Воздействие на процессы в атмосфере и проблематика геофизических вооружений




НазваниеВоздействие на процессы в атмосфере и проблематика геофизических вооружений
страница7/12
Дата конвертации04.01.2013
Размер1.47 Mb.
ТипДокументы
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12
Глава 2.

Работы в области геофизического оружия: на пороге 

В предыдущей главе было показано, что очень и очень многие из наиболее "раскрученных" научных "брендов" замыкаются на исследования, обладающие волне определенной общей чертой. Они, так или иначе, связаны с изучением малых воздействий, способных оказать значительное воздействие на среду обитания человека в целом. Именно это и делает обоснованным предположение об их непосредственной связи с разработкой геофизических вооружений, геополитическая необходимость которой была обоснована во введении.

Может, разумеется, показаться, что все это - весьма отдаленная и весьма туманная перспектива и незачем пока "устраивать панику". Однако это далеко не так, существуют и исследования, которые отделены от воплощения в практику только одним шагом (уже не говоря о том, что геофизические данные для применения геофизического оружия в различных регионах Земли требуется собирать заблаговременно).

В той мозаике, о которой шла речь в предыдущей главе, имеются очень примечательные блоки. Вставив их на положенное место, можно увидеть весьма интересную картину. Ключ к сбору мозаики все тот же - малое воздействие порождает существенный результат, в том числе, в виде катастрофических событий.

В данной главе, на конкретных примерах, будет проанализировано, как это может происходить. Однако, учитывая, что данная книга ориентирована на самый широкий круг читателей, целесообразно напомнить некоторые факторы, которые определяют строение атмосферы.

 2.1. Строение земной атмосферы

 

В самом грубом приближении атмосферу Земли можно разделить на нижнюю (в которой сосредоточена основная масса атмосферных газов) и верхнюю. На эту часть атмосферы приходится только незначительная часть ее массы, однако, она в значительной мере определяет условия жизни на Земле. Верхняя атмосфера – это своего рода передовой форпост, защищающий планету от потока заряженных и нейтральных частиц, непрерывно поступающих из космоса. Исторически сложилось так, что эти атмосферные слои изучают различные дисциплины. Нижняя атмосфера, с которой мы все имеем непосредственное дело в повседневной жизни, находится в компетенции метеорологии. Изучение верхней атмосферы составляет предмет аэрономии, т.е. физическую химию верхних слоев атмосферы.

Можно проводить классификацию атмосферных оболочек по физико-химическим признакам, различая гомосферу, гетеросферу и экзосферу. В пределах гомосферы, до высот порядка 90 км атмосферу можно рассматривать как однородную газовую среду, состав которой практически не зависит от высоты. При переходе в гетеросферу начинает проявляться различие в молекулярных массах химических компонент, и атмосфера перестает быть однородной. Принято говорить, что в области гомосферы господствует турбулентная диффузия (все перемешивается до практически полностью однородного состава), а в области гетеросферы - молекулярная. В еще более высоких слоях газ становится настолько разреженным, что само использование таких понятий как температура и диффузия становится, по большому счету, условным. (Корректно говорить о температуре можно только применительно к системам, состоящим из большого числа частиц, находящихся в равновесии).

Более известна классификация атмосферных слоев по температурным признакам.

Типичная диаграмма высотного распределения температуры для сферически симметричной модели атмосферы представлена на рис. 2.1.

Из этой диаграммы видно, что существуют три значения высоты, на которых изменяется знак градиента температуры (разумеется, значения этих высот на диаграмме даны приближенно). Эти области, где рост температуры останавливается и начинается ее уменьшение (или наоборот), по устоявшейся терминологии называются “паузами”, области, где знак градиента температуры остается постоянным, называются “сферами”.

Каждый, кто поднимался достаточно высоко в горы, знает, что с высотой температура воздуха падает. Температура продолжает падать до высот 12 – 13 км на средних широтах. Эта область атмосферы называется “тропосферой”, а узкий слой, в котором градиент температур приближенно равен нулю – тропопаузой. Температура в тропопаузе составляет -600С – -800С. Выше начинается область стратосферы, которая заканчивается на высотах около 50 км (на этих высотах лежит стратопауза).

Здесь температура плавно возрастает и достигает значения 00С – 100С (почти той же, что и у поверхности Земли). Дальше, в мезосфере, градиент температур снова становится отрицательным. В мезопаузе, лежащей, на высоте примерно 85 км температура атмосферы достигает минимального значения (до – 1200С). Это последняя “пауза”, которая существует в атмосфере. Еще дальше, в термосфере, температура только растет и может достигать значений 12000С – 17000С днем и 4000С – 7000С ночью.

 


  

 

 

 

 

 

 


Сопоставляя шкалу стратификации атмосферы по температурному признаку со шкалой, вытекающий из характера диффузионных процессов (гомосфера – гетеросфера – экзосфера) можно видеть, что и тропопауза, и стратопауза, лежат в области гомосферы – области, где доминирует турбулентная диффузия. В этой области химический состав атмосферы остается приблизительно одинаковым на всех высотах, что, подчеркнем еще раз, обусловлено высокой эффективностью процессов перемешивания, связанных с турбулентной диффузией.

Температура тропосферы определяется в основном теплообменом – лучистым и конвективным. В своих нижних слоях атмосфера является весьма плотной, световое излучение (особенно длинноволновое инфракрасное) многократно поглощается и испускается вновь. В результате этих процессов спектр излучения постепенно приближается к спектру излучения черного тела. Как известно, спектр излучения абсолютно черного тела, т.е. тела находящегося в равновесии с излучением, определяется только термодинамикой фотонов (закон Кирхгофа) и не зависит от молекулярного строения вещества. Для реальной атмосферы приближение черного (а точнее, “серого”) тела выполняется не слишком хорошо, однако оно все равно заслуживает упоминания, хотя бы для того, чтобы подчеркнуть роль теплового излучения (как основного фактора при лучистом теплообмене) в формировании профиля температуры в тропосфере.

Конвективный теплообмен интерпретируется значительно проще: перемещение нагретых масс воздуха “переносит вместе с собой” и тепловую энергию. Эти два указанных процесса определяют температурный профиль тропосферы, но далеко не исчерпывают всего многообразия протекающих в ней процессов, многие из них определяются малыми компонентами, такими как соединения серы и углерода. Это объясняется тем, что излучение с длинами волн менее 300 нм, с которым взаимодействуют основные компоненты атмосферы, оказывается практически полностью поглощенным на высоте тропопаузы. В сущности, “озоновый щит”, который столь часто упоминался в прессе в последние годы, предохраняет поверхность планеты именно от излучения с такими длинами волн.

Здесь следует отметить, что за поглощение коротковолнового излучения в атмосфере ответственен далеко не только один озон. На рис. 2.2 [1] представлена диаграмма высот, до которых интенсивность солнечного излучения уменьшается в  (основание натуральных логарифмов) раз относительно внеатмосферного значения при вертикальном падении.

Области интенсивного поглощения молекулярного кислорода, которые носят название полос Шумана – Рунге и запрещенного континуума Герцберга, обозначены как {O2} и [O2] соответственно. Горизонтальными стрелками показаны спектральные интервалы, отвечающие поглощению соответствующими компонентами. В нижней части рисунка показаны длины волн, соответствующие пороговым значениям энергий квантов, необходимых для ионизации основных составляющих атмосферы. Из рисунка видно, что высота, на которой излучение ослабляется в е раз, действительно обладает порогом приблизительно на длине волны 300 нм, или 3000Å.

 


  

 

 

 

 

 

 

 

 

Энергии квантов с длиной волны меньше 300 нм, разумеется, не может хватить на то, чтобы вызвать ионизацию или фотодиссоциацию даже таких молекул как диоксид серы SO2. Однако такое излучение вполне может перевести достаточно сложную молекулу (молекулу с “богатым” спектром) в возбужденное состояние. В результате поглощение возбужденной молекулой излучения даже сравнительно большой длины волны может стимулировать, в частности, окисление SO2 до SO3. Последующее взаимодействие ангидрида SO3 с водой приводит к образованию серной кислоты Н2SO4. Раствор этой кислоты, попадающий на землю с каплями воды, составляет как раз те самые “кислотные дожди”, которые еще недавно широко обсуждались в прессе, наряду с проблематикой атмосферного озона. Далее, взаимодействие серной кислоты с аммиаком NH3 (он содержится в выбросах многих промышленных предприятий) может приводить к образованию гидросульфата (NH4)(НSO4) или сульфата (NH4)2SO4 аммония. Из этих соединений, рассеянных в воздухе, как раз и состоит плотная дымка, окружающая многие промышленные районы.

Таким образом, фотохимические процессы играют заметную роль даже в тропосфере – области атмосферы, наиболее “защищенной” от излучения Солнца. В более высоких слоях роль фотохимических реакций возрастает. Действие излучения с длиной волны меньше 300 нм приводит к образованию озона О3 в стратосфере. Его роль, как уже отмечалось выше, не сводится к “защитным функциям”. Поглощая солнечные лучи как в ультрафиолетовом, так и в инфракрасном диапазоне, озон вызывает инверсию градиента температуры над тропопаузой. В мезосфере его содержание уменьшается, одновременно увеличивается скорость охлаждения атмосферы за счет двуокиси углерода. И, наконец, фотодиссоциация и фотоионизация молекулярного кислорода О2 в термосфере приводит к значительному повышению температуры – до тысячи градусов Цельсия.

Итак, фотохимия определяет многие важнейшие процессы, протекающие во всех без исключения слоях атмосферы. Эти процессы протекают на фоне высотного распределения средней концентрации компонентов атмосферы, создаваемого силами гравитационного притяжения, концентрация частиц в разных слоях атмосферы на порядки отличается друг от друга (рис.2.3), поэтому и характер фотохимических реакций также существенно зависит от высоты.

 


 

 

 

 

 

 

 

 

  Рассмотрим вкратце, как именно фотохимические процессы связаны с существованием сложного строения атмосферы. Первопричиной его возникновения является тот факт, что составляющие атмосферу атомы и молекулы по-разному взаимодействуют с солнечным излучением.

"Старт" разветвленной системе плазмохимических реакций в атмосфере дают разнообразные реакции фотодиссоциации, одной из главных здесь является реакция фотодиссоциации молекулярного кислорода [1-3]:

 

;.

(2.1)

Атомарный кислород, образующийся в этой реакции, - это очень и очень сильный окислитель (выделение его в ничтожных количествах делает обычную "хлорку" или перекись водорода столь эффективным средством обеззараживания). Вытекающий вывод вполне прозрачен: если есть области, в которых реакция (2.1) идет, то химия в них будет совсем другой, нежели в иных прочих. И это действительно так.


  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 



Рис. 2.4


Упрощенная схема разогрева атмосферы:


1 – фотодиссоциация с поглощением кванта hn


2 – тройное столкновение, в котором третья частица получает дополнительную энергию






Выше 100 километров кислород диссоциирует полностью, в тех же областях происходит практически полное поглощение жесткого излучения, идущего от Солнца. Отметим, что "передовым форпостом", защищающем жизнь на Земле от рентгеновских квантов все же являются области выше 100 км. Слой атмосферного озона, про который так много говорят и пишут последний четверть века, расположен намного ниже - на высоте 25 - 30 км. В нем происходит поглощение более длинных волн, которые, впрочем, тоже губительны для большинства организмов.

О защитных свойствах верхних слоев атмосферы стоило сказать подробно по очень простой причине: кванты, осуществляющие реакцию (2.1), расходуются тем быстрее, чем больше эффективность реакции (2.1) и ей подобных. Иначе говоря, продукты реакции фотодиссоциации могут существовать только во вполне определенном диапазоне высот [1,3]. Именно из этого факта, в конечном счете, вытекает неоднородное распределение концентраций различных химических компонент атмосферы по высоте.

Пример с реакций (2.1) был использован далеко не случайно. С его помощью можно разобраться, что происходит с энергией, поглощаемой атмосферными слоями. Образовавшийся в реакции (2.1) атомарный кислород в самом прямом смысле этого слова запасает огромные количества энергии. Эта энергия может высвободиться, например, в любой реакции окисления.

Однако гореть в верхних слоях атмосферы нечему, и поэтому в самых верхних слоях кислород существует в атомарной форме. Обратная реакция может протекать только в тех слоях, где плотность газа достаточно велика.

Это происходит потому, что обратная реакция не может идти, как говорят, по двухчастичному механизму. Это запрещено фундаментальными законами сохранения энергии и импульса, которые должны выполняться одновременно [3,4]. Реально реакция, обратная (2.1), протекает с участием третьей частицы, которая и "уносит избыток энергии". Она записывается так:

 



(2.2)

где через М обозначена любая частица, участвующая в процессе (химическая природы частицы, не играет роли, это может быть молекула кислорода, азота и т.д.).

Обратим внимание: "частица уносит избыточную энергию". Это, прежде всего, означает, что ее собственная кинетическая энергия увеличивается, а если говорить о газе таких частиц в целом - что
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

Похожие:

Воздействие на процессы в атмосфере и проблематика геофизических вооружений iconВоздействие на процессы в атмосфере и проблематика геофизических вооружений
И. Э. Сулейменов. Воздействие на процессы в атмосфере и проблематика геофизических вооружений. Алматы 2007

Воздействие на процессы в атмосфере и проблематика геофизических вооружений iconТезисы конференции «комплексные и междисциплинарные исследования полярных районов»
Направление 3 «Оценка и предупреждение экстремальных природных явлений и катастроф в атмосфере и на поверхности суши»; программы...

Воздействие на процессы в атмосфере и проблематика геофизических вооружений iconВ рамках международного полярного года (2007-2008 год) российская академия наук
Направление 3 «Оценка и предупреждение экстремальных природных явлений и катастроф в атмосфере и на поверхности суши»; программы...

Воздействие на процессы в атмосфере и проблематика геофизических вооружений iconВоздействие радиации на живые организмы Воздействие радиации на ткани живого организма
В органах и тканях биологических объектов как и в любой среде при облучении в результате поглощения энергии идут процессы ионизации...

Воздействие на процессы в атмосфере и проблематика геофизических вооружений iconДороже Бразилии
Россия и США подписали новый Договор о сокращении стратегических наступательных вооружений. Сокращаются избытки вооружений. Официально...

Воздействие на процессы в атмосфере и проблематика геофизических вооружений iconАзот в атмосфере Земли
Солнцу, сколько жизненным процессам. Поразительно несоответствие между содержанием элемента №7 в литосфере (0,01%) и в атмосфере...

Воздействие на процессы в атмосфере и проблематика геофизических вооружений iconСша на мировом рынке вооружений в начале XXI века
Охватывает все новые сферы торговли оружием, что нередко способствует вытеснению или ослаблению позиций США на отдельных участках...

Воздействие на процессы в атмосфере и проблематика геофизических вооружений iconЛекция наука метеорология и климатология
Эти явления и процессы совершаются в атмосфере не изолировано, а в тесном взаимодействии с процессами, происходящими в верхних слоях...

Воздействие на процессы в атмосфере и проблематика геофизических вооружений iconПравительство Санкт-Петербурга
Под субъектом управления понимается физическое лицо, от которого исходит властное воздействие. Объектами управления, то есть тем,...

Воздействие на процессы в атмосфере и проблематика геофизических вооружений iconВодяной пар в атмосфере и облака
...


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница