Фетт В. Атмосферная пыль

Подождите немного. Документ загружается.

24-2

Часть II. Значение атмосферной пыли

сопровождалось большими и длительными аномалиями

поляризации, которые постепенно проходили, подобно

остальным оптическим аномалиям.

Незначительные аномалии в расположении нейтраль-

ных точек также объясняются содержанием пыли в ат-

мосфере. По мнению Зюринга [150], первый максимум

высоты Б-точки, или минимум высоты А-точки, при вы-

соте солнца —Г обусловлен тем, что солнечные лучи

пронизывают нижний слой пыли в атмосфере. Скачко-

образные перемещения А-точки при высоте солнца

между —1,5° и —3,5° заметны только при единичных

измерениях. При высоте солнца ниже —3,5° наблю-

дается более быстрое повышение А-точки и на основа-

нии среднегодовых показателей. Эти изменения расстоя-

ния А-точки от солнца можно связать с прохождением

света через пограничный слой пыли на высоте 4000 м,

представляющий собой, по мнению Хэмфри, эффектив-

ную поверхность излучения. Подобным же образом объ-

ясняется вторичный минимум высоты Б-точки при сред-

ней высоте солнца —3°. При высоте солнца ниже —5°

начинает влиять слой тропопаузы, и расстояние Б-точки

от солнца сильно уменьшается, а расстояние А-точки

значительно возрастает.

Направление ветра влияет на содержание пыли

в верхних слоях атмосферы и, следовательно, на распо-

ложение Б- и А-точек. Сила западного ветра увеличи-

вается по направлению вверх в среднем значительно

Таблица 28

Отклонения от средней величины расстояния

нейтральных точек до солнца [150]

Направление ветра

Отклонение от средней величины

Направление ветра

Б-расстояние

А-расстояние

Восточное

1°

—0,7°

Западное

0,2°

0,1°

Северное

0,4°

0,7°

Южное

—0,5°

—0,9°

Гл. 1. Значение пыли в геофизике

215

быстрее, чем сила восточного ветра. Кроме того, с уве-

личением высоты нередко происходит изменение напра-

вления восточного ветра, достигающее 180°, что спо-

собствует скоплению пыли и, следовательно, увеличению

высоты Б-точки. В табл. 28 приведены отклонения от

средней величины А- и Б-расстояний, наблюдавшиеся

при различном направлении ветра [150].

Сравнительно высокое расположение Б-точки при

восточном ветре отчетливо заметно и при единичных

измерениях. Менее постоянно по размеру и частоте

отрицательное отклонение А-точки. Более резкие откло-

нения Б-точки обычно положительны, а встречаю-

щиеся отрицательные отклонения в среднем невелики.

Изменение отклонений А-точки носит обратный харак-

тер.

Иенссен [155] полагает, что Б-расстояния'обусловли-

ваются главным образом высокорасположенными за-

мутненными слоями воздуха. Правда, в 1937 г. [156] он

привел также мнение Виганда [157], утверждавшего,

что характерное увеличение Б-расстояния вызывается

приземным замутненным слоем. С оговорками Иенссен

отмечает и попытку Попова [158] установить на основа-

нии положения минимума степени поляризации в зените

нижнюю границу замутненного слоя. В табл. 29 приве-

дены данные Иенссена, показывающие корреляцию

Таблица 29

Корреляция между А- и Б-расстояниями и ослаблением

поляризации под влиянием пыли

Период времени

Место измерения

поляризации

Коэффициент корреляции

между ослаблением поляри-

зации пылью в Давосе и

А- и Б-расстояниями

А-расстояние Б-расстояние

при высоте при высоте

солнца 4,5° солнца 4,5"

1912—1917 гг. Катания

0,94 + 0,03 0,84 ±0,08

0,93 + 0,04 09,8 + 0,01

0,94 ±0,03 0,995 ±0,003

0,92 ±0,04 0,95 ±0,02

Арнсберг

Гамбург

Потсдам (Бабельсберг)

24-2

Часть II. Значение атмосферной пыли

между расположением нейтральных точек и ослабле-

нием поляризации под влиянием пыли, измеренным

Линдгольмом [159] в Давосе.

Степень поляризации и местоположение нейтральных

точек не только зависят от состояния погоды и запылен-

ности атмосферы, но претерпевают также периодические

вековые колебания. Необходимо систематически соби-

рать данные о поляризации света, рассеянного атмо-

сферой, при различных климатических условиях [150].

Нейбергер [160] указал на отставание исследований

расположения А-точки, имеющих, по его мнению, боль-

шое значение, и привел найденную им связь между раз-

мером витающих в воздухе частиц и расположением

этой точки. В последнее время обращено внимание на

изучение степени поляризации, количественное опреде-

ление которой значительно усовершенствовано. Недавно

Дитце [161] разработал теоретические основы поляри-

зации света в мутной атмосфере и, таким образом,

создал многообещающий метод исследования аэрозо-

лей, что позволит расширить исследование максималь-

ной степени поляризации и ее суточного хода.

Тепловое излучение и температура

О влиянии пыли на тепловое излучение свидетель-

ствуют следующие наблюдения. Если не содержащий

пыли высокий слой воздуха нагреется до более высокой

температуры, чем соседние слои, то расположенные на

поверхности земли актинометрические приборы не уло-

вят этого нагрева. Тепло, излучаемое более нагретой

воздушной массой, поглотится на расстоянии несколь-

ких десятков метров, так как воздух отличается крайне

низкой теплопроводностью. Приборы уловят этот на-

грев в том случае, если в слое содержатся пылинки,

особенно частицы сажи, которые по характеру излуче-

ния более или менее приближаются к абсолютно чер-

ному телу. Подобно молекулам воздуха, пылинки, также

поглощают тепло и излучение, но спектр испускания

у них сплошной. Следовательно, они излучают и такие

волны, которые не могут ни излучаться, ни поглощаться

молекулами воздуха. Благодаря этим «пустым местам»

Гл. 1. Значение пыли в геофизике

217

в атмосферном спектре испускания излучение пылинок

достигает мирового пространства и поверхности земли,

а более нагретый слой воздуха охлаждается. Кроме

того, атмосферная пыль частично поглощает тепло,

* испускаемое земной поверхностью в мировое простран-

ство через эти «пустые места» атмосферного спектра, и

таким образом уменьшает ночное охлаждение призем-

ных слоев воздуха [162, 163].

Речке [111] считает, что пыль, наоборот, способствует

ночному понижению температуры приземных слоев воз-

духа. Каждая витающая пылинка окружена пеленой

воздуха и составляет с ней как бы одно целое. Охла-

ждаясь благодаря излучению, пылинки отнимают тепло

у окружающего их воздуха, общая их масса становится

больше, и они оседают. Этот обратный поток ускоряет

понижение температуры приземного слоя атмосферы.

Речке утверждает, что при сухой погоде ночное охла-

ждение тем сильнее и скорее, чем больше загрязнен

воздух.

Для предотвращения вреда, причиняемого замороз-

ками, вблизи от поверхности почвы создают искусствен-

ный толстый слой дыма и пыли, уменьшающий эффек-

тивное излучение почвы. Измерения, произведенные

с помощью пиргеометра Ангстрема, показали, что этим

способом можно уменьшить потерю тепла с 0,12 до

0,071 кал

•

см'

•

мин~К Однако такое уменьшение излуче-

ния на 42% замедляет понижение температуры под ды-

мовым покровом всего лишь на 0,5° [164] (см. также

стр. 277). Опыты с туманом хлористого цинка и дымом

тяжелого топлива и каменноугольной смолы показали,

что в области волн длиной 3-Ю""

—13• 10~

см, вклю-

чающей максимум излучения почвы (волны длиной

10- 10~

см), дым проницаем, хотя он делал почву неви-

димой [165]. Согласно экспериментальным данным, пря-

мая защита от радиационного выхолаживания почвы

только замедляет понижение температуры, так как она

уменьшает потерю тепла за счет излучения, но не за

счет теплопроводности. По сравнению с подводом тепла

прямая защита оказывает более длительное воздей-

ствие [166] (см. также стр. 277). Если в ясную ночь воз-

никает инверсионный слой, то при достаточной влажности

24-2

Часть II. Значение атмосферной пыли

скопляющиеся в нем пылинки, обладающие способно-

стью к излучению, способствуют образованию слоистых

облаков, которые задерживают излучение почвы.

Витающие в атмосфере пылинки вызывают еще одно

явление: поглощая и излучая тепло, они ускоряют днев-

ное перемешивание и нагревание приземного слоя воз-

духа. Излучаемое пылью тепло распространяется одина-

ково во всех направлениях, и поэтому пыль подобно во-

дяному пару является причиной духоты [167]. Измере-

нием обнаружено, что в Вене в слое воздуха высотой

72 м от уровня земли теряется 5,7% радиации солнца.

Это тепло нагревает указанный слой воздуха в среднем

на 2° в час, что вызывает ощущение духоты [168].

Возможно, что изменения интенсивности излучения

солнца и земли, обусловленные наличием пыли в воз-

духе над городом или промышленным центром, приво-

дят к местным конвергенциям и дивергенциям, которые

в свою очередь влияют на распределение пыли [169].

Из наблюдений Гётца [170] следует, что при сильно

запыленной атмосфере интенсивность прямой солнеч-

ной радиации уменьшается. 25 мая 1935 г. при гря-

зевом дожде над восточными склонами Альп безоблач-

ное небо было поразительно серым и гелиограф начал

регистрацию лишь после того, как солнце поднялось на

12°. При высоте солнца 40° вместо нормальной

величины 1,42 кал

•

см~

•

мин~

радиация равнялась

1,08 кал

•

см~

•

мин, что обычно наблюдается уже при 14°.

Гётц определил, что в течение одного дня, отличавше-

гося резкими оптическими аномалиями, суммарная теп-

ловая солнечная радиация уменьшилась на 3%

[

. По дан-

ным Бюттнера [171], потеря прямой солнечной радиации

вследствие дымки большого города составляет 20%' во

всех областях спектра.

Кимбалл [172] построил кривую, изображающую

среднюю месячную мощность солнечной радиации, по-

ступавшей на Землю в 1883—1918 гг.; из кривой видно,

что эта величина уменьшается под влиянием вулкани-

ческих извержений (фиг. 60). Считается, что Кимбалл

недостаточно полно объясняет причины уменьшения

мощности солнечной радиации, поступающей на Землю.

Кроме того, его кривая построена по данным 13 стан-

Гл. 1. Значение пыли в геофизике

219

ций, находящихся на небольшой части земной поверх-

ности. Более подробный анализ показал, что уменьше-

ние мощности солнечной радиации наблюдается и при

отсутствии вулканической деятельности, а также без из-

менения количества пятен на солнце (1894—1901, 1905—

1911 гг.) [173].

Некоторые авторы считают, что помутнение атмо-

сферы, вызванное вулканической пылью, является при-

чиной колебаний климата. По наблюдениям Хэмфри [174],

1.20

110

100

seises 87eg899091 92 S3

9595 97

98 99190001^2 05

04 U5

0708 09

ifyli 14

1718

% %

1.20

110

100

Н*

120

110

100

1.20

110

100

Sri

120

110

100

1.20

110

100

ft»

-i

120

110

100

1.20

110

100

-v

120

110

100

1.20

110

100

120

110

100

1.20

110

100

120

110

100

1.20

110

100

120

110

100

1.20

110

100

it!

120

110

100

Фиг. 60. Средняя величина мощности солнечной радиации, посту-

павшей на Землю в отдельные месяцы 1883—1918 гг. в процентах

от ее нормальной месячной величины [100, 172].

Отчетливо вицио ее понижение после извержений Кракатау (1883 г.), Пеле, Св. Ма-

рии, Колима (1902 г.), и Катмая (1912 г.). Считается, что эти данные нельзя распро-

странять на всю земную поверхность.

сравнительно крупная исландская вулканическая пыль

способствовала повышению температуры летом 1783 г.

Три последующих года были заметно холоднее вслед-

ствие повышенного содержания в воздухе мельчайшей

пыли, образовавшейся при извержениях вулкана Асама.

В 1815 г. после извержения Томборе средняя темпера-

тура в Европе понизилась на 1,1° против обычной сред-

ней величины; это в такой степени повлияло на рост

флоры, что 1816 г. получил название «года без лета».

По наблюдениям Аббота (см. [100]), летом 1912 г. пыль,

изверженная Катмаем, уменьшила поступающее на

Землю количество солнечной радиации в северном уме-

ренном поясе на 10%. В северном полушарии в сен-

тябре температура была на 0,9° ниже обычной, а в пе-

риод с июня 1912 г. по октябрь 1913 г. понижение

среднесуточной температуры составляло 0,16° [172].

Хэмфри [175] считает, что в результате сильной И

24-2

Часть II. Значение атмосферной пыли

достаточно длительной вулканической деятельности мо-

жет наступить ледниковый период. Он отмечает, что зна-

чительное несоответствие между кривыми температуры и

кривыми солнечной активности наблюдается всегда

одновременно с сильными вулканическими изверже-

ниями [176].

На основании анализа обширного материала, при-

веденного в синоптических сводках, Джентилли [177]

установил, что сильные вулканические извержения

1883, 1912 и 1921 гг. не вызвали заметного понижения

температуры на больших пространствах и что приве-

денные некоторыми авторами данные о колебаниях

климата, вызванных извержениями вулканов, могут быть

отнесены лишь к ограниченным территориям. Однако

надо иметь в виду, что если бы, например, вся пыль,

изверженная Катмаем в 1912 г., оставалась в атмосфере

столь длительно, что могли бы сказаться полностью

последствия уменьшения мощности поступающей на

Землю солнечной радиации, и если бы в это время не

действовали противоположные факторы, то, по расче-

там Хэмфри, температура воздуха понизилась бы на

6—7°. При достаточной продолжительности понижения

температуры оно вызвало бы оледенение, аналогичное

наблюдавшемуся в ледниковый период. Но подобное

объяснение возникновения ледникового периода несо-

стоятельно потому, что пыль не может так долго оста-

ваться в воздухе [178].

Нельзя не отметить, что осевшая пыль способствует

таянию снега и ледников, заметно уменьшая отража-

тельную способность их поверхности. В Швейцарии

29 марта 1947 г. снежный покров вследствие массового

выпадения пыли (3 г/ж

) окрасился в грязно-желтый

цвет, а затем при первом снегопаде снова стал бе-

лым. При весеннем таянии это уменьшение отражатель-

ной способности увеличило поглощение солнечной ра-

диации на 1,9 ккал/см

и тем самым ускорило исчезнове-

ние снега. 46%' пылинок имели размеры 30—80-Ю

-4

см

[179]. Частицы сажи, осаждающиеся на ледниках, кото-

рые расположены в индустриальных странах, также

влияют на таяние льда. Насколько велика их роль

в отступании ледников, наблюдающемся на протяжении

Гл. 1. Значение пыли в геофизике

221

последних пятидесяти лет, решить трудно, так как оле-

денение подвержено вековым колебаниям. Показа-

тельно, что этот процесс протекает в более запыленных

Восточных Альпах быстрее, чем в Западных [180]. Оса-

ждающаяся на фирновых полях и ледниках пыль гор-

ных пород также способствует таянию снега и льда.

Радиоактивное излучение

Распределение и величина радиоактивности в атмо-

сфере в большой степени зависят от радиоактивных

источников, возникших благодаря деятельности чело-

века. Следует даже считать, что человек оказывает

решающее влияние на распределение долгоживущих

продуктов распада.

777777777777Z7777777/'

'/ Радиоактивные s.'/s.'Z*

'/уЪрозШ, '/'У/ЛЬ

ЩШУШ.

i'i*V,

т / /

/ '//

/иным течением //////,

Ыты

гения

Нерасщеппенные

23S

+Pu

239

Радиоактивные и\

топы,образовавшиеся„

под действием потопа неит-

изяучения

to им

Осаждение

1ы распада

i^rz;

tl IйошживуЛ

'£зщиепрод}/к-\

>тыраспада

•

§ Й

иц

Фиг. 61. Схема распределения искусственных и естественных

радиоактивных веществ в атмосфере [101].

Наряду с постоянными естественными радиоактив-

ными источниками земной коры все большее значение

приобретают постоянные искусственные источники, обу-

словленные строительством атомных реакторов, а также

временные источники, возникающие при взрывах. О рас-

пределении радиоактивного излучения по вертикали

можно судить по схеме, изображенной на фиг. 61 [101].

Взрывы вызывают непериодический сдвиг распределе-

ния на больших пространствах, который может

24-2

Часть II. Значение атмосферной пыли

сохраняться во всей тропосфере на протяжении года и

даже дольше. Горизонтальное распределение определя-

лось раньше географическими, геологическими и орогра-

фическими факторами, а также синоптическим поло-

жением в приземных слоях атмосферы и климатом.

В настоящее время оно зависит, кроме того, от место-

нахождения и рода реакторов, а при взрывах — от их

места и от погоды и климата в верхних слоях тропо-

сферы.

Распределение радиоактивных продуктов особенно

резко нарушается в приземном слое атмосферы. Это

объясняется, во-первых, тем, что источники искусствен-

ной радиоактивности активируют находящиеся в при-

земном слое частицы пыли, которые увеличивают актив-

ность воздуха. Во-вторых, в атмосферу попадают долго-

живущие продукты распада, которые активируют все

естественные и искусственные источники, вследствие

чего значительно повышается уровень радиоактивного

равновесного состояния. Ввиду большого значения

искусственной радиоактивности во всех странах прово-

дят ее всесторонние измерения.

Некоторые результаты этих измерений приведены на

стр. 301. Следует добавить, что, по данным Шу-

мана {181], в Германии на протяжении трех лет, начиная

с марта 1953 г., наряду с естественной радиоактив-

ностью всегда удавалось обнаружить и радиоактивные

продукты распада от взрывов атомных бомб.

Весьма интересен вопрос о том, какое влияние мо-

жет оказать повышение радиоактивности в результате

взрывов атомных бомб па погоду и климат на больших

пространствах. Замечено, что после взрывов атомных

бомб наступает непогода и бури, чаще возникают тор-

надо и другие атмосферные аномалии. Исследования

показали, что влияние атомных взрывов на погоду и

климат имеет лишь местный и временный характер

[182—184]. Заслуживает внимания сообщение японских

ученых о том, что первый большой взрыв водородной

бомбы летом 1954 г. вызвал такие лее климатические

аномалии, как и помутнение атмосферы, обусловленное

вулканической пылью [185]. Влияние радиоактивной

пыли на атмосферное электрическое поле (стр. 225)

Гл. 1. Значение пыли в геофизике

223

еще недостаточно ясно,, так как нет точных данных о за-

висимости между погодой и этим полем [186]. Повыше-

ния содержания зародышей льда при увеличении числа

радиоактивных частиц пока не выявлено [187]. Опасе-

ния, что искусственные радиоактивные аэрозоли будут

оказывать вредное влияние на погоду и климат, вполне

понятны [188], и Всемирная метеорологическая органи-

зация занята анализом результатов исследований в этой

области.

Атмосферное электричество

Пыль влияет на электрическое поле атмосферы, так

как в результате абсорбции малых ионов, дисперсии и

трения ее частицы приобретают электрический заряд

[189, 190]. Проводимость воздуха и содержание ионов

в нем зависят от его запыленности [191]. Надо заметить,

что в текущем столетии изучению воздушных масс зна-

чительно содействовали исследования, посвященные

дальности радиосвязи и атмосферным помехам [102].

Установлено, что большая часть крупных ионов обычно

заряжена отрицательно и что более крупные частицы

аэрозолей, по-видимому, легче абсорбируют отрицатель-

ные ионы [117]; слои дымки и туман почти всегда заря-

жены отрицательно.

Вторгающиеся в атмосферу частицы космической

пыли образуют ионизационный канал с плотностью

электронов, иногда в 1000 раз превосходящей плотность,

обычную для ионосферы [192].

При песчаных бурях наблюдаются облака двух ви-

дов: облака, образованные очень малыми отрицательно

заряженными кварцевыми пылинками, и облака из бо-

лее крупных, положительно заряженных частиц кварца.

Указанное явление вызывается электричеством, возни-

кающим при трении (трибоэлектричество). Во время

одной из бурь изменяющиеся заряды отдельных облаков

создавали электрическое поле с разностью потенциалов

80—150 в. Измерения напряженности этого поля дают

основание предполагать, что еще до возникновения пес-

чаной бури образуются почти невидимые облака из

мельчайшей отрицательно заряженной пыли [193].