 127, 451-455.
об авторах
Диденко Анастасия Юрьевна, аспирант кафедры общей и теоретической физики Северо-Кавказского федерального университета, Телефон 8-988-11-63-727. E-mail: anastyd@ya.ru. Симахина Марина Александровна, аспирантакафедры общей и теоретической физики Северо-Кавказского федерального университета, Телефон 8(918)77-88-675. E-mail: vol.marina@mail.ru. Волкова Валентина Ивановна, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей и теоретической физики Северо-Кавказского федерального университета. Телефон 8(918)758-71-29. E-mail: stav.volkova@yandex.ru. Scopus ID: 8937411900. Закинян Артур Робертович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры общей и теоретической физики Северо-Кавказского федерального университета. Телефон 8(918)763-07-10. E-mail: zakinyan.a@mail.ru, Scopus ID:15039960300.
НАУКИ О ЗЕМЛЕ
. К проблеме искусственного стимулирования конвекции в атмосфере Диденко А.Ю., Симахина М.А., Волкова В.И., Закинян А.Р.
About the auhtors
Anastasia Didenko, Postgraduate Student, Department of General and Theoretical Physics, North-Caucasian Federal University. Phone 8-988-11-63-727. E-mail: anastyd@ya.ru.
Simakhina Marina Aleksandrovna, a graduate student of the department of general and theoretical physics of the North Caucasus Federal University.
Phone 8 (918) 77-88-675 E-mail: vol.marina@mail.ru.
Volkova Valentina Ivanovna, Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor of the Department of General and Theoretical Physics of the North Caucasus Federal University. Phone 8 (918) 758-71-29. E-mail: stav.volkova@yandex.ru. Scopus ID: 8937411900.
Arthur R. zakinyan., Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Department of General and Theoretical Physics, North-Caucasian Federal University. Phone 8 (918) 763-07-10. E-mail: zakinyan.a@mail.ru. Scopus ID: 15039960300.
