Биологический каталог




Лекции по экологии

Автор О.В.Богданкевич

е компьютеры.

Большое число неустоявшихся моделей приводит подчас к совершенно противоположным выводам и прогнозам, но одно уже ясно и не вызывает сомнений ни у кого: человеческая цивилизация оказывает заметное влияние на глобальные процессы в природе — и отнюдь не в лучшую сторону для самой цивилизации.

Тем не менее средние значения температуры, не вдаваясь в сложную динамику процессов, оценить все же несложно.

Тепловой баланс на Земле складывается из четырех основных частей. Количество энергии, поставляемой на Землю при облучении ее солнечным светом, обозначим через Wc = л Я2 С Здесь R — радиус земного диска, освещаемого Солнцем, а С — солнечная постоянная, т. е. поток солнечной энергии, приходящий на единицу поверхности Земли по нормали в направлении Солнца. Эта константа давно известна астрономам и составляет 1353 Вт/м2.

Часть этой энергии уходит назад в космос за счет рассеяния в атмосфере и на поверхности. Эта доля, как мы уже знаем, называется альбедо.

Значит, энергия, уходящая с Земли в результате рассеяния, Wa = aWc.

Оставшаяся часть, прошедшая через атмосферу, поглощается поверхностью Земли и нагревает ее и нижние слои атмосферы.

Процесс изменения температуры на поверхности Земли происходит со значительными временными задержками относительно изменяющихся условий хотя бы потому, что Земля вращается и вокруг Солнца и вокруг своей оси.

Длина волны в мкм

Рис. 13.2. Спектр электромагнитного излучения, подчиняющийся закону излучения черного тела

Всякое нагретое тело излучает энергию в виде электромагнитного излучения (рис. 13.2). Полная интенсивность описывается законом Стефана-Больцмана: WT = = 4nR2cT4.

Здесь мы должны учесть полную поверхность Земли 4л;Я2, так как нагревается только освещенная часть, а тепловое излучение испускает вся поверхность. Это излучение частично уходит через атмосферу в космос, а частично поглощается парниковыми газами в атмосфере и не покидает Землю, нагревая ее.

Такие газы, как СО2, пары воды, метан и некоторые другие, называются парниковыми. Дело в том, что колебательно-вращательные спектры поглощения этих молекул лежат как раз в области максимальной интенсивности теплового излучения Земли. Они приведены на рис. 13.2.

Основную роль в поглощении теплового излучения играют водяные пары и углекислый газ. При высокой концентрации в атмосфере они могут поглотить соответственно 30 и 34% теплового излучения Земли, т.е. более половины.

Пусть доля теплового излучения, поглощенная парниковыми газами в атмосфере, будет Ь.

Энергию, поглощенную в атмосфере, обозначим через

Wb = b/WT.

Составляя полный баланс энергии, получаем:

Wc = Wa + WT - Wb.

Подставляя в выражение для баланса энергии значения составляющих и разрешая относительно Т, получаем:

Графики зависимости средней температуры планеты от доли перепоглощенной солнечной энергии b для Земли и Венеры приведены на рис. 13.3.

Несмотря на достаточно грубые приближения, сделанные выше, формула, описывающая зависимость средней температуры планеты от величины коэффициента перепоглощения теплового излучения в ее атмосфере, дает удивительно близкие результаты к тому, что мы наблюдаем в действительности, и позволяет сделать три важных вывода.

Во-первых, если бы не было поглощения части теплового излучения в атмосфере, то средняя температура

В-третьих, к аналогичным результатам приводит и изменение альбедо в сторону увеличения, даже если Солнце греет в два раза сильнее.

Точка b = 0 на рис. 13.3, б) — это Венера при отсутствии в ее атмосфере большого количества углекислого газа.

На Венере b практически близко к 1, но если бы b было хотя бы на треть меньше, то температура на ее поверхности была бы вполне сносной для существования жизни, подобной нашей.

Почему на Венере так много свободной углекислоты, а на Земле большая часть окиси углерода связана в коре в виде карбонатов, т. е. в виде известняков, мела, мрамора и океанических донных отложений — это пока не очень понятно. Для этого нужны более детальные исследования горных пород, из которых состоит кора Венеры, с помощью космических автоматических станций. Такие программы существуют, но пока только в Америке.

На сегодняшний день сложилась такая ситуация, что человек, не очень думая о последствиях, в состоянии очень быстро изменить сложившийся на протяжении тысячелетий тепловой баланс планеты.

Для того чтобы концентрация СО2 увеличилась вдвое,

1 О

достаточно сжечь примерно 10 т органического топлива. При нынешних темпах на это уйдет всего 50-100 лет, этот срок зависит от того, будем ли мы продолжать «топить ассигнациями», как это очень прозорливо заметил Д.И. Менделеев еще в начале XX в., или все-таки перейдем на атомную энергетику в полном объеме, хотя бы временно, еще лет на 50, пока не придумаем что-нибудь более приемлемое.

В 1950 г. Игорь Евгеньевич Тамм и Андрей Дмитриевич Сахаров предложили новый принцип получения энергии путем использования управляемого термоядерного синтеза. Поначалу они предполагали, что на реализацию этого метода понадобится лет 20-30. Но вот прошло уже с тех пор 50 лет, а конца только физическим опытам пока не видно. Хотя физики надежды и оптимизма не теряют.

Но надо поспешать. Домино может упасть гораздо скорее, чем многие думают. Использование энергии ветра и падающей воды, конечно, дело полезное, но принципиально проблемы решить не может. Это только дополнительные, локальные возможности, которые необходимо развивать, несмотря на их трудно решаемые экономические проблемы.

Относительно возможности изменить альбедо, тут тоже все в наших силах. Для этого можно, например, просто разом рвануть десяток-другой водородных бомб (а в драке, как известно, волос не жалеют, в раж войдя, можно и в 10 и в 100 раз больше). Этого будет вполне достаточно.

Более точную оценку, сколько именно надо, чтобы нарушить равновесие, сделал в 1976 г. академик Н.Н. Моисеев со своими сотрудниками из Вычислительного центра АН СССР и сам удивился, как мало для этого надо. Генералы ему вначале не поверили. Но американцы все пересчитали и пришли к тем же самым результатам.

Я думаю, что договор между США и СССР о сокращении общего количества атомных боеголовок стал возможным только благодаря работам группы Н.Н. Моисеева по расчетам последствий атомной войны, профессора Сагана в Америке и профессора Поля Крутцена в Европе. Генералам, и нашим, и американским, стало ясно: победить невозможно.

О том, как они пришли к концепции «ядерной зимы» Никита Николаевич рассказывает в своей книге «Экология человечества глазами математика», вышедшей в издательстве «Молодая гвардия» в 1988 г.

Эти работы по математическому моделированию экологических процессов, происходящих в биосфере Земли, на основе системного подхода и использования современных ЭВМ привели к предсказанию ряда неожиданных, но очень важных для практической деятельности результатов, из которых парадокс «атомной зимы» представляет собой лишь один из частных случаев.

Подобного рода работы были начаты и в Америке и дали ученым, работающим в области наук о Земле, совершенно новые возможности.

В науках о Земле и ее биосфере, таких, как геология или палеонтология, делались выводы на основе «эмпирического обобщения», по терминологии В.И. Вернадского. Математическое моделирование позволяет разыгрывать сценарии сложных динамических процессов, происходящих в окружающей среде по схеме «если..., то... ». В ряде случаев это позволяет получать весьма неожиданные результаты.

В конце 80-х годов в ВЦ АН СССР сотрудниками Н.Н. Моисеева был проведен машинный эксперимент по системной программе «Гея», в которой рассчитывалось, как скажется на климате отдельных регионов и продуктивности биоты увеличение в два раза концентрации углекислоты в атмосфере Земли, независимо от причин, по которым это может произойти. Результаты оказались следующими.

Целому ряду засушливых зон и саванн Африки и Центральной Азии суждено превратиться в зоны пустынь. И наоборот, в Европе, Северной Азии и на западе Северной Америки климат станет более влажным. Но в целом в масштабах планеты суммарная продуктивность биоты в пределах точности модели не изменится.

Для нас это проявится в значительном уменьшении влажности степной зоны от Молдавии до Алтая и улучшении условий земледелия в русском Нечерноземье, Белоруссии и прибалтийских республиках.

Есть над чем подумать нашим макроэкономистам и геополитикам.

Такие параметры атмосферы Земли, как величина альбедо и поглощение теплового излучения в атмосфере, видимо, не раз менялись на протяжении геологической истории Земли. Одним из механизмов таких изменений может быть столкновение Земли с крупными метеоритами, этот вопрос рассматривался в гл. 10.

Совсем не исключено, что 65 млн лет назад произошел один из таких случаев, когда Земля столкнулась с астероидом диаметром около 1 км. Кратер от этого удара находится на Северном Урале. Его диаметр 60 км. Кратер такого диаметра мог образоваться в результате взрыва, по мощности равного одновременному взрыву нескольких тысяч водородных бомб в 1 Мт.

Этого было вполне достаточно для того, чтобы резко изменить климат Земли на многие тысячи лет и привести к довольно резкому изменению флоры и фауны Земли в последующие эпохи.

Быстрое похолодание привело к вымиранию динозавров и расцвету теплокровных животных, млекопитающих и птиц, которые сумели лучше приспособиться к более суровым условиям существования и потеряли естественных врагов.

В 1982 г. английский метеоролог Дж. Фарман обнаружил значительное увеличение интенсивности ультрафиолетовой компоненты в спектре солнечного излучения над Антарктидой, которое геофизики очень быстро связали с уменьшением концентрации озона в стратосфере.

Атмосферный озон играет существенную роль в поглощении солнечного ультрафиолетового излучения в диапазоне длин волн 280-320 нм. Слой атмосферного озона возник практически одновременно с кардинальным изменением состава земной атмосферы в результате начавшегося процесса фотосинтеза в зеленых растениях 500-600 млн лет назад.

Увеличение температуры а

страница 23
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

Скачать книгу "Лекции по экологии" (1.97Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(26.09.2017)