moskvich_fizika

Между тем Киотский протокол не ратифицировали СШ А – а им енно на них приходится львиная доля вредных выбросов. Официальная причина – Штаты считают протоко л неэффективным, так как в нем не принимают участие развивающие страны – Китай и Индия, чья доля выбросов тоже довольна велика.

1 8.5. Инверсия температуры в стратосфере. Озоносф ера Земли

В середине прошл ого века внимание исследователей атмосфер ы было привле чено к области, содержащей одну из химических модификаций кисло-

рода – озон. Трехатомный молек улярный газ	имеет синий цвет и	резкий
запах. Он образ уется из обычного кислорода	при электрических	разрядах
или под действием ультрафиолетового излучения.

Большая часть озона, находящегося в атмосфере, расположена в стратосфере на высотах 10÷50 км с максимальной концентрацией 1012 – 1013 см-3 на высоте 20-30 км. Этот насыщенны й озоновый слой называется озоносферой.

При его образовании происходят следующи е основные процессы [10].		18.1
ν	,
2	100 кДж,	18.2
	390 кДж,	18.3
ν	.	18.4

где –какая-ли бо третья частица (обычно						или	);	– энергия кванта
ультраф иолетового излучения (			290 нм), приво дящая кν					фотодиссоциации
молекул	и	. Таким образомλ,	молекулы озона поглоща ют энергию ульт-
рафиолетового и злучения с длиной волны						290	нм, спасая тем самым все
живое на Земле от губительного жесткого				ультрафиолета.
					λ
Следует отметить, что при образовании каждого моля озона согласно
(18.2) высвобождается 1 00 кДж энергии и					при разрушении каждого моля в
реакции	(18.3) выделяется ещё 39 0 кДж.				Следовательно, в результате цикла
реакций	(18.1)-(18.4) в атмосферу		выделяется большое количество теплоты,
что и объясняет		наблюдаемый в стратос фере рост температуры с высотой
(рис. 18.3).

221

Рис. 18.3.

Естественно, что это фотохимическое нагревание атмосферы с образованием инверсионной области представляет большой интерес для метеорологов.

Мониторинг озонового слоя

Систематические измерения содержания озона в атмосфере начались в Англии и Швейцарии в 1926 году. Позднее начала формироваться мировая озонометрическая сеть, а в 60-е годы ХХ века появилась и советская сеть. В настоящее время в мире работают около 120 озонометрических станций, из них около 40 – на территории России.

В результатах измерений обычно приводят толщину озонового слоя в мм, это приведенная толщина, которую занимал бы при нормальных условиях. Нормальной считается толщина слоя в 3,5 мм, если его истощение достигает более 25% - говорят об «озоновых дырах». В антарктической озоновой дыре истощение озона составляет более 50%. Существует гипотеза антропогенного разрушения озонового слоя.

В 1996 году ученые Ш. Роуланд, М. Молина из Калифорнийского университета в США и П. Крутцен из Института химии им. Макса Планка в Германии были удостоены Нобелевской премии за установление причин снижения концентрации стратосферного озона. Они смогли доказать, что основными разрушителями озона являются атомы хлора или брома, отделившиеся под действием солнечной радиации от молекул, синтезированных человеком химических веществ, которые имеют очень широкое применение.

Например, при фотодиссоциации из фреона выделяется свободный атом хлор

Фреон +

При этом только один атом способен разрушить 104 молекул .

Монреальский Протокол

222

Воктябре 1987 года в Монреале, 36 стран (СССР в 1988 году) подписа-

ли Протокол о сокращении производства опасных озоноразрушающих ве-

ществ. Международное соглашение предусматривало замораживание на уровне 1986 года производство пяти наиболее широко применяемых хлорфторуглеродов, а затем сокращение их производства на 20% к 1993 году и на

30% - к 1998 году

Вноябре 1992 года в Копенгагене были приняты новые поправки, в соответствие с которыми появилось требование о поэтапном выводе из производства метилбромида и гидрохлорфторуглерода.

Киюню 1995 года почти 150 стран подписали Монреальский протокол,

ана юбилейной встрече в Монреале в сентябре 1997 таких стран было уже

163.

В1997 в Монреале договорились о необходимости введения лицензирования во всех странах соглашения экспортно-импортных операций с озоноразрушающими веществами, а также о сокращении сроков вывода из потребления метилбромида, который является очень дешевым и эффективным пестицидом. Страны-участники активно сотрудничают по реализации принятых на себя обязательств.

18.6. Концепция «ядерной зимы»

Важные результаты, относящиеся к прогнозированию климатических последствий ядерной войны, были получены в начале восьмидесятых годов ХХ века на основе математического моделирования крупномасштабных процессов в атмосфере. Основные выводы научных работ, выполненных одновременно в Вычислительном центре АН СССР выдающимися учеными А.П. Александровым и Н.Н. Моисеевым и в США группой ученых во главе с профессором К. Саганом и П. Эрликом, а также Национальным Центром атмосферных исследований, полностью совпали [15].

В результате даже сравнительно небольшой по масштабам ядерной войны в атмосферу поднимутся огромные облака дыма и пыли, которые могут вызвать глобальную «ядерную зиму».

«Ядерная зима»

Сценарии ядерной войны

Исследователями было рассмотрено несколько десятков различных сценариев ядерных конфликтов, происходящих в северном полушарии. Суммарная мощность взорванных боезарядов варьировалась от 100 до 10000 мегатонн в тротиловом эквиваленте. Нашей цивилизацией накоплено огромное количество горючих материалов. В промышленных зонах мира концентрация

223

горючих веществ достигает 40 г на см 2! В результате ядерных ударов по городам неизбежно возникнут массовые пожары с выделением в атмосферу высокотемпературных продуктов сгорания – сажи, пепла и ядовитых газов. Масса этих субмикронных частиц оценивается сотнями мегатонн.

Огненные смерчи – суперподъемники

При достаточной интенсивности пожаров и соответствующих метеорологических условиях могут возникать колоссальных размеров огненные смерчи (торнадо). Они способны поднять облака, состоящие из мельчайших частиц сажи и дыма в верхние слои атмосферы: в верхнюю тропосферу (выше 5 км) и в стратосферу (выше 12 км).

Антипарниковый эффект

Темные частицы сажи имеют высокую поглощающую способность солнечного излучения. Поглощение света слоем аэрозоля, расположенного в верхней тропосфере и выше, вызовет затмение поверхности Земли – «ядерную ночь». Сам «черный» слой будет сильно нагреваться и переизлучать радиационный поток в космос. Интенсивность солнечного света, достигающего поверхности Земли, экспоненциально уменьшается с увеличением в атмосфере количества аэрозоля. Переизлученный поток энергии в ИК-диапазоне практически исчезает. Парниковым газам в нижней тропосфере нечего поглощать. Это и есть, так называемый, антипарниковый эффект.

В результате температура на поверхности Земли в течение 2-3 дней понизится на 30-50 градусов по сравнению с нормальной температурой для данного времени года. Столь резкое охлаждение приведет к локальной «ядерной зиме» даже летом.

Глобальный характер климатических последствий

Из-за коренной перестройки системы циркуляции в атмосфере катастрофа за несколько недель распространится на весь земной шар. Начнется массовая гибель флоры и фауны (это только из-за климатического фактора!). «Время зимы» определяется несколькими временами релаксации сильно неравновесной системы. Сначала за время релаксации установится квазиравновесная концентрация субмикронных частиц в тонком околоземном слое на высоте 8-14 км. Затем эта система придет к максвелловскому распределению

за время термализации . Только после этого начнется релаксация по пара-
метру	в гравитационномτ	поле: частицы аэрозоля постепенно осядут на

поверхность земли. По оценкам специалистов характерное время зимы в жестком варианте ядерного конфликта – около года, а в мягком – около трех месяцев.

224

Мы рассмотрели только один аспект постъядерных климатических последствий. Но и этого достаточно, чтобы понять: долговременные разрушения окружающей среды и нарушения глобальной экосистемы могут, в конце концов, оказаться для человека более губительными, чем разрушительные последствия ядерных взрывов и выпадение радиоактивных осадков. В свете этих фактов в восьмидесятые годы прошлого века произошла кардинальная перестройка военных доктрин и ядерных стратегий мировых держав.

Контрольные вопросы

1.Почему распределение Больцмана не применимо к атмосфере в целом?

2.Какие молекулы называются убегающим?

Как меняется их концентрация от координаты в пространстве атмосферы?

3.Что называется временем рассеяния атмосферы τ? Какой порядок τ получается в приближенных оценках для планет Солнечной системы?

4.На каком основании атмосферу Земли подразделяют на сферы? Назовите эти сферы в порядке удаления от поверхности планеты.

5.Назовите причины характерного изменения температуры с высотой в каждой сфере, начиная с тропосферы.

6.Объясните сущность парникового эффекта. Какие газы называются парниковыми?

7.В чем актуальность Киотского протокола? Участвует ли Россия в этом договоре? Если да, то как?

8.Что называется озоносферой Земли? Где она расположена? Почему так важно сохранение озонового слоя?

9.Что называется озоновой дырой? В чем состоит гипотеза антропогенного происхождения озоновых дыр?

10.Каково происхождение концепции «ядерной зимы»? Что называется ядерной зимой?

11.Назовите все причины, которые могут привести к антипарниковому эффекту в постъядерной ситуации? Какой общественный и политический резонанс имела концепция ядерной зимы в конце ХХ века?

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

225

Курс молекулярной физики завершен. Однако есть уверенность, что с молекулярной физикой мы с вами больше не расстанемся никогда. Представьте себе площадку около 10 м2, пусть эта площадь образно отражает информационную область молекулярной физики: статистической и термодинамической, равновесной и неравновесной, теоретической и экспериментальной. Так вот, нами изучена площадь всего в две ладошки. Это очень мало, но это самое главное, без чего невозможно понять все остальное.

Поэтому теперь вы будете вполне готовы к дисциплинам и темам с такими названиями, как статистическая радиофизика, спиновая термодинамика, статистическая модель атома, термодинамика звезд и даже статистическая лингвистика.

Надеюсь, что универсальные методы изучения сложных систем и сами фундаментальные законы их существования, такие как законы Гиббса, Максвелла, Больцмана, а так же постулаты классической термодинамики и, конечно, вездесущий принцип Ле Шателье-Брауна обогатят ваш тезаурус. Вспомним, что тезаурус переводиться как сокровищница, а понимается как опыт развивающейся личности. Нет сомнений, что приобретенные вами умения и гибкие практические навыки решать разнообразные задачи помогут вам не только в профессиональной сфере, но и в вашей повседневной жизни. Тем более что молекулярные явления происходят, не прекращаясь ни на секунду в окружающем нас мире и внутри нас.

Список литературы

226

1.Базаров И.П. Термодинамика: Учебн. для вузов/ И.П. Базаров. 4-е изд. перераб. и доп. – М.: Высш. Шк., 1991.

2.Вернадский В.И. Биосфера / В.И.Вернадский. - М.: Мысль, 1967.

3.Гершензон Е.М. и др. Молекулярная физика: Учеб. пособие для студ. высш. пед. Учеб. заведений./ Е.М. Гершензон, Н.Н. Малов, А.Н. Мансуров. – М.: Издательский центр «Академия», 2000.

4.Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика: учеб. пособие для вузов. / В.Е. Гмурман.- 9-е изд., стер. – М.: Высш. Шк., 2003.

5.Иродов И.Е. Физика макросистем. Основные законы./ И.Е.Иродов.- 2-е изд., дополн. -М.: Лаб. Баз. Знаний, 2001.

6.Кальоти Дж. От восприятия к мысли. / Дж. Кальоти. М.: Мир, 1998.

7.Капица П.Л. Научные труды. Физика и техника низких температур / П.Л. Капица, - М.: Наука, 1989.

8.Карпенков С.Х. Концепции современного естествознания: учебник для вузов / С.Х. Карпенков. - 8-е изд., испр.–М.: Анод.Проект, 2004.

9.Кобаяси Н. Введение в нано технологию./ Н. Кобаяси. – Пер. с японск. - : Бином, Лаб.знаний, 2007.

10.Мак-Ивен М., Филипс Л. Химия атмосферы. / М. Мак-Ивен., Л. М Фи-

липс.: Мир, 1978.

11.Матвеев А.Н. Молекулярная физика: Учеб. для физ. спец. вузов./ А.Н.Матвеев. -2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1987.

12.Морачевский А.Г. и др. Термодинамика равновесия жидкость-пар. / Под ред. А.Г. Морачевского. - Л.: Химия, 1989.

13.Рейф Ф. Статистическая физика: Учеб. руковод. : Берклеев. курс физики, Т.5. / Ф. Рейф. - 3-е изд., испр., -М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1986. Т 5.

14.Сивухин Д.В. Общий курс физики, Т.2. / Д.В. Сивухин. М.: Физматлит., 2005.

15.Турко Ричард П., Тун Оуэн Б. и др. Климатические последствия ядерной

войны / П. Ричард Турко, Оуэн Б.Тун и др. // В мире науки, 1984, №10.

С.4-16.

16.Храмов Ю.А. Научные школы в физике./ Под ред. В.Г. Барьяхтара. – Киев: Наук.думка, 1987.

17.Эткинс П. Порядок и беспорядок в природе./ П. Эткинс. М.: Мир, 1987.

Учебное издание

227

Ольга Ивановна Москвич

Общая физика. Молекулярная физика

Редактор О.Ф. Александрова Дизайнер: А.Р. Таиров

Подписано в свет 15.06. 2011 г. Заказ 4250

Уч.-изд. л. 8,93.

Тиражируется на машиночитаемых носителях.

Редакционно-издательский отдел Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79

Тел/факс [phone]. E-mail [e-mail] http://rio.sfu-kras.ru

228