Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Тонкая структура и внутренние термогидродинамические процессы конвективного пограничного слоя атмосферы

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Содержание диссертации, доктора физико-математических наук, Вульфсон, Александр Наумович

Введение.

Глава 1. О конденсации водяного пара на поверхности растворимых частиц аэрозоля, входящего в состав прибрежной дымки и оптическом коэффициенте ослабления.

§ 1. Уравнения состояния для объемов и концентраций растворов.

§ 2. Уравнения состояния для осмотического давления растворов.

§ 3. Химические потенциалы растворов и их паров.

§ 4. Закон Рауля и его модификация для однокомпонентных концентрированных и умеренно пересыщенных растворов.

§ 5. Экспериментальные данные об изменении радиуса капли, сформировавшейся на твердом растворимом ядре, в зависимости от изменения влажности.

§ 6. Равновесное давление пара над однородной каплей концентрированного и пересыщенного растворов нелетучего вещества.

§ 7. Вариационная формулировка задачи о давлении насыщенного пара над сферической поверхностью раствора нелетучего вещества.

§ 8. Концентрация насыщенного раствора в шаровом слое над сферической поверхностью растворенного вещества.

§ 9. Вариационная формулировка задачи о концентрации не испаряющего насыщенного раствора над растворимой сферической частицей.

§ 10.0 термодинамической устойчивости композитной капли неиспаряющего насыщенного раствора.

§ 11 .Зависимость предельного радиуса композитной капли и внутреннего радиуса ядра от исходных размеров сухого кристалла растворимого вещества.

§ 12.Равновесное давление пара над композитной каплей раствора.

Порог обводнения спектра растворимых ядер конденсации.

§ 13.Вариационная формулировка задачи о равновесии насыщенного пара над композитной каплей раствора.

§ 14.Атмосферная дымка как аэрозольное образование.

§ 15.Теория подобия и выражение коэффициента ослабления в прибрежной атмосферной дымке в форме закона Бера.

§ 16.Сопоставление экспериментальных данных о изменении коэффициента ослабления и эффективного радиуса аэрозольной частицы.

§ 17. Асимптотическая зависимость коэффициента аэрозольного ослабления от относительной влажности и длины волны.

Заключительные замечания и выводы.

Глава 2. Нестационарная проникающая конвекция в нейтрально стратифицированной атмосфере при воздействии точечных, линейных и плоских источников тепла.

§ 1. Постановка задачи о нестационарной проникающей конвекции в нейтрально стратифицированной атмосфере.

§ 2. Приближение вертикального пограничного слоя.

§ 3. Интегральные уравнения теории конвекции и понятие конвективного фронта.

§ 4. Метод Кармана-Польгаузена и уравнение распространения конвективного фронта над точечным источником.

§ 5. Подобие и универсальное уравнение распространения конвективного фронта.

§ 6. Автомодельные режимы распространения конвективного фронта.

§ 7. Интегральная модель конвективной струи над точечным источником тепла.

§ 8. Квазистационарные уравнения, как асимптотика решения вблизи точечного источника.

§ 9. Автомодельные уравнения развития конвективной струи над точечным источником тепла.

§ Ю.Численное описание конвективных автомодельных режимов развития струи над степенным и экспоненциальным точечным источником тепла.

§ 11 .Аналитическое описание автомодельного режима развития над точечным мгновенным источником тепла.

§ 12.Интегральная модель нагревания конвективного слоя над плоским горизонтально однородным источником тепла.

§ 13. Автомодельные решения для усредненной температуры нестационарного конвективного слоя над плоским горизонтально однородным источником тепла.

§ 14. Аналитическое описание автомодельного режима развития усредненных параметров распространения конвективного слоя над горизонтально однородным источником тепла линейно растущим со временем.

§ 15. Аналитическое описание автомодельного режима развития усредненных параметров распространения конвективного слоя над мгновенным горизонтально однородным источником тепла.

§ 16.Описание нестационарной проникающей конвекции в автомодельных переменных.

§ 17.0 распространении пассивной примеси, сопутствующей развитию проникающей конвекции в нейтрально стратифицированной атмосфере.

Заключительные замечания и выводы.

Глава 3. Нестационарная проникающая конвекция в устойчиво стратифицированной атмосфере при воздействии точечных, линейных и плоских источников тепла.

§ 1. Постановка задачи о проникающей конвекции в стратифицированной среде.

§ 2. Понятие конвективного фронта в стратифицированной атмосфере.

§ 3. Универсальное уравнение распространения конвективного фронта в устойчиво стратифицированной среде.

§ 4. Оценка коэффициентов универсального уравнения и физическая интерпретация обобщенной асимптотики Дирдорффа.

§ 5. Конвективный фронт над мгновенными источниками тепла в стратифицированной атмосфере.

§ 6. Конвективный фронт над плоскими источниками тепла в стратифицированной среде.

§ 7. Конвективный фронт над экспоненциальными источниками тепла в стратифицированной среде.

§ 8. Автомодельные решения нестационарных уравнений Буссинеска в стратифицированной среде.

§ 9. О распространении пассивной примеси, сопутствующей развитию проникающей конвекции в устойчиво стратифицированной атмосфере.

Заключительные замечания и выводы.

Глава 4. О приложении распределения Больцмана для статистического описания ансамбля конвективных термиков пограничного слоя атмосферы.

§ 1. Конвективный пограничный слой и его вертикальная структура.

§ 2. Математическая постановка задачи о конвективной струе над точечным источником тепла.

§ 3. Спонтанная стационарная струя в неустойчивом приземном слое атмосферы.

§ 4. Вынужденная стационарная струя в слое перемешивания.

§ 5. Алгебраические связи для усредненных параметров конвективных струй.

§ 6. Элементы статистической теории конвективного ансамбля.

§ 7. Классическая статистика идеального газа Максвелла и обобщенное уравнение Клапейрона-Клаузиуса для динамических систем.

§ 8. Плотность распределения конвективных термиков по размерам как решение обобщенного уравнения Клапейрона-Клаузиуса.

§ 9. Плотность распределения восходящих потоков по размерам в квазиоднородном слое.

§ Ю.О статистических закономерностях распространения субмикронной фракции аэрозоля в конвективном пограничном слое.

Заключительные замечания и выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Тонкая структура и внутренние термогидродинамические процессы конвективного пограничного слоя атмосферы"

Слой воздуха, непосредственно прилегающий к подстилающей поверхности и формирующий под ее воздействием специфические профили скорости, температуры и влажности традиционно называют пограничным слоем атмосферы. Неотъемлемой составляющей пограничного слоя атмосферы является природный и антропогенный аэрозоль. Таким образом, физика пограничного слоя атмосферы содержит как гидродинамическое описание многообразия его движений, так и теорию переноса, трансформации и оптических свойств аэрозоля, входящего в его состав.

Адекватное описание состояния пограничного слоя атмосферы является весьма актуальной и важной проблемой в связи с задачами:

• построения численного прогноза погоды;

• моделирования общей циркуляции атмосферы;

• исследования изменения климата;

• формирования облачности и осадков, а также их влияния на гидрологический цикл атмосферы;

• распространения и переноса природного аэрозоля и антропогенных загрязняющих веществ в атмосфере;

• образования и трансформации аэрозольных частиц;

• изменения оптических свойств аэрозоля и атмосферы;

• определения благоприятных условия для добычи полезных ископаемых и использования природных ресурсов, производства, строительства, функционирования транспорта, а также другой производственно-хозяйственной деятельности.

Многоцелевые исследования пограничного слоя атмосферы выполнены в экспериментах Канзас 1968, Миннесота 1973, ITCE 1976, EFEDA-91, BOREX-95, BLX-96 . Эти исследования показали, что глубина конвективного пограничного слоя подвержена суточным колебаниям. В дневные часы, когда интегральный поток тепла поступает от подстилающей поверхности в атмосферу, формирование пограничного слоя происходит в основном за счет процессов конвекции, поэтому дневной пограничный слой часто называют конвективным пограничным слоем. Высота конвективного пограничного слоя растет со временем и достигает в средних широтах 1.5-2 км. В ночные часы, когда интегральный поток тепла поступает от атмосферы к подстилающей поверхности, формирование пограничного слоя происходит, в основном, за счет процессов динамического трения. Высота ночного пограничного слоя практически постоянна и достигает в средних широтах нескольких сот метров.

Описание пограничного слоя может быть реализовано различными моделями. В рамках интегральной модели пограничный слой рассматривается как горизонтально однородное образование. Высота пограничного слоя определяется исходя из некоторого априорно заданного уравнения, тогда как вертикальные профили метеоэлементов определяются исходя из упрощенных турбулентных моделей, использующих различные варианты замыкания. Подобный подход к описанию пограничного слоя атмосферы был впервые предложен в работах Deardorff J. W., Willis G. E., Lilly D.K. (1969); Deardorff J.W. (1972). Указанный подход весьма эффективен в задачах численного крупномасштабного прогноза погода и моделирования общей циркуляции атмосферы. Шаг конечно-разностной сетки, принятый в этих задачах и имеющий порядок несколько сот километров, не позволя

1 См. статьи: Izumi Y.(1971); lzumi Y„ Gaughey J. S. (1976); Daer A. J., Bradley E. F. (1982); Kiemle C„ Kastner M„ Ehret G. (1995); Mikkelsen Т., Jorgensen H. E., Lofstrom P., Lyck E. (1996); Stull R. В., Santoso E„ Berg L, Hacker J. (1997). ет осуществить детальное разрешение метеополей, поэтому использование здесь интегрального описания пограничного слоя оказывается весьма конструктивным.

Многочисленные натурные и лабораторные эксперименты указывают на наличие существенных неоднородностей метеополей внутри конвективного пограничного слоя. Пусть h — высота конвективного пограничного слоя. Будем характеризовать вихри, образующие термогидродинамическую неоднородность, горизонтальным радиусом восходящих движений R. Максимальная величина R определяется внешним масштабом турбулентности, который, согласно статье Hunt J. С. R. (1998), равен примерно 3 • 101/г. Минимальная величина R, выбранная как 10~4h, по крайней мере, на порядок превосходит внутренний масштаб турбулентности. Наблюдаемые вихри условно можно классифицировать на крупные, средние и мелкие.

Крупные вихри, горизонтальные радиусы восходящих движений которых удовлетворяют условию 1-Ю"1 < R/ ИкЗЛО'1, образуют упорядоченные когерентные квазистационарные структуры высотой h, подобные конвективным ячейкам Бенара.

Мелкие вихри с горизонтальными радиусами восходящих потоков 10~4 <Rfh < Ю-2 неупорядочены и хаотичны. Изучение этих вихрей осуществляется в рамках теории турбулентности.

Средние вихри, т.е. вихри, горизонтальные радиусы восходящих движений которых R, удовлетворяют неравенству 10~3 <R/h < Ю-1, традиционно идентифицируются как термики. Их описание подчиняется динамическим уравнениям, однако, начальные условия для них носят случайный характер, связанный с зарождением термиков в неустойчиво стратифицированном приземном слое. Стохастический ансамбль термиков образует тонкую инфраструктуру пограничного конвективного слоя атмосферы. Исследование поведения этого ансамбля необходимо для описания конвективной облачности и зон осадков, а также при изучении некоторых вопросов переноса естественного аэрозоля.

Выполненный за последние десятилетия комплексный мониторинг воздушной среды убедительно продемонстрировал, что среди атмосферных параметров наибольшие изменения коснулись показателя мутности атмосферы. Так, например, согласно Мс. CormicR. A., LudwigJ. Н. (1967) с начала XX века мутность атмосферы в восточных районах США увеличилась примерно на 57% за 60 лет, а в Швейцарии на 88% за 30 лет. По данным работы Lovelock J. Е. (1971) мутность атмосферы увеличивается на 30% за десятилетие. Это явление, связывают с ростом концентрации атмосферного аэрозоля.

Природный или «фоновый» аэрозоль появляется в атмосфере при воздействии ветра на поверхность океана (брызги морской воды) или суши (песок пустынь), при извержении вулканов (пепел и сульфатные частицы вулканических выбросов серы), при лесных пожарах, отмирании растений и сгорании метеоритов, а также при конденсации газов и окислении газов, содержащих серу.

В зависимости от высотного распределения в атмосфере можно выделить: стратосферный аэрозоль, фоновый тропосферный аэрозоль и аэрозоль пограничного слоя атмосферы.

Стратосферный аэрозоль имеет максимум концентрации на высотах 15-20 км. Естественным источником стратосферного аэрозоля является вулканическая деятельность, следствием которой является образование сульфатных частиц. Антропогенным источникам стратосферного аэрозоля в какой-то мере является сверхзвуковая авиация.

Фоновый тропосферный аэрозоль состоит преимущественно из субмикронных фракций минеральной пыли и других конденсатных континентальных аэрозолей, образование которых связано с газофазной трансформацией малых газовых компонент.

Аэрозоль пограничного слоя атмосферы состоит из минеральной пыли пустынь, ядер конденсатного континентального аэрозоля и частиц морской соли.

Современные данные о составе и свойствах атмосферного аэрозоля получены в результате натурных экспериментов FACE-95, EXPRESSO-96, PEM-Tropics-962.

Частицы аэрозоля способны оказывать на атмосферу как химическое так и физическое воздействие. Химическое воздействие аэрозоля проявляется в колебаниях состава малых газовых компонент атмосферы, а также в изменении состава снежного покрова. Физическое воздействие аэрозоля проявляется в вариациях температурного режима и оптических свойств атмосферы. Весьма существенна роль аэрозоля в фазовых переходах влаги в атмосфере, а также при индикации (трассировки) движения воздушных масс.

Систематическое изучение влияния аэрозоля на термический режим атмосферы было впервые начато в исследованиях Кондратьев К. Я., Васильев О. Б., Ивлев О. С., Никольский Г. А., Смокти О. И. (1973). Полученные за последние годы оценки Kondratyev К. Ya. (1999) свидетельствуют, что похолодание глобального климата, обусловленное сульфатными аэрозолями, сравнимо по величине с потеплением, связанным с усилением парникового эффекта, см. Будыко М.И. (1980); Монин А. С. (1982). Природный и антропогенный аэрозоль влияет как на падающую солнечную радиацию, так и на инфракрасную радиацию, излучаемую земной поверхностью, поглащая и рассеивая ее. Знак и величина локального изменения

2 См. статьи: Bates Т. S. (1999); Rucllan S., Cachier Я, Gandichet A., Maslet P., Lacanx J.-P. (1999% Dibb J. E., Talbot R. W„ SchenerE. M., Blake D. R., Blake N. S., Gregory G. L., Sachse G. W., ThoratonD. C. (1999). суммарного теплового баланса поверхности зависит от свойств аэрозоля (отношение поглощения к рассеиванию) и от альбедо подстилающей поверхности (суша, океан, облака и т.д.). Исходя из детального обсуждения радиационных свойств аэрозоля и альбедо подстилающей поверхности, а также измерения типичного антропогенного аэрозоля в работе Kellog W. W. (1980) был сделан вывод, что в качестве итогового эффекта можно ожидать нагревания над сушей и умеренного выхолаживания над океанами.

Основным процессом, изменяющим микроструктуру аэрозоля является равновесная гетерогенная конденсация. В процессе гетерогенного фазового перехода пары осаждаются на поверхности ядер конденсации. Изучение свойств частиц атмосферного аэрозоля как ядер конденсации необходимо для исследования процессов облакообразования и разработки эффективных методов ускорения или замедления процессов образования облаков на стадии их развития. Методы прогноза оптической прозрачности атмосферы базируются на конкретном учете конденсационного изменения микроструктуры атмосферного аэрозоля.

Производственно-хозяйственная деятельность человечества за последнее время настолько усилилась, что теперь она оказалась в полной взаимосвязи с окружающей средой. Все возрастающие антропогенные выбросы в атмосферу твердых частиц и газов, способствующих образованию активных облачных ядер конденсации, приводят к непреднамеренным воздействиям на погоду и климат, проявляющимся как в уменьшении прозрачности атмосферы для солнечного света, так и в изменении микроструктуры и коллоидальной устойчивости образующихся облаков и туманов. Так если распространение загрязняющих веществ ограничивается пограничным слоем, то в обширных районах могут создаться метеоусловия, не только обладающие специфическими полями температуры и влажности, но и значительно затрудняющие жизнедеятельность человека. Изучение естественных вариаций окружающей среды в пределах пограничного слоя атмосферы, является важным фактором планирования. Для реализации этого планирования крайне желательно располагать мезомасштабной моделью пограничного слоя атмосферы, включающей описание переноса и трансформации аэрозоля.

Цель диссертационной работы состоит в исследовании локальных динамических конвективных движений и физических механизмов загрязнения воздуха в пограничном слое атмосферы, а именно:

• роли физических механизмов конденсации и конвекции в формировании оптических свойств аэрозольного ослабления в пограничном слое атмосферы;

• общих закономерностей распространения конвективного фронта и изолированных термиков над точечными, линейными и плоскими источниками тепла;

• динамико-статистических свойств элементов конвективного ансамбля, образующего тонкую структуру пограничного слоя атмосферы;

Настоящее исследование посвящено систематическому изучению динамических свойств конвективных термиков в неподвижной атмосфере. Конвективные термики представляют существенный метеорологический интерес, т.к. являются базовыми элементами тонкой структуры дневного пограничного слоя. Прикладная значимость этих исследований в значительной степени определяется задачами распространения природного и антропогенного аэрозоля. В естественных условиях развитие конвективных термиков во влажной атмосфере сопровождается процессом облако-образования, а также управляет процессом переноса природного аэрозоля. Существенно, что именно в виде конвективных термиков реализуются многие антропогенные выбросы загрязняющих веществ в атмосферу.

Динамическая теория изолированных конвективных элементов и их распространение в нейтральной и стратифицированной среде, основанная на автомодельных уравнениях Буссинеска, а также уравнение распространения конвективного слоя изложено во второй и третьей главах представленной работы.

Для описания тонкой структуры конвективного пограничного слоя используется динамико-статистический подход. В рамках этого подхода конвективные элементы интерпретируются как стационарные струи или пузыри, при этом ансамбль термиков рассматривается как случайный и характеризуется функцией распределения.

Динамическое развитие струй и пузырей сопровождается формированием двух алгебраических инвариантов, связывающих среднюю вертикальную скорость, температуру, давление и радиус элемента. В приближении слабого взаимодействия конвективных элементов алгебраические инварианты можно рассматривать как универсальные характеристики ансамбля конвективных термиков, позволяющие сократить до одного число независимых аргументов для функции распределения.

Используя статистику Больцмана и асимптотику турбулентного спектра Колмогорова-Обухова, можно получить распределение конвективных термиков по размерам, убедительно соответствующее экспериментальным данным. Реализация этого подхода последовательно изложена в четвертой главе.

В этой главе также исследованы некоторые аспекты процесса переноса аэрозоля в конвективном пограничном слое. В частности указано на существование подобия полей концентрации и температуры в слое смешения, следствием которого является наличие пятнистости в поле концентрации аэрозоля, а также формирование среднего, квазиоднородного по высоте профиля концентрации.

Интенсивная конвекция в дневном пограничном слое оказывает определенное воздействие и на оптические свойства атмосферы. В районах пустынь аридный аэрозоль увлекается конвективными потоками воздуха, в результате чего в пограничном слое формируется подслой с практически

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Вульфсон, Александр Наумович

Заключение

Физика пограничного слоя атмосферы содержит как гидродинамическое описание многообразия его движений, так и теорию переноса, трансформации и оптических свойств аэрозоля, входящего в его состав.

Настоящая работа посвящена исследованию тонкой структуры и внутренних термогидродинамических процессов конвективного пограничного слоя атмосферы.

В физике атмосферного аэрозоля выделяют следующие основные задачи:

• задача о трансформации и образовании аэрозоля.

Эта задача исследует трансформацию частиц морской соли в атмосфере влажного воздуха, образование конденсатного континентального аэрозоля из газовых фаз и т. д.

• задача об оптических свойствах аэрозоля и его взаимодействии с излучением.

Эта задача исследует спектральные коэффициенты аэрозольного ослабления, а также влияние концентрации аэрозоля на температуру атмосферы.

• задача о переносе аэрозоля потоками воздуха.

Эта задача, по сути является некоторой вспомогательной задачей динамики атмосферы.

Все три задачи для аэрозоля пограничного слоя атмосферы, в той или иной мере, рассмотрены в настоящей диссертации.

В рамках первой задачи рассмотрена задача о трансформации частиц морской соли в атмосфере влажного воздуха. Согласно наблюдениям капли морской дымки могут существовать, как в виде однородных капель растворов, так и в виде композитных капель, включающих твердое растворимое ядро. При вариациях влажности воздуха размеры капель изменяются в соответствии с условием термодинамического равновесия.

Модификация закона Рауля для концентрированных и умеренно пересыщенных растворов позволило построить решение задачи о равновесном давлении пара над однородной каплей убедительно соответствующее известных экспериментальным данным.

Модификация соотношения Оствальда-Френдлиха для пленок и капель насыщенных растворов, покрывающих твердое растворимое ядро позволило построить решение новой задачи о равновесном давлении пара над композитной каплей.

Термодинамическое решение задач выполнено в рамках вариационного метода Гиббса в форме М. А. Леонтовича, позволяющего также исследовать устойчивость соответствующих решений.

Теоретическое исследование ансамбля растворимых частиц показало, что обводнение морских ядер конденсации происходит практически одновременно по всему спектру частиц Айткена. При этом порог возникновения дымки определяется величиной равновесного давления пара над насыщенным раствором.

В рамках второй задачи рассмотрена зависимость коэффициента аэрозольного ослабления в видимом диапазоне спектра. Для коэффициента аэрозольного ослабления морской дымки в видимом диапазоне спектра использовано соотношение, аналогичное по форме коэффициенту экстин-ции молекулярного раствора. Соображения теории размерности позволяют построить теоретическую зависимость коэффициента аэрозольного ослабления от длины волны и относительной влажности. Обработка экспериментальных данных показала, что изменение оптических свойств морской дымки определяется трансформацией усредненной аэрозольной частицы. При этом наблюдаемые значения коэффициента аэрозольного ослабления указывают на существование термодинамического гистерезиса, связанного с изменением размеров эффективной частицы дымки, в зависимости от увеличения или уменьшения влажности воздуха.

Следует заметить, что полученные результаты могут быть использованы для аэрозольных дымок, образование которых связано с обводнением твердых растворимых частиц произвольного химического состава. При этом форма коэффициента ослабления обратно пропорциональна длине световой волны и прямо пропорциональна концентрации аэрозольных частиц в единицы объема. Это обстоятельство позволяет реализовать метод грубой оценки загрязнения атмосферы по оптическим измерениям видимости.

В рамках третьей задачи исследованы некоторые аспекты процесса переноса аридного аэрозоля в конвективном пограничном слое. В частности указано на существование подобия полей концентрации и температуры в слое смешения, следствием которого является наличие пятнистости в поле концентрации аэрозоля, а также формирование среднего, квазиоднородного по высоте профиля концентрации, с практически постоянным коэффициентом аэрозольного ослабления.

Адекватное описание динамики и тонкой структуры пограничного слоя атмосферы является весьма актуальной и важной проблемой в связи с задачами:

• построения параметризацией физических процессов в численных моделях крупномасштабного прогноза погоды;

• распространения и переноса природного аэрозоля и антропогенных загрязняющих веществ в атмосфере;

• формирования конвективной облачности и осадков;

Все три вышеупомянутые задачи пограничного слоя атмосферы в той или иной мере рассмотрены в настоящей диссертации.

В рамках первой задачи предложено обоснование универсального соотношения, связывающего высоту подъема конвективного фронта в нейтральной и устойчиво стратифицированной атмосфере с потоком тепла на плоской горизонтально однородной подстилающей поверхности, произвольно изменяющегося со временем. Предложенное уравнение адекватно описывает глубину проникновения конвекции, и соответствуют существующим экспериментальным данным в достаточно широком временном диапазоне. Рассмотренное уравнение является естественным обобщением уравнений теории Дирдорффа на случай устойчиво и нейтрально стратифицированной среды.

Изложенные результаты имеют непосредственное приложение к описанию суточного хода высоты конвективного пограничного слоя атмосферы и соответственно суточного хода концентрации субмикронной фракции аэрозоля.

Заметим, что непосредственное описание процессов проникающей конвекции численными моделями среднесрочного прогноза погоды и общей циркуляции атмосферы, использующих приближение квазистатики и шаг сетки порядка 10-100 км, в принципе невозможно ввиду принятых приближений и несоизмеримости масштабов. Поэтому описание проникающей конвекции в крупномасштабных моделях возможно только параметрически. При этом уравнение распространения конвективного фронта служит существенным элементом параметризации дневного пограничного слоя для крупномасштабных численных моделей.

В рамках второй задачи рассмотрены элементы теории стационарных и нестационарных струй в нейтральной и устойчиво стратифицированной атмосфере. Изложенная теория включает обоснование универсального соотношения, связывающего высоту подъема конвективного фронта в нейтральной и устойчиво стратифицированной атмосфере с потоком тепла на подстилающей поверхности, произвольно изменяющимися со временем, для случаев точечных и линейных тепловых источников.

Существенно, что полученные уравнения являются естественным дополнением теории Дирдорффа на случай точечных и линейных источников тепла, а также на ситуацию нейтрально стратифицированной среды.

Использование полученных универсальных уравнений позволяет найти классы автомодельных решений уравнений Буссинеска, соответствующих нестационарным конвективным струям, над точечными и линейными источниками.

Нестационарные модели конвективных струй в нейтральной и стратифицированной среде связаны, в основном, с процессами техногенного характера. Типичным примером нестационарной конвективной струи служат тепловые выбросы над коллекторами сгорания. Другим примером конвективных струй служат дозвуковые утечки природного газа, возникающие при некоторых типах повреждений подводных газопроводов, связанных с коррозией и усталостными трещинами. Существенно, что в окрестности повреждений образуется облако, состоящее из множества мелких пузырьков подъем которых на поверхность определяется действием архимедовых сил. Поэтому описание «пузырькового режима» утечки газоконденсата может быть реализовано в рамках теории нестационарных конвективных струй.

Стационарные конвективные струи имеют естественное происхождение и реализуются в дневном пограничном слое при нагревании поверхности солнечными лучами.

Для нестационарных струй предложенное универсальное соотношение распространения конвективного фронта позволяет по оптическим наблюдениям над высотой распространения конвекции определить интегральную мощность теплового выброса. Полученные автомодельные решения могут найти широкие приложения при описании промышленных тепловых выбросов в атмосферу, разрывов подводных газопроводов, горению нефти на поверхности воды и т.д.

Для неограниченных стационарных струй над точечным тепловым источником, распространяющихся в неустойчивой и нейтральной атмосфере, выполненные исследования показывают, что отношение кинетической и потенциальной энергии, а также отношение модифицированного давления и кинетической энергии остаются постоянными вдоль всей оси симметрии струи.

В случае, когда стационарный источник тепла сопровождается выбросом пассивной примеси, существует алгебраическая связь концентрации примеси и температуры на оси струи. Синхронное измерение температуры и концентрации на заданном расстоянии от источника, позволяют вычислить отношение мощности выброса поллютанта и теплового выброса.

Наличие алгебраических соотношений, связывающих скорость, температуру, давление и пассивную примесь в каждом сечении стационарной струи в нейтральной атмосфере, а также соотношения связывающего высоту струи и мощность теплового источника представляет определенный интерес в связи с задачами мониторинга распространения примеси в окружающей среде.

В рамках третьей задачи реализовано конструктивное описание распределения конвективных термиков по размерам. В основу распределения положены алгебраические инварианты для струй и пузырей и известные спектральные закономерности турбулентности. Полученное статистическое распределение представляет интерес для построения количественной оценки общего запаса влаги в системе мелких конвективных облаков, а также для вычисления количества осадков. Эти данные необходимы для построения адекватных параметризацией гидрологического и энергетического циклов в задачах атмосферной циркуляции, а также для описания процессов «вымывания» легких растворимых поллютантов из свободной атмосферы.

Полученные в диссертации результаты имеют общее геофизическое значение и могут быть полезны при параметризации физических процессов в задачах численного прогноза погоды и общей циркуляции, в задачах

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора физико-математических наук, Вульфсон, Александр Наумович, Москва

1. Абрамович Г. Н., Гершович Т.А., Крашенниников С. Ю. и др. {1984) Теория турбулентных струй. //М. «Наука». 1984. 715 с.

2. Адушкин В. В., Гарное В. В., Давыдов И. И., Немчинов И. В., Христофоров В. Д. (1993)

3. Моделирование подъема газопылевого облака, возникающего при ударе астероидов и комет. // Доклады РАН. 1993. Т.332. N.l. С.85-88.1. АкопянА. А. (1963)

4. Химическая термодинамика. //М. «Высшая школа». 1963. 528 с. Александров Э.Л., Левин JI.M., СедуновЮ.С. (1967)

5. О конденсационном росте капель на гигроскопическом ядре. //Труды Института прикладной геофизики. 1967. Вып. 9. С.47-55.

6. АлоянА. Е., Йорданов Д. Л., Пененко В. В. (1981)

7. Численная модель переноса примесей в пограничном слое атмосферы. //Метеорология и гидрология. 1981. N1.

8. Андреев В., Панчев С. (1975)

9. Динамика атмосферных термиков. //Л. «Гидрометеоиздат». 152 с.

10. Андреев С.Д., ИвлевЛ.С., Кабанов М.В., Пхагалов Ю.А. (1974)

11. Влияние относительной влажности на аэрозольное ослабление оптическойрадиации в атмосфере. //Известия вузов. Физика. 1974. N 5. С. 54-57.

12. Андрианкин Э.И., Андрущенко В. А., Горбунов А. А. (1995) Объединение воздушных потоков, инициированных в атмосфере группой приземных термиков. //Теплофизика высоких температур РАН. 1995. Т.З. N 3. С.400-403.1. Андрущенко В. А. (1989)

13. Численное моделирование подъема приповерхностных термиков //Известия АН СССР Механика жидкости и газа. 1989. Т. 25. N 2. С. 129135.

14. Андрущенко В. А., Горбунов А. А. (1993)

15. Воздушные потоки в атмосфере вызванные множественными приземными тепловыми источниками. //Известия РАН. Механика жидкости и газа. 1993. Т. 29. N5. С. 20-26.

16. Андрущенко В. А., Шевелев Ю. Д. (1997)

17. Численное моделирование трехмерных вихревых течений в неоднородной атмосфере. //Известия РАН. Механика жидкости и газа. 1997. Т 33. N2. С.30-38.

18. Анохина Т. Н., Заславский Б. И., Сотников И. М. (1983) Экспериментальное исследование взаимодействия термиков. //Журнал прикладной механики и технической физики РАН. 1983. Т. 24. N 2. С. 23 -27.

19. Асатуров М. Л., Будыко М. И., Винников К. Я. и др. (1986)

20. Вулканы, стратосферный аэрозоль и климат Земли. //Л. «Гидрометеоиздат». 1986. 256 с.1. Базаров И. П. (1991)

21. Термодинамика. //М. «Высшая школа». 1991. 344 с.

22. Об автомодельных движениях сжимаемой жидкости в пористой среде. //Прикладная математика и механика. 1952. Т. 16. N 6.1. Баренблатт Г. И. (1977)

23. Сильное взаимодействие гравитационных волн и турбулентности. //Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1977. Т. 13. N 8. С.845-849.1. Баренблатт Г.И. (1982)

24. Подобие, автомодельность, промежуточная асимптотика. //Л. «Гидроме-теоиздат». 1982. 255 с.

25. Баренблатт Г. И., Бенилов А. Ю. (1983)

26. Закономерности проникающей турбулентной конвекции в стратифицированной жидкости. //Океанология АН СССР. 1983. Т. 23. N 5. С.743-752.

27. Беленький С. 3., Фрадкин Е. С. (1965)

28. Теория турбулентного перемешивания. //Труды Физического института АН СССР. 1965. Т. 29.

29. Белоцерковский О. М., Андрущенко В. А., Шевелев Ю. Д. (2000) Динамика пространственных вихревых течений в неоднородной атмосфере. //М. «Янус-К». 456 с.

30. Бенилов А. Ю., Розовский М. X. (1983)

31. Об автомодельных режимах нестационарной турбулентной конвекции. //Океаналогия АН СССР. 1983. Т. 23. N 6. С. 944 950.

32. Беринг Б.П., Серпинский В.В. (1973)

33. Адсорбционное равновесие и термодинамика вакансионных растворов. //Известия АН СССР. Хим. сер. 1973. N 12. С.2679-2685.

34. Беринг Б.П., Серпинский В.В. (1974)

35. Теория адсорбционного равновесия, основанная на термодинамике вакансионных растворов. //Известия АН СССР. Хим. сер. 1974. N 11. С.2427-2440.

36. Беринг Б.П., Серпинский В.В. (1976)

37. Особенности адсорбции в микропорах. //Адсорбция и пористость. Труды IV Всесоюзной конференции по теоретическим вопросам адсорбции. М. «Наука». 1976. С. 231-236.1. Берлянд М. Е. (1975)

38. Современные проблемы атмосферной дифузии и загрязнения атмосферы. //JI. «Гидрометеоиздат». 1975. 448 с.

39. Брич М. А., Романов Г. С. (1999)

40. Математическое моделирование струйного извержения вулкана. //Инженерно физический журнал. 1999. Т. 72. N6. С. 1227-1232.1. Бродский А. И. (1948)

41. Физическая химия. Т. 1-2. //M.-JI. «Госхимиздат». 1948. Будыко М.И. (1980)

42. Климат в прошлом и будущем. // JI. «Гидрометеоиздат». 1980. 351 с. Будыко М. И. (1985)

43. Аэрозольные климатические катастрофы. //Природа. 1985. N6. С. 30-38.

44. Будыко М. И., Голицын Г. С., Израэлъ Ю. А. (1986)

45. Глобальные климатические катастрофы. //М. «Гидрометеоиздат». 1986. 158 с.1. Булгаков Н. П. (1975)

46. Конвекция в океане. //М. «Наука». 1975. 272 с. Бунэ А.В., ТишаевД. В. (1984)

47. Численное моделирование конвекции при наличии ступенчатого профиля плотности. //Актуальные проблемы океанологии. М. «Ин-т. океаналогии им. П. П. Ширшова». 1984.1. Бурштейн А. И. (1986)

48. Молекулярная физика //Н. «СО Наука». 1986. 298 с. Вызова Н. Л. (1974)

49. Рассеивание примеси в пограничном слое атмосферы. //Л. «Гидрометеоиздат». 1974. 212 с.

50. Вызова Л. Н., ГаргерЕ. К, Иванов В. Н. (1991)

51. Экспериментальное исследование атмосферной диффузии и расчета рассеивания примеси. //Л. «Гидрометеоиздат». 1991. 274 с.

52. Варфоломеев А.А., СутыринГ. Г. (1981)

53. Лабораторное моделирование свободной нестационарной проникающей конвекции. //Доклады АН СССР. 1981. Т. 261. N 1. С.55-59.

54. Вельтищев Н.Ф, Иванов В.Н., Орданович А.Е., Петрова Л.И. (1971) Ячейковая конвекция по наблюдениям с искусственных спутников Земли и высотной мачты. //Метеорология и гидрология. 1971. N 4. С. 85-88.

55. Виниченко Н. К., Пинус Н. 3., Шметер С. М., Шур Г. Н. (1976) Турбулентность в свободной атмосфере. //Л. «Гидрометеоиздат». 1976. 336 с.

56. Волков Ю. А., Грачев А. А., Елисеев А. В. (1997)

57. Коспектры потоков тепла и влаги по измерениям в приводном слое воздуха при слабых ветрах. //Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 1997. Т.ЗЗ. N1. С. 114-121.1. Волощук В. М. (1971)

58. Введение в гидродинамику грубодисперсных аэрозолей. //Л. «Гидрометеоиздат». 1971. 208 с.

59. Уравнения глубокой конвекции в сухой атмосфере. //Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1981. Т. 17. N 8. С. 873-8761. Вулъфсон А. Н. (1984)

60. Критерий устойчивости влажной сжимаемой атмосферы и энергетические условия развития конвективной облачности. Численный эксперимент. //Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1984. Т. 20. N3. С. 234—243.1. Вулъфсон А. Н. (1988а)

61. О суточном ходе высоты пограничного слоя атмосферы в условиях проникающей конвекции. //Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1988. Т.24. N 1. С. 89-92.1. Вулъфсон А. Я (19886)

62. Распространение фронта проникающей турбулентной конвекции в устойчивой и нейтрально стратифицированной среде и суточный ход высоты пограничного слоя атмосферы. //Труды Гидрометцентра СССР. 1988. Вып. 298. С. 151 164.1. Вулъфсон А. Я (1991а)

63. Об особенности давления насыщенного пара над поверхностью капли при наличии в ней твердого растворимого ядра. //Коллоидный журнал АН СССР. 1991. Т.53. N 2. С.216-224.1. Вулъфсон А. Я (19916)

64. Вариационный термодинамический метод и вычисле ние давления насыщенного водяного пара в различных задачах физики облаков. //Труды Гидрометцентра СССР. 1991. Вып.ЗЮ. С. 12-27.1. Вулъфсон А. Я (1996а)

65. Оценка максимальной высоты подъема загрязняющих веществ в атмосфере при горизонтально однородном горении пленки нефти. //Защита от коррозии и охрана окружающей среды НТЖ. 1996. N 8-9. С. 23- 25.1. Вулъфсон А. Н. (19966)

66. Вариационный принцип Гиббса и некоторые особенности давления насыщенного водяного пара над твердыми поверхностями, подверженными коррозии. //НТЖ. Защита от коррозии и охрана окружающей среды. 1996. N11-12. С. 12-15.1. Вулъфсон А. Н. (1997а)