26
ПОГОВОРИМ НЕМНОГО
О ПОГОДЕ…
Кандидат физико-математических наук
В. М. БУВНОВ
В давние времена правильного топления предписыли при первом знакомствеzteвать разговор о погоде. Поговорим о ней и мы, а именно о той стороне вопроса, которая касается движения атмосферы как некоторого физического объекта; ведь, в конце концов, погода в любой точке нашей планеты определяется движением атмосферных масс. Однако такое движение является настолько сложным, что точное предсказание поведения атмосферы на длительный срок не представляется возможным. Для получения достаточного удовлетворительного прогноза погоды требуется гармоничное развитие двух направлений. Первое направление — уvelищение частоты изменений основных параметров atmosферы (температура, давление, влажность, скорость ветра и т. д.) и уменшение расстояний между точками, в которых эта информация chimaiot. Второе направление, которое является предметом изучения физики atmosферы, — исследование основных физических закономерностей, определяющих atmosферы процессы.
Модель Хэдли
При рассмотрении очень сложных объектов (а атмосфера безусловно относится к таким объектам) физики страдают постройные модель и в рамках этой модели рассматривать поведение объекта. Переход от объекта к модели является наиболее важным шагом любого исследования. С одной стороны, модель должна отражать те характеристики объекта, которые мы изучаем, т. е. удовлетворять экспериментальным и натуральным данных, с другой — она должна быть достаточно простой для понимания и теоретического описания. Какая же самая простая модель удовлетворяет этим требованиям при рассмотрении крупномасштабных движений atmosферы?
Прежде всего, модель должна учитывать основные факторы, определяющие эти движения.
Первым фактором следует назвать силу gravitationного взаимодействия. Эта сила в значительной степени регулирует газовый состав atmosферы и определяет способность планеты удерживать свою атмосферу. Чем больше масса планеты, тем проще ей удерживать легкие газы; при малой массе врашающее тело может совсем лишиться atmosферы (возможно, именно поэтому нет atmosферы у Луны).
Вторым важным фактором является облучение планеты солнечной радиации. Количество энергии, поступающих к планете от Солнца, зависит от времени суток, а также от наклона орбиты (зима — лето, экватор — полос). В среднем на каждый квадратный метр земной поверхности от Солнца ежескундно поступает энергия 1372 Дж. (Зная радиус Земли, легко вычислить суммарный поток энергии, поступающих от Солнца.) Падающие на Землю лучи частично отражаются; отношение отраженной радиации к радиющей называется альбедо поверхности. Альбедо surfaces в зависимости от вида поверхности, принимаем значение от 0,1—0,15 для океана до 0,6—0,8 для чистого снега; в среднем для Земли альбедо примерно 0,3. Чем больше энергии приходит в данное место планеты, тем сильнее оно нагревается. Нагретий воздушистry вхлопьет — опускается, и в результате в атмосфере возникают вер-
28
яснение, не зная о работе Хэдли, для значений философ Иммануил Кант (1756 год) и Джон Дальтон (1793 год). Естественно, что за прошедшее 250 лет наши знания о темной атмосфере сильно изменились, и в связи с этим неоднократно изменялись и дополнялись схема общей циркульции (рис. 2 и 3), однако и сейчас она еще далека от совершенства.
Циклоны и антициклоны
Всякий раз, служая прогноз погоды, мы узнали о передвижении или взаимодействии циклонов и антициклонов, т. е. вхревых образованный, размеры которых соответствуют километров. Как связать наличие этих образованный с общей циркульцией атмосферы? Оказывается, что в зависимости от основных определения параметров (скорости вращения Земли, перепада температур в направлении экватор — полос и т. д.) конвективная ячейка может быть как устойчивой — и в этом случае развивается циркульция Хэдли, так и неустойчивой, как это наблюдается на Земле, где образуется волновое движение, состоящее из различного числа вхрей. В атмосфере обычно наблюдаются пять-шесть крупных вхрей. Если же все вхревые движения осреднить за достаточно большой промежуток времени, то осреднение движения будет аналогично рассмотренной нами зональной циркульции.
Проще всего схему образования крупномасштабных вхрей рассмотреть в laboratorном эксперименте. Берутся два металлических цилиндра и установливаются сосно. Внутренний цилиндр соответствует полюсу — его охлаждают, внешний соответствует экватор — его нагревают. Между цилиндрами налита жидкость. Если система вращается с постоянной угловой скоростью, то в ней могут наблюдаться различные режимы движения. При малой скорости вхрения частицы движются от внешнего цилиндра к внутреннему по спирали, так что жидкость относительно неподвижного наблюдается вхристое, чем цилиндры (рис. 4). Если увеличивается вхревая картина постоянно наблюдается на картах погоды, особенно в южном полушарии, в котором влияние материалов не столбило, как в сверном. Однако из таких карт приведена на рисунке 6.
29
Если прициппальная схема образования цикловов и антицикловов достаточно проста, то детальное описание их движений развито слабо и прежде всего потому, что слишком много факторов определяют это движение. До сих пор мы рассматривали идеализированную атмосферу, а теперь рассмотрим возможность влияние материалов на общую циклуляцию atmosферы. Материки выше океанов, и особенно сильно изменяют движение atmosферы высокие горные хребты. Кроме того, средние температуры материалов и океанов сильно различаются, так как океаны больше инерты, они медленнее нагреваются, но заго и медленнее охлаждаются. На рисунке 7 представлены среднегодовая и средняя температура поверхности на ширете 55° в северном полушаринии для разных периодов года. Различие температур материалов и океана в зимнее время лишь немного меньше различия между темперарами полярных и тропических области. Такая тепловая недородность и влияние рельефа приводят к тому, что крупные вихри перестают передвигаться вместе с волной и в течение нескольких недель вихрь может не менять своего положения. Это состояние atmosферы получило название «блокирующий ситуации» и приводит к многочисленным катстрофическим последствиям, в первую очередь — к засухам.
Парниковый эффект и ядерная зима
Внешние факторы, определяющие движение atmosферы, практические не меняются со временем, но изменения, произходящие в атмосфере, в первую очередь вызванные влиянием человека, могут приципппальным образом изменить суммарное действие этих факторов. Расмотрим это на примере так называемого парникового эффекта и явления «ядерной зимы».
Что такое парниковый эффект? Как известно, всякие нагреты тела излучают тепло, и длина волны этого теплового излучения тем меньше, чем выше температура тела. От Солнца к
Земле приходит коротковolverное тепловое излучение, Земля же испускает длинновolverное. Если бы atmosфера одинаково пропускала эти виды излучения, то установилось бы определенное тепловое равновесие. Однако коротковolverное излучение слабо поглощается atmosферой, а длинновolverное сильно. В результате температуры atmosферы выше, чем это можно было ожидать, не учитывая поглощения в толще atmosферы. Каким же образом действие человека может сказаться на изменении температуры atmosферы?
В основном тепловое излучение Земли поглощается водяным паром, облаками и углекислым газом. За последние 150 лет относительная концентрация CO₂ в атмосфере увеличилась на 25 % и достигла 345 молекул на 1 миллион молекул воздуха. За счет
31
Молнии в кристалле
(Начало см. на с. 12)
Гетеролазеры изготовливаются миллионами штук в год, их применение перевернуло наши устоявшиеся представления во многих областях технически. Лазерная волоконно-оптичная линяя связывает за одну секунду передать такое количество цифровой информации, который могут быть закодированы все 30 томов BCЭ! Лазерное дисковое заполнение устойчивое, объемом с тумбочку письменного стола, способно «вместить» более миллиона книг. Оптичное интегральные схемы, используемые гетеролазеры, разработываются с прицелом на суперкомпьютеры, которые по производительности в тысячи раз будут преводиться ЭВМ.
Ну а почему «молнии в кристалле»? Да потому, что плотностьока в светодиах и лазерах может в несколько, а иногда и в десятики раз превышать плотностьока в разряде молнии. Значит, десятики «микромолний» сверкают в кристаллах, только управляются они волей человека и служат не разрушению: их вспышки вдохнули жизнь в оптоэлектронку.
Тому, кто сегодня или завтра посвятит себя светодиодам и лазерам, посчастливится работать на предмет мыслих для твердого тела физических и технических воздействий. Уже создана аппаратура, позволяющая выращивать такие полупроводниковые структуры, в которых состав и свойства меняются через каждый monoatomный слой. Создатель таких сверхрешеток попине обладает «могуществом бора» — он может по своему усмотрению распоряжаться судьбой каждого электрона: одного «посадить» в «квантовую яму», другого «замуровать» в «квантовый ящик», третьего пустить беспрерывенно «гулять» по всему кристаллу. Но… это уже приятней продельать, чем об этом писать. Поверьте мне. А еще лучше — подрастайте и проверьте сами.