Оценка влияния прямой солнечной радиации и альбедо поверхности на глобальное изменение климата

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН ______________________________________2008, том 51, №9___________________________________

ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ

УДК 551.51, 551.521.3, 551.576, 551.588, 551.583, 551.59

Б.И.Назаров, С.Ф.Абдуллаев, В.А.Маслов ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ПРЯМОЙ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ И АЛЬБЕДО ПОВЕРХНОСТИ НА ГЛОБАЛЬНОЕ ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА

Одним из факторов, влияющих на глобальное изменение климата, является изменение прямой солнечной радиации. В результате периодических изменений параметров орбиты Земли меняется и поток солнечной энергии (с периодами в десятки и сотни тысяч лет), достигающий разных широт земной поверхности в отдельные времена года, что оказывает заметное влияние на климат. Этот механизм объясняет причины периодических оледенений, неоднократно происходивших на протяжении последних нескольких миллионов лет.

По различным причинам меняется и количество сразу же отраженной от поверхности и атмосферы Земли солнечной энергии. Это определяется содержанием в атмосфере Земли аэрозолей, рассеивающих и отражающих солнечную энергию (прежде всего сульфатных аэрозолей), а также типом поверхности той или иной территории (снежный покров и чернозем отражают совсем разные доли падающей на них солнечной энергии). Поэтому поступающий к поверхности Земли поток энергии со временем изменяется.

Рассмотрим теперь поток энергии, уходящий с поверхности Земли в космос. Отвод тепловой энергии с самой поверхности Земли в атмосферу идет сразу несколькими путями (конвекция, испарение с поверхности и конденсация в атмосфере паров воды, излучение в инфракрасном диапазоне, теплопроводность газов), однако отвод энергии за пределы атмосферы осуществляется практически только за счет ИК излучения. Уменьшение этого отвода будет приводить к разогреву поверхности Земли и нижней части атмосферы. В отсутствии атмосферы на поверхности Земли устанавливалось бы равенство потоков поглощаемой поверхностью части солнечной энергии (в основном в видимом диапазоне) и энергией, переиз-лучаемой обратно в космос в инфракрасном диапазоне. При этом на поверхности устанавливается некоторая температура, среднее значение которой по всей поверхности, как несложно подсчитать по закону Стефана-Больцмана, при условии лучистого равновесия, в нынешнюю эпоху должно быть равно около 255 К (-18°С).

Однако, если Земля окружена атмосферой, то температура поверхности планеты должна зависеть от условий прохождения через атмосферу приходящего и уходящего потоков энергии, от процессов многократного рассеяния, поглощения и переизлучения фотонов при прохождении сквозь атмосферу. В случае же, если взаимодействие между различными веществами атмосферы и излучением отсутствует, не будет и никакого влияния атмосферы

на проходящие сквозь нее потоки лучистой энергии и термический режим поверхности планеты.

Рассмотрим, как взаимодействует вещество с излучением в атмосфере. Молекулы газов и частички аэрозолей участвуют в процессах рассеяния света, что особенно проявляется в коротковолновой видимой области спектра, в то время как в инфракрасной области это происходит гораздо слабее - рассеяние очень сильно зависит от частоты света и коротковолновое излучение рассеивается в воздухе значительно сильнее длинноволнового. Падающее излучение вызывает колебания дипольных моментов атомов и молекул и заставляет их излучать полученную энергию. Излучение это происходит в произвольном направлении (хотя, в общем случае, вероятность для разных направлений различна), в результате часть солнечного излучения, поступающего к Земле, возвращается назад, в космос. Происходят в атмосфере и мощные процессы поглощения и дальнейшего переизлучения лучистой энергии в резонансных полосах поглощения и излучения молекул (рассеяние же происходит при любой частоте возбуждающего излучения, но взаимодействие в этом случае значительно слабее). При этом происходит переход между уровнями в энергетическом спектре молекулы, который образуется электронными, а также колебательными и вращательными энергетическими уровнями молекулы. В дальнейшем полученная энергия переизлучается молекулами в различные стороны, и потому часть лучистой энергии возвращается обратно, в сторону источника излучения.

Итак, если в атмосферу вводится вещество, которое сильно поглощает и переизлучает во всех направлениях инфракрасное излучение, которым отводится энергия от Земли в космос, то часть отдаваемой в космос энергии будет возвращаться назад, к поверхности. При этом ухудшатся условия отвода энергии от поверхности. Если взаимодействие с видимым светом, дающим основной приток солнечной энергии к Земле, у этого вещества будет значительно слабее, чем с инфракрасным излучением, то поток энергии, приходящий к поверхности, станет больше уходящего с нее потока, нарушится их баланс. Вначале снизится и поток излучения в космос. Но поверхность начнет разогреваться, излучение ее будет усиливаться, и в конце концов, часть этого потока, остающаяся после прохождения сквозь атмосферу (другая часть возвращается назад к поверхности), сравняется с потоком энергии, приходящим из космоса. Установится новое равновесное состояние, которое будет сохраняться до тех пор, пока в атмосфере опять не изменится количество упомянутого вещества. Суть парникового эффекта как раз и состоит в том, что направленный в космос от поверхности поток энергии в инфракрасном диапазоне поглощается молекулами некоторых газов и переизлуча-ется ими во все стороны (в том же диапазоне), а значит половина поглощенного данными молекулами потока энергии возвращается назад, к поверхности Земли, что дополнительно разогревает ее. Именно с изменением величины этого эффекта связывают сейчас происхо-

дящее потепление климата. Этот фактор четко привязан к происходящей последнее время активизации человеческой деятельности и в отличие от большинства других факторов может меняться столь быстро и мощно как ныне.

На радиационные потоки большое влияние может оказывать антропогенное изменение подстилающей поверхности, изменение альбедо из-за сведения лесов, таяния снежного покрова и т.п. Некоторое влияние на температуру оказывают также изменения активности солнечного излучения и колебания альбедо земной поверхности, которые зависят от относительной площади континентов и океанов и от наличия на земной поверхности снежного и ледяного покровов. Леса на нашей планете, занимающие около 28% суши, и мировой океан, занимающий 70% всей поверхности Земли, также могут влиять на глобальный углеродный цикл, содержание СО2 в атмосфере и климат. По мере роста леса поглощают углекислый газ из атмосферы и накапливают его в фитомассе и лесном гумусе. По оценкам Всемирного фонда живой природы (World Wildlife Fund) на леса приходится 80% углерода, содержащегося в растительности, и 40% - от общего содержания в почве. Ученые оценивают, что каждый год 1.6-1.0 млрд. т выбросов углерода в атмосферу не поглощаются за счет уничтожения лесов и изменения способов землепользования. Повышенная активность всей "зеленой массы" Земли, вызванная озеленением планеты, может сгладить некоторые последствия глобального потепления. Благодаря увеличению лесных насаждений растения станут поглощать больше углекислого газа. Это может уменьшить отрицательные последствия парникового эффекта, снизить среднегодовую температуру, замедлить процесс таяния ледников и т. д.

Величина приходящей солнечной радиации (342 Вт/м ) равна количеству отраженной радиации (107 Вт/м2) плюс величина исходящей от Земли длинноволновой радиации (235 Вт/м ) - (ВМО, 2003). По порядку величины нарушение, вызванное антропогенной деятельностью, составляет менее 3 Вт/м2 или менее 1% от общего баланса.

Изменение притока солнечной радиации на 1% изменяет температуру нижнего слоя атмосферы приблизительно на 1.5°С, изменение альбедо системы «Земля-атмосфера» на

0.01, обусловленное колебаниями среднего альбедо земной поверхности, приводит к изменению температуры примерно на 2°С. Почва поглощает огромное количество солнечного тепла, отражая при этом от 0.1 до 0.3 лучистой энергии.

На рис.1 и 2 представлены коэффициент отражения проб пылевого аэрозоля и проб почвы, собранных нами по пути распространения пылевой мглы на юге Таджикистана [1].

Альбедо поверхности или отражающей способностью называется отношение количества отраженной поверхностью Земли лучистой энергии к количеству падающей, выраженное в процентах. Альбедо колеблется (в %): чернозем влажный - 8, сухой - 14, серозем влажный - 10-12, сухой - 25-30, глина - 16-23, трава зеленая - 26, песок белый и желтый -

34-40, пшеница - 10-25, хлопчатник - 20-22, снег сухой - 88-91. Для Таджикистана изменения альбедо поверхности представлены в табл. 1.

Рис.1. Спектр удельного поглощения проб пылевого аэрозоля и проб почв в видимой области.

Рис.2. Динамика изменения средней годовой температуры приземного воздуха в г.Душанбе.

Продолжительность солнечного сияния в Таджикистане составляет от 280 до 330 дней в году, а плотность солнечного излучения доходит до 1 кВт/м и более. Дни «без солнца» в Таджикистане наблюдаются редко - 34-50 дней в долинно-предгорных районах и 10-12 в высокогорьях, и лишь на леднике Федченко их количество составляет 81 день. Наибольшее количество дней «без солнца» наблюдается в зимнее время 6 - 12 дней. С июня по сентябрь

наблюдается всего 1-5 дней «без солнца» в десятилетие. Приход солнечной радиации на горизонтальную поверхность при ясном небе в полуденные часы на равнинной части террито-

2 2 рии составляет 0.33-0.81 кВт/м , в горных районах - 0.46-1.02 кВт/м . наличие облачности

уменьшает приходящую солнечную радиацию и радиационный баланс. В целом за год облачность снижает поступление прямой радиации на 32-35% от потенциально возможной для равнинной части и на 50% - для горной части. Суммарная радиация определяется общим приходом прямой и рассеянной радиации на горизонтальную поверхность. Максимальной интенсивности суммарная радиация на всей территории республики достигает в мае-июле.

Интенсивность суммарной радиации изменяется для предгорных районов от 280 до 925

2 2 мДж/м . В высокогорных районах она колеблется от 360 до 1120 мДж/м .

Таблица 1

Альбедо некоторых поверхностей, характерных для Таджикистана

Рельеф Общая площадь ( в тыс.км2 ) Альбедо

Горы 133.08 8-10

Ледники 8.0±0.4 88-91

Равнины 10.0 20-26

Пустыня 2.0 34-40

Здания и сооружения 10-25

Сельскохозяйственные поля 14.23 20-28

Необходимо внедрение новых методов земледелия и проведение ряда адаптационных, агромелиоративных, почвозащитных и лесозащитных мероприятий 15.0 20-28

Измерения, проведенные нами в условиях высокогорной аридной зоны, указывают на среднее значение Р=0.61 при вариациях Р от 0.40 до 0.78. Оценка показывает, что при таком изменении прозрачности происходит уменьшение потока прямой радиации А1/1-35-50% в случае пылевого выноса относительно фоновых значений. Наши оценки, показывают, что изменения потока суммарной радиации Q в безоблачных условиях при уменьшении прозрачности от 0.78 до 0.40 составляют: А <3/С>~20-30%. Таким образом, интегральная прозрачность атмосферы является характеристикой атмосферы, в значительной степени определяющей потоки солнечной излучения.

Определение интегральной прозрачности атмосферы проводилось с помощью актинометра в системе автоматического слежения за Солнцем. Синхронно проводились измерения отраженной и рассеянной радиации. В табл. 2 представлено изменение потока прямой, суммарной и отраженной радиации и увеличение рассеянной радиации при пылевых эпизодах по сравнению с фоновыми значениями. Как видно из табл. 2, одновременно с уменьшением (ослаблением) потоков прямой, суммарной и отраженной радиации при пылевом выно-

се происходит увеличение рассеянной радиации, тогда как в фоновых условиях R/D-2.7 в случае пылевого выноса составляет 0.5-1.5.

Таблица 2

Изменение радиационных параметров атмосферы при различных сценариях запыленности воздуха

Потоки, кВт/м2 1 сценарий 2 сценарий 3 сценарий

I 0.300 0.442 0.433

Q 0.193 0.180 0.191

R 0.049 0.065 0.081

D -0.107 -0.262 -0.242

Было оценено альбедо однократного рассеяния со^Х о , характеризующее соотношение поглощения и рассеяния в атмосферном аэрозоле. Величина альбедо однократного рассеяния, равная 0.85 широко используется как критическое значение, разделяющее тенденции глобального охлаждения со^Х о>0.85 и глобального нагревания со^Х о<0.85 [2]. Поэтому для частиц различного размера направление температурных изменений зависит от того, каким образом поглощающие вещества входят в аэрозоль.

Отсюда вытекает, что простое знание количества поглощающего вещества в атмосферном аэрозоле недостаточно для оценки его потенциального воздействия на климат.

Сбор проб пылевого аэрозоля в результате пылевого выноса показывают, что в нем доминирует “серые” частицы над смесью “черных” и “белых”. “Серые” частицы поглощают сильнее, чем смесь “черных” и “белых” частиц, и различие между ними существенно: отношение значений ( 1-£УаДо ) для этих двух моделей аэрозолей равно примерно 3. Сам факт ¿УаДо>0.85, по-видимому, приводящий к глобальному охлаждению, показывает, что пылевой аэрозоль является заметным поглощающим компонентом в атмосфере.

ЛИТЕРАТУРА

1. Абдуллаев С.Ф. Экспериментальное исследование оптических и микрофизических характеристик пылевого аэрозоля в условиях аридной зоны Таджикистана. - Дисс...к.ф.м.н., М., 1994, 183 с.

2. Борин К, Хафмен Д. Поглощения и рассеяния света малыми частицами, М.: Мир, 1986, 664 с.

Физико-технический институт им. С. У. Умарова Поступило 28.07.2008 г.

АН Республики Таджикистан

Б.И.Назаров, С.Ф.Абдуллаев, В.А.Маслов БА^ОДИ^Й БА ТАЪСИРИ НУРИ ОФТОБ ВА ИНЪИКОСИ САТ^И ЗАМИН БА ТАГЙИРЁБИИ ИЦЛИМ

Ба сели радиационй тагйирёбии инъикоси сатхи Замин бо воситаи таъсири ода-мон ба вучуд мепайвандад, тагйирёбии коэффиисиенти иньикоси сатхи замин аз сабаби нест кардани чангалзорхо,обшавии пирьяххо ва гайра ба вучуд омада метавонад. Ба харорати хаво инчунин тагйирёбии фаъолияти нури офтоб ва коэффитсиенти инъикоси сатхи Замин, ки аз масохати нисбии китъахо , укёнусхо ва мавчудияти барф ва пиряххо дар сатхи Замин вобастагй дорад, алокдманд аст.

B.I.Nazarov, S.F.Abdullaev, V.A.Maslov ASSESSMENT OF INFLUENCE OF THE DIRECT OF SOLAR RADIATION AND ALBEDO SURFACE TO GLOBAL CLIMATE CHANGE

At the flow of radiation can have great influence physical modification of the underlying surface, changing albedo because of deforestation, melting snow cover, etc. Some impact on temperature changes have also activity fluctuations in solar radiation and the earth's surface albedo, which depend on the relative size of continents and oceans and the availability on the Earth's surface snow and ice cover.