Modelling technogenic causes of short-period climate anomalies.pdf 1. Климатические аномалии на Русской равнинеи в Атлантическом океане. В период аномально вы-соких температур лета 2010 г. разница температур зи-ма-лето для Центральной России превысила 60°. Впер-вые за все время инструментальных измерений былотмечен рост средних летних температур не на 1-2градуса, а сразу на 6-8°С. «Большая русская жара -2010» перекрыла пик «Большой европейской тепловойволны - 2003». Если низкие температуры сравнительнонетрудно переносятся человеком (так как большинствофизико-химических процессов экзотермические и лег-ко реализуются), то наличие повышенных и длитель-ных по срокам летних температур до 35-40°С плохокомпенсируется в обычных условиях какими-либо эн-дотермическими процессами. Именно поэтому такаядлительная жара стала для России катастрофой. Второйрегион на планете, отмеченный рекордными темпера-турами, - это район Северной Атлантики. Температураповерхности океана (ТПО или SST по европейскойтерминологии) превысила все показатели за 150 летметеорологических наблюдений [1, 2]. Это способство-вало росту вероятности зарождения ураганов с середи-ны августа до серединыбыл разработан ряд комплексных физических моделейсветорассеивающих и поглощающих сред, позволив-ших сформулировать новые математические моделиприродных процессов [3, 4] и объяснить ряд наблю-даемых явлений для полярных и высокогорных ледни-ков, а также решить ряд прикладных вопросов, связан-ных с созданием тепло-, огнезащитных и теплоизоли-рующих материалов и покрытий различного назначе-ния [5, 6]. Отличительной особенностью указанныхисследований явилось изучение сложного теплообменадля оптических неоднородных сред путем совместногорешения уравнений теплопроводности и переноса из-лучения на основе разработанных и апробированныхоптических моделей материалов в условиях интенсив-ного конвективно-радиационного воздействия.В исследованиях в области океанологии и в России,и за рубежом десятилетиями не менялась методологияоценки и анализа водно-теплового баланса, температу-ры поверхности океана и, в частности, интерпретациитак называемого холодного скин-слоя [7-11]. Несмотряна прецизионные измерения подповерхностной темпе-ратуры океана на глубине с точностью до миллиметра,оценка тепловых режимов водных акваторий ограни-чивалась применением закона сохранения энергии, атакже неполной краевой задачей лучистого теплообме-на без детального анализа распространения проникаю-щего солнечного излучения в водной толще. Нередковоздействующий на поверхность океана лучистый по-ток принимался в виде аддитивной величины потоковсолнечного излучения и поглощаемого поверхностьюокеана излучения атмосферы. Исследование морскойводы как среды, обладающей свойствами не толькопоглощения, но и рассеяния, ограничивалось так назы-ваемым параметрическим описанием формирующеготеплового баланса [12]. Это обусловило некорректнуютрактовку наблюдаемого подповерхностного максиму-ма температуры. Указывалось влияние конвективногои терморадиационного выхолаживания, турбулентныхвозмущений, но фактор лучистого объемного нагреваво всей подповерхностной области (включая скин-слой) не стал предметом исследования с позиций опти-ки рассеивающих сред. Здесь сказалась неосведомлен-ность океанологов о подобных исследованиях в другихобластях науки и техники, где были достигнуты значи-тельные результаты. Например, необходимо учитыватьэффект формирования подповерхностного температур-ного максимума в океане при воздействии коллимиро-ванных потоков проникающего солнечного излученияв оптически неоднородной среде [13, 14]. Хотя оптикаокеана была предметом многолетних исследований вИнституте океанологии им. П.П. Ширшова (в частно-сти, известного советского ученого К.С. Шифрина),тем не менее задача сложного теплообмена на совре-менном уровне в океанологии не решена. Это связано сразличными причинами, одна из которых - необходи-мость дифференциации эффектов отражения и переиз-лучения водной средой, на что, впрочем, указывал всвоих работах сам К.С. Шифрин [15]. Указанные раз-работки в России были прерваны в 90-х гг. прошлоговека; за рубежом сложный теплообмен для океана так-же полностью не решен и не получил должного разви-тия.Подобная ситуация складывалась при изучениидругой природной среды - ледников, в толще которыхуже в 60-70-х гг. тоже регистрировался подповерхно-стный перегрев при сложном теплообмене для снежно-го слоя [16]. Теоретическое обоснование этого эффектавпервые было получено М.С. Крассом и В.Г. Мерзли-киным в 1985 г. [17], что позже было экспериментальноподтверждено радиозондированием [18].Океан является сложной средой, в которой имеютместо диффузия солей и турбулентное перемешивание,которые существенно усложняют процесс нагрева и егомоделирование. Но в первом приближении этими явле-ниями можно пренебречь, чтобы выявить влияние ос-новных процессов лучисто-кондуктивного нагрева рас-сеивающей и поглощающей морской среды.В данной работе рассмотрены новые физическиемодели водно-теплового баланса акваторий и атмо-сферных потоков, образующихся над водной поверхно-стью, загрязненной разливом нефтепродуктов. Загряз-нения на поверхности воды рассматриваются как полу-прозрачные водно-нефтяные эмульсии (ВНЭ), взвеси(пленки) инородных частиц с различными физически-ми и геометрическими параметрами, определяющиеселективные свойства ослабления водной средой лучи-стых потоков тепла в видимом, ближнем и среднеминфракрасном диапазонах длин волн потоков солнеч-ного излучения и атмосферы при естественной конвек-ции. Исходные данные по оптическим свойствам мор-ской воды приведены в таблице.Объектом исследования является трехслойная фи-зическая модель: пренебрежимо малорассеивающая ислабопоглощающая глубоководная акватория океана;полупрозрачный оптически неоднородный подповерх-ностный водно-нефтяной эмульсионный слой; приле-гающая атмосфера. Все эти три слоя рассматриваютсякак отражающие, поглощающие и излучающие среды.В связи с недостатком прямых экспериментальныхизмерений оптических и терморадиационных характе-ристик ВНЭ была принята их модельная оценка, исхо-дя из альбедо для чистого и загрязненного океана. Поимеющимся в литературе данным указанные величиныне превышают соответственно 10 и 20-30%. Тогда длячистого океана достаточно рассмотреть оптическуюмодель проникающего солнечного излучения, ослаб-ляемого с глубиной по закону Бугера с увеличеннымграничным отражением за счет вспененной поверхно-сти океана. Оптические модели полупрозрачных водно-нефтяных эмульсий с концентрацией частиц нефтепро-дуктов ~0,1% определяются объемным отражением(при незначительном граничном отражении по законуФренеля), включающим вклад прежде всего инородныхрассеивающих и поглощающих частиц нефтепродуктовс известной функцией их распределения по размерам,сравнимым с длиной волны проникающего излучения ввидимом и ближнем ИК-диапазонах длин волн, т.е. доƒ ~ 1-2 мкм. При этом необходимо учитывать и рассе-янную компоненту, обусловленную взаимодействиемсолнечного излучения с хаотически возмущенной вод-ной средой. Тогда вводимые характеристики ослабле-ния за счет рассеяния и поглощения являются эффек-тивными и позволяют оценить функцию поглощеннойВНЭ лучистой энергии.Диапазон представленных оптических характери-стик для морской воды был выбран следующий: длячистого океана ƒ ~ ƒ равны 0,05 м-1; с учетом загрязне-ния частицами ВНЭ - 0,05-2,0 м-1. Сплошная нефтянаяпленка характеризуется коэффициентами пропусканияƒf = 60% и отражения rf = 27%. Для исследования влия-ния объемного отражения и поглощения загрязненногоВНЭ океана теплофизические характеристики чистой изагрязненной морской воды были приняты одинаковы-ми: ƒ = 1 100 кг/м3; СР = 3 700 Дж/кг·К; КТ = 0,5 Вт/м·К.Подповерхностный слой ВНЭ может частичнопрепятствовать испарению вплоть до полной экра-нировки сплошной нефтяной пленкой на невозму-щенной водной поверхности с модельными затрата-ми тепла на испарение qv от 25 Вт/м2 (чистая воднаяповерхность) до нуля по мере увеличения концен-трации ВНЭ до пленочного состояния. Указанныевеличины были выбраны из оценок составляющихинтегрального теплового баланса атмосфера - зем-ная поверхность. Из 750 Вт/м2 солнечного потокаизлучения примерно 500 Вт/м2 затрачивается навзаимодействие с подстилающей поверхностью сушии океана, а треть - на испарение. Так как затраты нанагрев воды не менее чем на порядок превышаюттеплоту ее испарения, то в граничных условиях былапринята величина на порядок меньше, чем общиетепловые потери в 250 Вт/м2 на нагрев и испарениеповерхностного слоя.Для разработки оптических моделей светорассеи-вающей водно-нефтяной среды использовано двухпо-токовое приближение решения уравнения переносаизлучения. Была рассмотрена однонаправленная инди-катриса рассеяния. Тогда под показателями поглоще-ния и рассеяния понимаются нормированные сеченияпоглощения и рассеяния в рамках классической теориирассеяния Г. Ми: b v2 y2w - (1)показатель ослабления светорассеивающей среды,Аvb-w/vbyww- (2)альбедо, коэффициент отражения полубесконечногослоя.Решение уравнения переноса в двухпотоковом при-ближении позволило рассчитать световое поле и коэф-фициенты отражения r(x) , пропускания (x) и погло-щения a(x) плоского слоя оптически неоднороднойводно-нефтяной эмульсии толщиной x, определяемыесоотношениямиv w v w v r x 1 { exp { 2bx A 1 { A2 exp { 2bx ; (3)v w v w v w v w 2 2 1 exp 1 exp 2 x A bx A b { { { { x w; (4)avxw v1 { Aw1 { expv{ bxw1 y Aexpv{ bx . (5)При этом соблюдается условие нормировкиr(x) + (x) +a(x) = 1. (6)3. Математическая модель теплового режима во-ды в океане. Базовой математической моделью, ис-пользуемой в качестве аппарата количественных рас-четов и оценок, является замкнутая система следую-щих математических соотношений:- одномерное дифференциальное уравнение тепло-проводности, коэффициенты которого включают в себяряд оптических и теплофизических параметров мор-ской воды (природной среды) согласно упомянутымвыше физическим моделям;- зависимость поглощения солнечного излучения вводе от глубины (в рамках переноса солнечного излу-чения);- сложное нелинейное граничное условие на по-верхности воды, включающее в себя тепломассообмен(отражение в коротковолновом и переизлучение вдлинноволновом диапазонах, а также конвективнуюсоставляющую) с различными значениями коэффици-ента пропускания солнечного излучения через пленкуили взвесь загрязнения в воду;- задание оптических характеристик нефтянойпленки (эмульсии) на поверхности воды.Для учета основных параметров и характеристиклучистого теплопереноса в слое ВНЭ ограничимсяконвективным и радиационным нагревом в отсутствиеспектральной и температурной зависимости оптиче-ских характеристик и лучистого потока и их измененияво времени.Итак, в общем виде лучистый теплоперенос сизвестной функцией F(x, t, ƒ, ƒ, q0) поглощеннойэнергии, а также энергетическими затратами на фазо-вые переходы на поверхности облучаемого водно-эмульсионного слоя представляется следующим урав-нением теплопроводности:( ) p Tc T K Tt x xg g g yFg g g, (7)v w0 v w v w v w21 A( ) exp exp 21 A exp 2q bF x bx b x HbH{ { { { { {), (8)где q0 - падающий на поверхность океана поток прони-кающей солнечной радиации.К уравнению (7) необходимо присоединить усло-вие теплообмена на поверхности воды - воздействиевнешней конвекции и длинноволновых потоков термо-радиации:x=0,4 400 0/ ( ) (,T T A ef AUR UVK T x T T c T Tq q Lx { g g { y { yy y { S(9)где v 11 2 1 1 1 ef w{ y { - эффективный коэффициентчерноты для взаимно облучаемой воздушной среды иповерхности океана с коэффициентами черноты 1 и 2в длинноволновом диапазоне длин волн; -части солнечного потока в ближней УФ- и ИК-областях спектра, для которых морская вода являетсянепрозрачной средой; αT - коэффициент теплоотдачидля граничной поверхности и атмосферы; co - коэффи-циент Стефана-Больцмана; cp, KТ - удельнаятеплоемкость и коэффициент теплопроводности; -плотность морской воды;qUR qUV 0 0 ,xS - скорость движения гра-ницы испарения; Lv - теплота испарения воды.На тыльной границе плоского слоя чистой морскойводы задан тепловой поток:x = H - дТ / дx= - 0,04/KT . (10)Исходную температуру среды в начальный моментвремени примем с градиентом, равным -0,04 (°С/м), споверхностной температурой 22°С.Система уравнений и соотношений (7)-(10)представляет собой нелинейную краевую задачу Кошидля дифференциального уравнения параболическоготипа.На рис. 2 показаны графики зависимости оптиче-ских характеристик - коэффициентов отражения ипропускания для различных типов ВНЭ и чистогоокеана.4. Численные расчеты. Модельные расчеты про-водились для нескольких сценариев сочетаний оптиче-ских характеристик пленки (эмульсии) на поверхностиморской воды, ее оптических и теплофизических пара-метров, а также условий теплообмена на границе раз-дела вода-воздух.Для чистой морской воды имеет место ослаблениепроникающего солнечного излучения по закону Бугера(кривая ƒCW); коэффициент отражения излучения отграницы раздела двух сред определяется постояннойвеличиной до 8-10%, включающей вклад не более 2-5% по закону Френеля в зависимости от угла падения идополнительную компоненту от вспененной поверхно-сти океана. Это поверхностное отражение не зависит оттолщины слоя вещества (кривая rCW).Рис. 1. Моделирование нефтяного загрязнения Атлантикичерез четыре месяца после разлива нефти в Мексиканском заливе [2](x)znr(x)0 5 10 1500.51x znm5321 46Рис. 2. Зависимость коэффициентов пропускания ƒ(x) и отражения r(x)от толщины x подповерхностного слоя океана: кривые 1-4 (ƒW2, rW2, ƒW4, rW4) -сильно поглощающая и рассеивающая водно-нефтяная эмульсия κW2, ƒW2, κW3, ƒW3 >> κCW (см. таблицу)кривые 5 и 6 (ƒCW, rCW) - слабопоглощающая κCW = 0,05 м-1 морская вода с пренебрежимо малым рассеянием ƒCW = 0Если в такой воде возникает рассеивающая примесьс показателем рассеяния, равным показателю поглоще-ния ƒ4, ƒ4 ~ ƒCW = 0,05 м-1, то отражение уже являетсяфункцией толщины и возрастает до ~27% на глубине~20 см (так называемая толщина полубесконечногослоя рассеивающей среды, материала) и с ростом тол-щины больше не изменяется. Для других вариантоврассеивающих слоев ВНЭ за счет подбора показателейпоглощения и рассеяния удается изменить поглощениев слое вещества, но отражение (альбедо) полубеско-нечного (толстого) слоя морской воды в данных расче-тах принималось неизменным, характерным для за-грязненного океана.На рис. 3 представлены расчетные температурныераспределения по глубине, формируемые в толще мор-ской воды на третьи сутки в астрономические полденьt = 2,25 сут и полночь t = 2,75 сут при синфазных коле-баниях температуры атмосферы от 17 до 27°С и потокасолнечного излучения от 500 до 0 Вт/м2. Проведенырасчетные оценки температурных распределений завремя t в толще x океана, загрязненного ВНЭ, -TW1(x,t), TW2(x,t) - кривые 1-3; чистой морской воды -TСW(x,t) (кривая 4) и покрытой тонкой нефтяной плен-кой - TfW(x,t) (кривая 5).Рис. 3. Расчетные нестационарные распределения температуры морской водыс начальным распределением температуры T0(х) (кривая 6) на третьи сутки в астрономические полдень 2,25·tdayи полночь 2,75·tday (tday = 24 ч) при синфазном лучисто-конвективном воздействии внешней средыдля 50-метровой толщи в различном масштабе (а) и (б): кривая 1 - TW1(х, 2,75·tday) - сильно поглощающая ƒ = 1 м-1 ВНЭоптической модели М1(1/1-27) (см. таблицу); кривая 2 и 3 - TW2(х, 2,25·tday), TW2(х, 2,75·tday) - слабопоглощающая ƒ = 0,5 м-1 ВНЭоптической модели М1 (0,5/0,5-27); кривая 4 - TСW - чистая морская вода оптической модели МСW;кривая 5 - TfW - нефтяная пленка оптической модели МfW; кривая 6 - начальное распределение температуры в морской водеОптические модели полупрозрачных водно-нефтяных эмульсий (с объемной концентрациейчастиц нефтепродуктов ~0,1%) с показателями рассеяния и поглощения ƒ ~ ƒ = 0,05 -2,0 м-1и нефтяной пленки (с коэффициентом пропускания ƒf = 60%) на поверхности океана; чистой морской водыс модельными затратами тепла на испарение qvОптические моделирассеивающих00 ( - M A )и нерассеивающихсредОбозначениекоэффициентовотражения r,пропускания ƒна графикахрис. 2 , м-1 , м-1Коэффициентобъемного отражения(альбедо) полубеско-нечного слоя HVAr(H_ V)Толщина полубеско-нечного плоского слоя смаксимальным объем-ным коэффициентомотражения А(ƒ < 1%), HV , мТолщинаслоя с коэффици-ентом пропусканияƒ = 10%, 0,1 , м HПоглощающая и рассеивающая водно-нефтяная эмульсия с частичной экранировкой испарения (qv)W = 12,5 Вт/м2М1(1/1-27) rW1, ƒW1 1 0,268 1,83 1,28М12(1/2-38) - 1 2 0,382 1,02 0,97М2(0,5/0,5-27)- rW2, ƒW2 0,5 0,268 3,43 1,88М21(0,5/1-38) - 0,5 1 0,382 1,91 1,59М3(0,25/0,25-27) rW3, ƒW3 0,25 0,25 0,268 10,15 5,19М4(0,05/0,05-27) rW4, ƒW4 0,05 0,05 0,268 49,52 26,15Поглощающая и нерассеивающая сплошная нефтяная пленка, препятствующая испарению, (qv)fW = 0МfW - >> 0,05 0 -* 0,268--Слабопоглощающая и нерассеивающая морская вода с естественными затратами тепла на испарение (qv)СW = 25 Вт/м2МСW rCW, ƒCW 0,05 0 -* 0,070-44,53На графиках показаны температурные распределе-ния для двух оптических моделей загрязнения: 1) силь-но поглощающей ВНЭ с показателем поглощенияƒ = 1 м-1 оптической модели М1(1/1-27) - температур-ный профиль TW1(х, 2,75·tday) (кривая 1, tday = 24 ч);2) слабопоглощающей ВНЭ (ƒ = 0,5 м-1) оптическоймодели М2 (0,5/0,5-27) - температурные профилиTW2(х, 2,25· tday) и TW2(х, 2,75·tday) (кривые 2 и 3).Для оптической модели М2(0,5/0,5-27) наибольшаятемпература ~24°С поверхности океана (при х = 0)достигается в полдень t = 2,25 сут и представленатемпературным распределением TW2(х, 2,25·tday)(кривая 2) с присутствием так называемого холодногоскин-слоя (толщиной до 30 см) относительно подпо-верхностного максимума температуры в ~26°С. Длятой же модели ТПО снижается до ~ 21°С на темпера-турном профиле TW2(х, 2,75·tday) (кривая 3) к полу-ночи. Толщина скин-слоя практически не меняется, носам скин-слой более холодный на несколько градусов,а подповерхностный температурный максимум дажевозрастает примерно на 1° до ~ 27°С за счет стока кповерхности океана кондуктивного тепла, вызванногоночным выхолаживанием длинноволновой термора-диацией и конвекцией. Эти расчеты подтверждаютсяэкспериментальными данными.Рост показателей поглощения и рассеяния для ВНЭмодели М1(1/1-27) приводит к более существенномуросту температуры TW1(х) (кривая 1) и перегреву в под-поверхностной области в сравнении ТПО модели М2(0,5/0,5-27) (TW1(х) - кривая 1). Но проникающий лучи-стый поток в толщу морской воды уменьшается, чтоприводит к снижению температуры нагрева уже на глу-бине ~1 м в сравнении с ВНЭ модели М2 с меньшимослаблением ƒ2, ƒ2 < ƒ1, ƒ1, чем в модели М1. Таким об-разом, для более чистого океана нагрев на поверхностибудет меньшим, а прогрев в глубине - бoльшим.Предлагаемый подход позволяет по-новому рас-смотреть физический механизм нагрева океана, и этоимеет принципиальное значение. Расчеты показывают,что увеличение процессов рассеяния будет вызыватьсмещение температурного профиля к поверхностиокеана (за счет обратного рассеяния проникающегосолнечного излучения глубинными слоями) при слабомизменении самих температур, а рост поглощения, оче-видно, будет способствовать увеличению значенийэтой температуры.Суточные колебания температуры атмосферы исолнечного потока обусловливают осцилляции тем-пературы на поверхности океана, которые меняют нетолько значение градиента температуры, но и егознак. К ночи имеет место сток кондуктивного тепла кповерхности из перегретой поверхностной области, ак полудню в процессе наблюдается естественная ин-версия температурных профилей, например TW2(х, t)(кривые 2 и 3) в подповерхностной области ТПО(SST).Температурный профиль для толщи морской воды,теплоизолированной сплошной нефтяной пленкой оп-тической модели MfW, качественно повторяет струк-туру температурного поля для ВНЭ, но при слабомрассеянии нижележащих горизонтов чистой морскойводы обусловливает меньшие температуры разогреваподповерхностной области и ТПО. В случае сплошнойполупрозрачной нефтяной пленки (кривая TfW) имеетместо рост поглощенного (до 30%) и отраженного (до60%) потоков солнечного излучения; при этом потоксолнечного тепла, воздействующий на глубинные слоиморской воды, уменьшается до ~200 Вт/м2 (что суще-ственно меньше поглощенного потока тепла для чис-той океанической воды ~470 Вт/м2). Наличие ВНЭ илипленки характеризует интенсивный прогрев океанавблизи своей поверхности. При загрязнении океанаВНЭ температура морской воды может достигать 30°Спосле трехсуточного прогрева в штиль, причем про-порционально росту не только поглощения, но и рас-сеяния.Для водно-нефтяной эмульсии и пленки, частичноэкранирующих проникающий поток солнечной энергии,на глубинах х > 3-5 м температура океана (рис. 3, кри-вые 1-3, 5), меньше, чем в случае прогрева чистой водыTВНЭ(x) < TW(x) (рис. 3, кривая 4). Таким образом, имеетместо снижение прогрева глубинных слоев океана нафоне перегрева подповерхностной области и роста ТПО(SST). При длительном нагреве океана солнечным излу-чением температура воздушной среды также возрастаетза счет увеличенного альбедо загрязненной воды, кон-дуктивного и прежде всего конвективного стоков тепло-ты в атмосферу. Как следует из полученных результа-тов, зона аномального прогрева загрязненной морскойводы (и зарождения антициклонов) не только активнорасширялась, но и продвигалась на восток вместе сГольфстримом (см. рис. 1).

Скачать электронную версию публикации