Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Экология arrow Влияние вторичных нейтронов космических лучей на тропосферу и биосферу Земли: эколого-экономический аспект

ВЛИЯНИЕ ВТОРИЧНЫХ НЕЙТРОНОВ НА ФИЗИЧЕСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ВЕРХНЕЙ И НИЖНЕЙ ТРОПОСФЕРЕ

Космические лучи и климат

Климатические осцилляции являются одним из глобальных процессов на Земле [90]. Анализ наблюдательных данных по изменению солнечной активности, интенсивности космических лучей и климатических характеристик, и данных, получаемых из косвенных источников в природных архивах (кольца деревьев, слои льда, сталактиты и т. д.) об изменении этих природных явлений во временных масштабах в десятки-сотни- тысячи лет, дает убедительное доказательство влияния на климат солнечной активности, о чем свидетельствует связь между реконструкциями солнечной активности в прошлом и косвенными данными климатической изменчивости (например, [91]). В последенее время появляется все больше работ о влиянии потока галактических космических лучей на глобальные изменения климата Земли. Так, израильский ученый Нир Шавив из Еврейского университета в Иерусалиме (Израиль) с немецким ученым Яном Файцером из Рурского университета в Бохуме (Северный Рейн-Вестфалия, ФРГ) пришли к выводу, что космические лучи способны влиять на климат нашей планеты [92]. Как выяснилось, Земля очень чувствительна к интенсивному излучению, исходящему от газо-пылевых облаков и умирающих звезд. Оно повышает количество заряженных частиц в атмосфере Земли и, по мнению многих ученых, способствует формированию плотных низких облаков, которые, в свою очередь, препятствуют нагреву Солнцем поверхности планеты.

Вероятно, именно из-за них примерно раз в 150 миллионов лет Земля охлаждается до такой степени, что наступают ледниковые периоды. Шавив и Файцер создали математическую модель воздействия космических лучей на климат нашей планеты. При этом они, в частности, использовали приблизительно подсчитанные данные о температуре воздуха Земли за последние 500 млн лет. Расчеты исследователей позволяют предположить, что за указанный период космические лучи привнесли примерно 75 %-ный вклад [92] в климат Земли. Схема этого влияния, как считают исследователи из Центральной аэрологической обсерватории Росгидромета РФ и Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН), выглядит следующим образом. Поток космических лучей, который непрерывно попадает в атмосферу, при взаимодействии с ней порождает вторичное излучение, которое ионизирует воздух в страто- и тропосфере, усиливая его электропроводность. При этом облегчается прилипание к незаряженным аэрозольным частицам легких ионов, и заряженные аэрозольные частицы становятся центрами конденсации водяного пара. В результате усиливается облачность, которая ослабляет поток солнечной энергии и снижает температуру приземной атмосферы и, следовательно, увеличивает альбедо (отражательную способность). Как выяснилось в ходе исследования, проведенного сотрудниками Института ядерной физики им. М. Планка, под воздействием космической радиации в нижних слоях земной атмосферы происходят ядерные реакции, изменяющие содержание отдельных химических элементов, что в конечном счете приводит к формированию облачных масс повышенной плотности. В Европейской организации по ядерным исследованиям (ЦЕРН) в 2009 г. в результате эксперимента с протонами высоких энергий [93] выяснилось, что космические лучи способны формировать облака.

В [92, 93] анализируется в основном влияние на климат галактических космических лучей, при этом не рассматривается аналогичное влияние вторичных космических лучей.

Рассмотрим подробнее энергетический баланс Земли [94]. Пусть солнечное излучение падает на поверхность планеты, часть его отражается, поэтому лишь около половины согревает поверхность Земли. Поскольку температура Земли меняется очень медленно, то по законам термодинамики Земля должна находиться в состоянии термодинамического равновесия. Тогда энергетический баланс Земли без учета парникового эффекта можно выразить формулой

где Ес - падающий на поверхность Земли энергетический поток; А - отражательная способность Земли альбедо; Т - средняя температура Земли; а5 - постоянная Стефана-Больцмана; о5Г4- энергия теплового излучения Земли. В случае наличия парникового эффекта энергетический баланс Земли будет выглядеть следующим образом:

где а - доля энергии, излучаемой Землей, возвращаемая парниковыми газами к земной поверхности, коэффициент возврата [61].

Если представить альбедо как функцию оптической толщи вещества т:

где т = j/12 б(/г) dh - высота, км; 8(h) - объемный коэффициент ослабле-

п.1

ния, км-1. Пусть объемный коэффициент ослабления равен 8(h) = oN(h), где N(h) - число рассеивающих и поглощающих центров; о - сечение взаимодействия. Но число рассеивающих и поглощающих центров N(h) пропорционально интенсивности данного компонента (в нашем случае нейтронного) jn,k(x(h)>(P>xlJ) космических лучей (без учета рекомбинации). Тогда

где v - скорость частицы. Отсюда находим

Следовательно,

Тогда, зная интенсивность нуклонов, легко рассчитать изменение альбедо, а следовательно, и среднегодовой температуры. Соответствующие результаты представлены на рис. 27. Существенно влияют на величину альбедо аэрозоли. Заряженные аэрозольные частицы являются эффективными ядрами конденсации водяного пара, находящегося в атмосфере (на заряженных ядрах конденсация пара происходит при меньших пересыщениях, чем на незаряженных). В работах [95-97] приведен анализ среднемесячных спутниковых данных по площади с нижней облачностью за период с 1983 по 1994 г. Показано, что за время 11-летнего солнечного цикла площадь, занятая облаками, увеличилась приблизительно на 2 %. В результате в атмосфере ускорился процесс конденсации водяного пара и образования капель, что привело к увеличению площади облачного покрова всего земного шара [98]. Рассеивая коротковолновое солнечное излучение, частицы уменьшают приток солнечной радиации к Земле, поэтому эффект альбедо считается определяющим при увеличении содержания стратосферного аэрозольного слоя (САС) [98]. С другой стороны, САС поглощает длинноволновое тепловое излучение Земли, приводя к усилению тепличного эффекта. При изменениях аэрозольного содержания САС изменяется приток солнечной радиации к тропосфере, что приводит к вариациям ее температуры и теплового баланса. Воздействия САС на радиационно-тепловые изменения зависят, прежде всего, от размеров частиц и в меньшей степени от их состава и локализации. В работе [98] показано, что очень маленькие (радиусом < 5 мкм) и большие (> 1 мкм) частицы вызывают нагревание поверхности. Полагают, что тепловой эффект преобладает над эффектом альбедо для частиц со средним эффективным радиусом более 2 мкм. Помимо размера аэрозольных частиц, в качестве главного параметра, определяющего воздействие САС на климатические изменения, рассматривается также стратосферная аэрозольная оптическая толща - оа [98]. На рис. 28 изображен график изменения концентрации аэрозолей и вторичных нейтронов с высотой. Видно, что поток вторичных нейтронов очень хорошо коррелирует с концентрацией аэрозолей в атмосфере на всех высотах - коэффициент корреляции приближается к 1, что несколько противоречит результатам работы [99].

Изменение среднегодовой температуры в зависимости от изменения альбедо и коэффициента возврата а

Рис. 27. Изменение среднегодовой температуры в зависимости от изменения альбедо и коэффициента возврата а

Распределение концентраций вторичных нейтронов и аэрозолей по высоте

Рис. 28. Распределение концентраций вторичных нейтронов и аэрозолей по высоте

Влияние корпускулярных излучений на формирование облачного покрова согласно модели Н. Г.Скрябина [100]

Рис. 29. Влияние корпускулярных излучений на формирование облачного покрова согласно модели Н. Г.Скрябина [100]

Влияние галактических космических лучей и солнечных протонов на формирование облачного покрова согласно модели М. И. Пудовкина [101]

Рис. 30. Влияние галактических космических лучей и солнечных протонов на формирование облачного покрова согласно модели М. И. Пудовкина [101]

Существуют работы, в которых оценка коэффициента корреляции между этими величинами, полученная по модельным расчетам [42], не очень велика и равна приблизительно 0,3 [41].

Распределение площади поверхности облака для высоты 3 и 15 км как функция энергии инжектированных частиц и их интенсивности

Рис. 31. Распределение площади поверхности облака для высоты 3 и 15 км как функция энергии инжектированных частиц и их интенсивности

Далее рассмотрим предполагаемый физический механизм влияния нейтронных потоков на формирование облачного покрова. В работах [100, 101] Н. Г. Скрябина и М. И. Пудовкина приводятся схемы воздействия космических факторов на облачность покрова Земли и прозрачность атмосферы (рис. 29, 30). Основным недостатком данных моделей, по мнению авторов, является то, что они учитывают воздействие на атмосферные процессы только галактических космических лучей и общеиони- зующего компонента вторичного излучения. Влияние вторичных нейтронов на процесс формирования облачного покрова практически никак не учитывается. Между тем вторичные нейтроны осуществляют косвенную ионизацию атмосферы, особенно верхней и нижней тропосферы, и могут вносить немалый вклад в формирование облачного покрова планеты. Рассмотрим влияние вторичных нейтронов на процесс формирования облаков. Инжектированные вторичные нейтроны космических лучей благодаря косвенной ионизации будут способствовать возникновению кластеров из конденсирующихся частиц, из которых затем образуются облака. Можно оценить характеристики облаков. Линейный размер облака будет зависеть от концентрации и кинетической энергии инжектируемых частиц. Скорость роста облаков можно определить по формуле

где P(/i) - вероятность столкновения частицы с молекулами воздуха;

кТ - тепловая энергия молекул.

Площадь конденсирующегося облака пропорциональна концентрации заряженных частиц, которая является функцией энергии. На рис. 31. представлено распределение площади поверхности облака для высот 3 и 15 км соответственно как функция энергии инжектируемых частиц (например, атмосферных нейтронов) и их интенсивности. Видно, что площадь поверхности облака зависит от энергии и интенсивности частиц. Для образования облачного покрова нормальных размеров необходимы приемлемые интервалы энергий частиц от 104 до 107 эВ и интенсивностей от 104 до 108 частиц/см2. Таким образом, влияние вторичных нейтронов на процессы в нижней атмосфере гораздо значительнее, чем считалось ранее.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >
 

Популярные страницы