litceysel.ru
добавить свой файл
1 2 3
Краткий конспект лекций по


«Термодинамике атмосферы»


Вводный курс (18 часов).


I. Введение


Предмет, понятия и терминология. Природа, окружающая среда и ресурсы.


«Термодинамика атмосферы» изучает термические режимы атмосферы и их устойчивость. Атмосфера является одной из подсистем климатической системы. Климатическая система включает в себя пять взаимосвязанных подсистем:


  • атмосфера;

  • биосфера (или биота);

  • гидросфера (мировой океан, реки, озера);

  • криосфера (Антарктида, горные ледники и т.п.)

  • литосфера;


Биотой называется совокупность всей флоры и фауны, т.е. всего растительного и животного мира Земли, включая человека. Естественно распределенная по земному шару биота называется биосферой. Окружающая среда, это часть биосферы, атмосферы, гидросферы и т.д. существенно измененная человеком в результате и/или интересах своей жизнедеятельности. Запасы полезных ископаемых, мощность фотосинтеза (для производства продуктов питания и древесины), мощность возобновляемых источников энергии, рек, ветра, солнечной энергии рассматриваются в качестве ресурсов человечества.


Рост народонаселения - ключевая проблема.



Рис. 1.

На Рис.1
приведен график роста населения Земли. Зеленая кривая – реконструкция по историческим данным, синяя – модель. Рост народонаселения в основном определяется рождаемостью и средней продолжительностью жизни. Отмечено, что в течение последних примерно 100 лет, население Земли удваивается каждые 30 лет. Так как средняя по планете продолжительность жизни человека составляет примерно 60 лет, это означает, что число детей в среднем на одну семью превышает 4 человека. Для поддержания достаточно комфортных условий жизни современный человек потребляет в среднем около 2 кВт мощности, в результате, мощность мировой энергетики составляет порядка 1013 Вт. Быстрый рост численности населения Земли и растущее потребление природных ресурсов человечеством привело к тому, что человек уже вышел далеко за рамки своей экологической ниши, Рис. 2.





Рис.2


Относительная скорость деструкции биоты организмами в зависимости от их размера. Зеленая кривая – естественная зависимость, красный выступ – деструкция человеком.


Проблема глобального потепления. Накопление СО2 в атмосфере, антропогенный парниковый эффект. Экономические и социальные аспекты проблемы.


В настоящее время на передний план выходит проблема Глобального потепления, которая связана с наблюдаемыми изменениями в термическом режиме атмосферы и ростом стохастизации климата. На Рис. 3 приведена сравнительная зависимость наблюдаемых изменений среднегодовой температуры воздуха и содержания углекислого газа в атмосфере.




Рис. 3





Рис.4


На Рис.4 представлен временной ряд среднемесячных данных наблюдения содержания углекислого в атмосфере, на метео обсерватории Мауна-Лоа (Гаваи), начиная с 1959 г. Отчетливо видны сезонные колебания CO2 в атмосфере, связанные с ростом фотосинтеза и увеличением стока СО2 в биоту в вегетационный период. Однако, как видно из графика, мощности современной биоты недостаточно, чтобы остановить растущую эмиссию углекислого газа в атмосферу. В результате, избыточное количество CО2 в атмосфере, накопленное за последние 100 лет (примерно 80 ppm) привело к дополнительному (антропогенному) парниковому эффекту, мощность которого составляет порядка 1015 Вт. Эта дополнительная мощность идет на подогрев поверхности планеты, увеличения испарения и, соответственно, на возмущение климата, приводящее к росту числа и масштабов экстремальных климатических событий.





Рис.5



На Рис. 5
приведена статистика природных катастроф, наблюдаемых примерно за последние 25 лет. Основную долю из всех природных катастроф (включая величину ущерба) составляют катастрофы, связанные с экстремальными климатическими событиями – это наводнения, тропические штормы (ураганы) и засухи. Величина совокупного ущерба от климатических катастроф в настоящее время превышает 100 млрд. долл. в год, в то время как еще 25 лет назад составляла около 10 млрд. долл. в год. Если учесть, что свободные инвестиционные ресурсы мировой экономики составляют в среднем около 300 млрд. долл. в год, то такая высокая скорость роста ежегодного ущерба от климатических катастроф может в скором будущем привести к тому, что человечество просто лишится свободных инвестиционных ресурсов, необходимых для своего развития и будет вынуждено расходовать их на ликвидацию последствий природных катастроф.


Аэрокосмические технологии наблюдения за Землей и изучения глобальных изменений на планете.


Для изучения термического режима атмосферы, глобального мониторинга состояния климатической системы, наблюдения за экстремальными природными событиями и т.п. в рамках международных программ наблюдения Земли из космоса создается международная система - Earth Observation System. Она включает в себя группировку спутников на полярных орбитах с современными сенсорами на борту, зондирующими Землю в различных спектральных диапазонах: микроволновом, дальнем и ближнем инфракрасном, видимом и ультрафиолетовым диапазонах. Орбиты таких спутников проходят через полюса под углом к экватору близким к 90 градусам, что позволяет наблюдать практически всю Землю за 10-20 витков.




Рис.6. Наблюдение со спутника за образованием тайфуна.





Рис.7. Наблюдение со спутника за извержением вулкана.




Рис.8. Определение температуры поверхности из спутниковых данных.


II. Солнечная энергия и упорядоченные процессы в природе


Земля как открытая система. Солнечное излучение, потоки энергии и энтропии. Трансформация солнечной энергии на Земле, фотонная мельница.


Земля является открытой системой, обменивающаяся с внешней средой (космосом) энергией и веществом. Приток вещества происходит за счет падения метеоритов и солнечного ветра, а вынос за счет эмиссии в космос горячих газов верхней атмосферы. Обмен энергией происходит за счет притока солнечного излучения и охлаждения планеты уходящим тепловым излучением, Рис. 9.





Рис.9.


В некотором приближении излучение Солнца можно рассматривать как фотонный газ с температурой Т
с = 5800 К. Мощность излучения Солнца, приходящего на единичную перпендикулярную площадку называется солнечной постоянной Iс, величина которой зависит от расстояния планеты до Солнца и для Земли определяется формулой:


I
с = (Rc /Lз-с)2 Tс4, (1)

Где = 5.67 * 10-8 Bт/м24 – постоянная Стефана-Больцмана, Rc = 695 990 км,, Lз-с = 1 а.е. = 149 600 000 – радиус Солнца и расстояние от центра Солнца до Земли, соответственно. Согласно измерениям со спутников величина солнечной постоянной составляет Iс = 1370 Вт/м2. Соответственно, в среднем за сутки на единицу поверхности Земли падает из космического пространства (1/4) Iс = 343 Вт/м2. Из них 30% отражается обратно в космическое пространство за счет планетарного альбедо Земли А = 0.3. В результате, мощность солнечного излучения, входящего в атмосферу Земли и определяющая тепловой баланс планеты равна:



(1/4) Iс (1-А) = 240 Вт/м2 (2)


Измерения показывают, что Земля в среднем поглощает 240 Вт/м2 солнечного излучения с температурой Тс = 5800 К и излучает такую же интенсивность теплового излучения с эффективной температурой Тз = 255 К, что является простым следствием выполнения радиационного (энергетического) баланса:


(1/4) Iс (1-А) = Tз4 (3)


Умножая эту величину на площадь поверхности Земли 4Rз2 (Rз = 6378 км) получим полную мощность приходящего солнечного излучения = 1.2 * 1017 Вт. В пересчете на массу фотонов (Е = mc2) это дает примерно 1.33 кг фотонов солнечного света, ежесекундно падающих на нашу планету или 420000 тонн в год. Такая же масса фотонов теплового излучения покидает Землю. Однако при этом происходит процесс перевода низкоэнтропийного солнечного излучения в высокоэнтропийное тепловое излучение, за счет «преобразования» одного фотона солнечного излучения в 20 фотонов теплового излучения, так называемая фотонная мельница. Уходящее в космос тепловое излучение Земли при этом можно рассматривать как фотонный газ с температурой Тз = 255 К. Максимальный КПД такой тепловой машины определяется формулой Карно:


= (Тс - Тз)/ Тс = 0.96 (4)


В результате функционирования такой тепловой машины происходит экспорт энтропии S с Земли в космическое пространство. Величина экспорта энтропии с единицы площади равна:

dS/dt = (4/3) {(1/4) (1-А) (Rc /Lз-с)2 Tс3 - Tз3 } =



= (4/3)* 240 Вт/м2 * (1/Тс – 1/ Тз) = - 1 Вт/м2К. (5)


Тепловой баланс планеты без атмосферы. Равновесная радиационная температура. Состав атмосферы, перенос радиации в атмосфере.


Если бы у Земли отсутствовала атмосфера, ее радиационный баланс определялся бы формулой (3). Температура ее поверхности в этом случае была бы Тз = 255 К или – 180 С. Полученное таким образом значение температуры Земли называется равновесной радиационной температурой планеты. Однако, согласно метеонаблюдениям среднегодовое значение температуры приземного воздуха составляет Т = 288 К, или 150 С. Эта разница в 330 С определяется парниковым эффектом за счет атмосферы Земли, служащей своего рода одеялом планеты.

Земная атмосфера состоит из таких газов как: азот - N2 (около 78%), кислород - O2 (около 21%), аргон - Ar (около 1%), а также так называемые парниковые газы - это пары воды - H2O, углекислый газ - CO2, метан - CH4, озон - O3, окислы азота - NxOy и др. (менее 1%). В атмосфере также присутствуют примеси аэрозоля, водного (облаков), частиц пыли, вулканической сажи и т.п. Физика парникового эффекта заключается в том, что нагреваемая солнцем поверхность Земли излучает в атмосферу тепловую радиацию мощностью T4 , которая частично поглощается вышеуказанными парниковыми газами атмосферы и аэрозолем. Затем поглощенное атмосферой тепловое излучение переизлучается, одна часть в космическое пространство, другая часть к поверхности Земли, создавая тем самым ее дополнительный нагрев. Благодаря определенному (относительно постоянному) количеству парниковых газов в атмосфере, у поверхности Земли поддерживается достаточно комфортная постоянная среднегодовая температура воздуха, равная 288 К.


Солнечное излучение также испытывает ослабление в результате его прохождения через толщу атмосферы из-за рассеяния и поглощения как аэрозолем, так и атмосферными газами. Ослабление солнечного излучения в атмосфере распространяющегося вдоль оси z можно описать законом Бугера:


dI/dz = - kI - в дифференциальной форме (6)

Iz) = I(z=0) exp (-k(z) dz) – в интегральной форме (7)

Где Iz=) [Вт/м2] – интенсивность солнечного излучения на частоте , приходящая на верхнюю границу атмосферы, Iz) – интенсивность солнечного излучения в точке z, k(z) [см-1] – значение коэффициента ослабления излучения атмосферой в точке z, Н – длина пути солнечного луча в атмосфере k(z) = kр(z) + kп(z), где kр(z) - коэффициент рассеяния излучения атмосферой, kп(z) – коэффициент поглощения. В свою очередь коэффициент рассеяния kр(z) является суммой коэффициентов аэрозольного и молекулярного рассеяния, а коэффициент поглощения kп(z), соответственно суммой коэффициентов аэрозольного и молекулярного поглощения.



Потоки энергии у земной поверхности и их характерные величины. Возмущение тепловой машины планеты антропогенным парниковым эффектом.


В таблице представлены величины мощностей основных процессов в климатической системе. Характерно, что мощность антропогенного парникового эффекта в настоящее время составляет примерно 20% от мощности атмосферно-океанической тепловой машины переносящей тепло от экватора к полюсам. КПД этой тепловой машины определяется среднегодовыми значениями температуры тропического пояса Тт = 300 К и субарктической зоны Тса= 273 К.



следующая страница >>