Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Условия развития облачных образований антропогенного происхождения в пограничном слое атмосферы

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Текст научной работыДиссертация по географии, кандидата географических наук, Белогуб, Валерий Петрович, Санкт-Петербург

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(РГГМУ)

На правах рукописи УДК 551. 501. 776 + 509. 68

БЕЛОГУБ Валерий Петрович

УСЛОВИЯ РАЗВИТИЯ ОБЛАЧНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ АНТРОПОГЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ В ПОГРАНИЧНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ

Специальность 11.00.09 - метеорология, климатология, агрометеорология

ДИССЕРТАЦИИ на соискание ученой степени кандидата географических наук

Научный руководитель:

докт. географ, наук, профессор Г.И.Мазуров

Санкт-Петербург 1999

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

I р.

СПИСОК АББРЕВЕАТУР..............................................................................................„....4

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................5

1 .ОБЛАЧНЫЕ ОБРАЗОВАНИЯ АНТРОПОГЕННОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ.................16

1.1 Виды антропогенных облачных образований............................................................16

1.2. Физике - метеорологические условия развития неконвективной облачности и туманов антропогенного происхождения и возможности регулирования их эволюци.............................................................................................................................21

1.3. Возможности регулирования развития антропогенных облачных образований и существующие способы создания искусственных.........................23

2. ИССЛЕДОВАНИЕ КЛИМАТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОГРАНИЧНОГО

СЛОЯ АТМОСФЕРЫ, БЛАГОПРИЯТСТВУЮЩИХ РАЗВИТИЮ

АНТРОПОГЕННЫХ ОБЛАЧНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ.....................................................35

2.1 Общие положения...........................................................................................................35

2.2. Анализ климатических характеристик задерживающих слоев над Россией и ближнем зарубежье по календарным сезонам .........................................................35

2.3. Анализ повторяемости задерживающих слоев в различных частях барических образований над ЕТР..............................................................................42

2.4. Анализ климатических характеристик задерживающих слоев в районах проведения натурных экспериментов.........................................................................42

2.5. Анализ климатического распределения относительной влажности в пограничном слое атмосферы по календарным сезонам.......................................47

2.6. Классификация аэрометеорологических условий по вероятности возникновения антропогенных облачных образований...........................................47

3. ИССЛЕДОВАНИЕ АЭРОГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ОСОБЕННОСТЕЙ И

АГРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ОБЛАЧНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ НАД МОРЯМИ....................................................................................51

3.1. Аэрогидродинамическое моделирование.................................................................51

3.2. Гидродинамическое моделирование.........................................................................63

3.3. Сравнение условий возникновения антропогенных облачных полос за морскими судами и орографических за островами..................................................68

4. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО СОЗДАНИЮ ИСКУССТВЕННЫХ ОБЛАЧНЫХ ОБРАЗОВАНИЙ НАД МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТЬЮ И В ПРИБРЕЖНОЙ ЗОНЕ...,.............................................76

4.1. Общие положения.........................................................................................................76

4.2. Анализ условий и результаты натурных экспериментов над Балтийским морем................................................................................................................................73

4.3. Анализ условий и результаты проведения натурных экспериментов над Черным морем................................................................................................................86

4.4. Обобщение результатов натурных экспериментов над Балтийским и

Черным морями............................................................................................................103

4.5. Анализ условий и результатов проведения натурных экспериментов с использованием углеродисто-волокнистых материалов на берегу Черного моря и в прибрежной зоне...........................................................................................107

4.6. Сравнительный анализ результатов натурных и лаббр^ки* г> * экспериментов..........................................................................................................116

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................................................,121

ПРИЛОЖЕНИЯ............................................................................................................124

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ...........................................................156

СПИСОК АББРЕВИАТУР

АМО Аэрозольное маскирующее облако

АОО Антропогенные облачное образование

АПС Атмосферный пограничный слой

БИК Береговой измерительный комплекс

БПК Большой противолодочный корабль

ВВАИУ Воронежское высшее авиационно - инженерное училище

ВВИА Военно - воздушная инженерная академия

ВВИУ Военно - воздушное инженерное училище

ВВМУ Высшее военно - морское училище

ВМ Воздушная масса

ГМЦ Гидрометцентр

ЕТР Европейская территория России

ЗС Задерживающий слой

ИО Искусственное облако

ИОО Искусственное облачное образование

КРХ Корабль радиационной и химической разведки

ЛА Летательный аппарат

МГБП Малоградиентное барическое поле

МИСЗ Метеорологический искусственный спутник Земли

МС Морское судно

НИФХИ Научный исследовательский физико-химический институт

НФ Неконвективная форма

пвх Пространственные и временные характеристики

пп Подстилающая поверхность

СОИ Стратегическая оборонная инициатива

СЭУ Судовая энергетическая установка

ТРД Турбинный реактивный двигатель

ТФ Теплый фронт

УВМ Углеродистый волокнистый материал

УК Уровень конденсации

ХФ Холодный фронт

ВВЕДЕНИЕ

С каждым годом возрастает экологическая нагрузка на окружающую природную среду, в том числе и на атмосферу. Это объясняется тем, что все увеличивающееся могущество человека над природой и последствия его активной хозяйственной деятельности вызывают отрицательные побочные эффекты. Суммарное накопление антропогенных выбросов ставит под сомнение возможность выживания человечества как биологического вида /1/.

Известно, что большая часть жизнедеятельности человека протекает в пограничном слое атмосферы, куда выбрасывается громадное количество углекислого газа и водяного пара, выделяемых при сгорании различных видов топлива. В результате ученые опасаются потепления климата со всеми возникающими отрицательными последствиями за счет "парникового" эффекта (например, таяние ледников) /2, 3, 4/. Высказывается и другая точка зрения - о возможности похолодания климата /5/. Многочисленное моделирование будущего климата дает противоречивые результаты (от похолодания до потепления). Все это говорит о том, что необходимо разрабатывать способы активного воздействия на атмосферу с целью управления погодой и климатом, хотя бы в оперативном плане /6/.

Подобного рода способы и методы только начинают создаваться /8, 9/, в то время как вопросы перераспределения осадков, предотвращения градобитий и рассеивания туманов и облаков за последние 30 - 40 лет изучены теоретически и многие их них доведены до практической реализации III.

Известно, что облака и туманы изменяют термогигрометрические /10, 11, 12, 13, 14/, оптические и радиоэлектронные /15, 16, 17, 18/ свойства атмосферы. Поэтому преднамеренное создание искусственных облаков и туманов в атмосферном пограничном слое может позволить "подрегулировать" термический режим, что является актуальным для ряда отраслей народного хозяйства, а ухудшение оптических и радиоэлектронных свойств актуально для обороны страны /19/.

Е. П. Борисенков указывал, что только создание облаков верхнего и среднего ярусов изменяет температуру приземного воздуха на 5 °К/сутки /5, 10, 8/. Так, в сельском хозяйстве это может предотвратить заморозки и вымерзание посевов, а

также гибель растений при засухах /20/. В курортологии это может оказаться полезным для уменьшения притока солнечной радиации. Создание облачности над водной поверхностью при длительной безоблачной погоде может уменьшить испарение с нее.

В интересах обороны страны искусственно созданные поля облачности и туманов возможно использовать для проведения различных маскировочных мероприятий с целью создания помех для авиа- и космической разведок противника /15, 21, 22/, а также, как мощное средство противодействия системам наблюдения противника при применении высокоточного оружия. Неслучайно, что наиболее активно в этой области военно - прикладные метеорологические исследования выполнялись в период разработки стратегической оборонной инициативы (СОИ) в МО США (Кембриджский НИЦ ВВС) и, как противодействие воздушным системам наблюдения США, в нашей стране.

Таким образом, проблема создания ИОО имеет важное как практическое, так и теоретическое значение. Исследования в этой области позволили углубить наши знания по физике процессов образования облаков и туманов, как естественного происхождения, так и для создания искусственных. Из всего комплекса этих обширных проблем в данной работе рассматривается лишь малая ее часть, относящаяся к пограничному слою атмосферы (АПС) при расположении его над водной поверхностью.

С этой целью всесторонне исследуется влияние аэрогидрометеорологических условий, синоптической обстановки и аэродинамических особенностей обтекания надводных кораблей с симметричными палубными надстройками на успешность создания ИОО над морем.

Ранее большинство исследователей многих стран сосредоточивало свои усилия на решении задач противоположного направления, а именно, перераспределения осадков из облаков в интересах сельского хозяйства 17, 23, 6/, предотвращения градобитий /27, 71, рассеивания туманов и низких облаков /24, 25, 7, 26/ для повышения безопасности и регулярности движения различных видов транспорта. В РФ эти вопросы исследовались такими организациями, как ААНИИ, ГГО им. А. И. Воейкова, ИЭМ, РГГМУ, ЦАО, ГосНИИ ГА, РосГМЦ и др. Из ближнего зарубежья следует в первую очередь отметить ГГИ (Грузия) и УкрНИГМИ.

Разработкой вопросов создания облаков и туманов занимались ГГО им. А. И. Воейкова, ИЭМ, РГГМУ, ЦАО, ВИКИ им. А. Ф. Можайского и некоторые

другие. Из ученых следует назвать в первую очередь В. А. Зайцева и А. А. Ледоховича, которые в 1970-х годах получили патент на способ создания облаков верхнего и среднего ярусов с приоритетом от 26.06.66 /8/. Из иностранных учреждений, достигших наибольшего успеха, можно отметить Кембриджский НИЦ ВВС США, Лос-Аламскую лабораторию и др.

Хотя физика процессов рассеивания и создания облаков имеет много общего, однако, на наш взгляд, их целесообразно подразделить и вопросы создания выделить в отдельную проблему. Это можно объяснить, например, тем, что для рассеивания необходимо нарушить коллоидальную устойчивость дисперсных систем /28, 29/, а в случае создания - ее сформировать и поддерживать /30, 6/ или перевести из неустойчивого (метастабильного) /7, 13/ в устойчивое.

В настоящее время много внимания уделяется охране окружающей среды /31, 32, 33, 34, 3/. В этом плане активные воздействия на атмосферу противопоказанны и даже запрещены. Однако, следует различать стратегические (фундаментальные) воздействия планетарного масштаба , которые могут привести к далеко идущим, в том числе и неожиданным побочным эффектам, и оперативное управление погодой тактического характера. Последние, во-первых, имеют локальный характер, а, во-вторых, их цель "подправить" условия погоды в данный момент и в данном районе в необходимом направлении для решения конкретных задач. Эти воздействия могут быть прекращены в любой момент при появлении нежелательных последствий.

Наоборот, фундаментальные воздействия требуют больших затрат как на их проведение, так и на ликвидацию нежелательных побочных эффектов, если они проявились (например, интенсивное экологическое загрязнение Финского залива после строительства дамбы для защиты Санкт-Петербурга от наводнений).

В нашей стране с самого начала проведения работ по созданию ИОО деятельное участие принимало Воронежское ВВАИУ, которое тесно сотрудничало с НИФХИ им. Л. Я. Карпова, выполнявшего работы в соответствии с постановлением СМ СССР по ВПК. Комплексные НИР в ВВВАИУ проводились под руководством доктора географических наук Г. И. Мазурова. Автор данной диссертации принимал личное активное участие в гидрометеорологическом и климатологическом обеспечении натурных экспериментов по созданию ИОО в районе Балтийска и Севастополя, а также в проведении аэрогидродинамических лабораторных экспериментах /35/ и ряде теоретических исследований.

В данной работе рассматриваются в основном два крупных вопроса:

1. непреднамеренное возникновение антропогенных облаков над водной поверхностью под влиянием морских судов;

2. предотвращение возникновения антропогенных облачных образований или стимулирования их развития и возможности создания искусственных полей облачности и туманов.

Это достигается тем, что теоретически выявляются 7 аэрометеорологических условий возникновения, развития и эволюции облаков НФ и туманов. На большинство из них (на 5) в настоящее время технически возможно влиять в обоих направлениях, т.е. как создавать эти условия, так и ликвидировать их. Затем считается, что в атмосфере с помощью радио или акустического /36/ зондирования можно выявить слои воздуха, в которых не выполняются 1-2 таких условия и их необходимо создать искусственно, чтобы возникли ИОО. Наоборот, если наблюдаются все условия для возникновения антропогенных образований, то для исключения их возникновения следует ликвидировать 1-2 благоприятных условия. Кроме того выявляются аэросиноптические условия, также благоприятствующие возникновению и развитию названных образований. Далее исследуется климатическая повторяемость многих из этих условий и производится оценка влияния некоторых из них на эволюцию подобных образований.

Важной особенностью искусственной облачности, образующейся за кораблями над водной поверхностью, является то, что эти облачные образования могут развиваться не только при отрицательных температурах, но и при положительных до +32 °С /37/, в то время, как за самолетами и вертолетами - лишь при температурах ниже -30 /13/ и -15 °С /38-40/ соответственно.

На схеме (рис. В1) представлены возможные направления и основные этапы многостороннего исследования, которые необходимо выполнить для успешного создания ИОО и применения их в интересах народного хозяйства и обороны страны. Общее руководство этими работами осуществлял академик И. В. Петрянов-Соколов /41/, автограф которого с оценкой реферата автора представлен в приложении В1.

Левые две колонки представляют удел физико - химиков и конструкторов. Первым занимались сотрудники НИФХИ им. Л. Я. Карпова во главе с лауреатом Государственной премии проф. А. Г. Сутугиным1, вторым - представители ряда

1 - премия присуждена в 1982 г. за прикладные работы в области образования аэрозолей.

войсковых частей, задействованных в выполнении НИР по постановлению комиссии СМ по ВПК. Правые две - это поле деятельности геофизиков и аэрогидродинамиков. В разработке большинства этапов здесь принимал участие автор диссертации.

На рис.В2 представлено схематически взаимодействие сотрудников Воронежского ВВАИУ при выполнении хоздоговорных НИР "Привес-2", "Привес-3" и "Чародейка". В Российском ГГМУ диссертация заканчивалась. С остальными организациями сотрудничество было самым различным: от выполнения совместных НИР (НИФХИ им. Л. Я. Карпова, в/ч 33872, в/ч 27177, ГАМЦ в/ч 75354) до предоставления базы для проведения лабораторных (ВВИА им. проф. Н. Е. Жуковского, Киевского ВВИУ) и натурных (ВВМУ им. П. С. Нахимова, Балтийский и Черноморский флота) экспериментов и получения консультаций или аэрогидрометеорологической информации (от остальных). На рис. В2 организации, в сотрудничестве с которыми принимал участие лично автор диссертации, выделены темным фоном. По данной тематике, кроме научного руководителя доктора географических наук Г. И. Мазурова, активное участие принимал кандидат технических наук Ю. М. Кузнецов.

Позднее, с 1996 г. в РГГМУ (бывшем ЛГМИ), полученные результаты интерпретировали в интересах экономики и для решения задач природопользования. В этом направлении большую помощь оказали профессора

A. С. Гаврилов, Л. Т. Матвеев, В. Г. Морачевский, Б. Д. Панин, доценты

B. И. Акселевич, Б. М. Воробьев и другие, а также студенты и аспиранты РГГМУ.

В 1981 г. натурные эксперименты по созданию ИОО выполнялись над Балтийским морем в районе г. Балтийска, а в 1982-83 гг. - над Черным морем и его береговой зоне в районе г. Севастополя. Фото-, видео- и кинорегистрацию результатов натурных экспериментов производили сотрудники Воронежского ВВАИУ с берегового измерительного комплекса (БИК), кораблей - измерителей типа КРХ и с самолетов. Этой группой руководил автор диссертации.

Гидрометеорологическое обеспечение проведения натурных экспериментов полностью осуществлялось сотрудниками экспедиционной группы Воронежского ВВАИУ. Непосредственное активное участие в этом принимал автор. Для сбора и обработки использовались все виды гидрометеорологической информации, получаемой с помощью привязного радиозонда до высоты 15 м, а над Черным морем до 90 м, включая данные с