"Положительная обратная связь" или Конец света своими руками
Я не раз читала и слышала от знающих людей, что крупный лесной пожар имеет свойство гасить сам себя, особенно - при безветренной погоде: частицы дыма способствуют конденсации влаги в нижних слоях атмосферы, появляются облака и проливаются дождём.
Это подтверждается картиной, которую все могли видеть: дым из труб ТЭЦ или ТЭС тут же превращается в облака, полоса которых тянется в ту сторону, куда дует ветер.
Поэтому я ожидала, что катастрофические пожары в сибирской тайге вскоре зальёт дождями. Поскольку это не происходит, и они только набирают силу, я спросила у гугла, как это можно объяснить. И он тут же выдал ссылку на очень интересную статью сибирских учёных, написанную ещё в 2007 году: "ВЛИЯНИЕ МАССОВЫХ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ НА ЦИКЛОНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СИБИРИ". Использовались материалы спутниковых наблюдений за пожарами 2002 года, почти столь же масштабными, как нынешние. Выводы статьи - в духе известного изречения, приписываемого Парацельсу: "Всё — яд, всё — лекарство; то и другое определяет доза."
"Мощные потоки тепла и пара, генерируемые в зоне горения, на высотах образуют пересыщенную смесь, а наличие ядер конденсации обусловливает формирование кучевых облаков. Очаги пожаров на рис. 1 можно идентифицировать по дымовым шлейфам, а облака выглядят как небольшие светлые пятна вблизи зон горения. Видно, что некоторые пожары сопровождаются образованием облаков, локализованных над тепловыми источниками.
...
Пожар в условиях, когда влажность относительно велика (в нашем случае f=90%), приводит к образованию конвективных облаков над зоной пожара, и они достигают высоты 2–3 км.
Сопоставительный анализ двух экспериментов показывает, что при достаточно высокой фоновой влажности роль пожара проявляется главным образом в формировании конвективной струи с мощными вертикальными токами, которые обусловливают транспорт влажного воздуха выше уровня конденсации и стимулируют образование облачной воды."
То есть, при высокой относительной влажности воздуха облака, действительно, образуются и проливаются дождём, который может погасить пожар. Но в условиях летней жары и антициклона влажность воздуха невелика и дым поднимается намного выше.
"Численные расчеты показали, что увеличение концентрации дымового аэрозоля в вершине облака приводило к уменьшению общего количества выпавших осадков. Физическое объяснение этого феномена заключается в следующем. Если вершина дождевого облака расположена выше уровня изотермы −12 ◦C, то она состоит из водяного пара, водяных капель, ледяных кристаллов, снега и ледяной крупы. Попадание достаточного количества дымового аэрозоля в верхние слои стимулирует быструю кристаллизацию водяных капель. Облака с “ледяной вершиной” дают более слабые осадки, чем те облака, вершины которых состоят из смеси ледяных кристаллов, снега и дождевых капель.
Действительно, данные наблюдений показывают, что в средних широтах в летний период основная масса осадков приходится на ливневые облака с вертикальными размерами от 5 до 10 км. Верхняя часть таких облаков оказывается сильно переохлажденной.
Самолетные наблюдения и экспериментальные данные указывают на то, что ледяные кристаллы обнаруживаются на высотах, где температура воздуха ниже −12 ◦C.
Эти кристаллы образуются из пара и водяных капелек при наличии достаточного количества твердых частиц аэрозоля радиусом больше 1.0 мкм , которые служат ядрамикристаллизации. В итоге это приводит к замедлению процессов осадкообразования.
Данные лабораторных экспериментов, проведенных в термобарокамере, показывают, что достаточно около 100 частиц крупнодисперсного аэрозоля на 1 кубометр воздуха, для того, чтобы обеспечить кристаллизацию большей части капельной фракции при температуре воздуха менее −12 ◦C. При массовых лесных пожарах выделяется огромное количество аэрозоля, незначительной части которого достаточно для того, чтобы повлиять на процессы осадкообразования на большой территории"
Выходит, в летнюю жару крупные пожары уменьшают вероятность ливня, который мог бы их погасить. Но и это ещё не всё.
"На рис. 4 представлен снимок космического зондирования, относящегося к массовым лесным пожарам в Якутии в 2002 году.
На снимке видно, что непосредственно над зоной пожаров облачность отсутствует. Это косвенно подтверждает, что крупнодисперсный аэрозоль подавляет процессы облако- и осадкообразования. Кроме того, под влиянием инсоляции и тепла, выделяемого при пиролизе, происходит перестройка циркуляций воздушных масс над зоной пожара и в ее окрестностях. На рис. 4 видно, как циклон огибает территорию пожаров. Анализ большого количества спутниковых снимков массовых лесных пожаров показывает, что данная ситуация весьма характерна для циклонических условий."
Предложим гипотезу для объяснения данной ситуации. Под влиянием крупнодисперсного дымового аэрозоля мощность облаков на обширных территориях уменьшается, а процессы осадкообразования выше изотермы −12 ◦C прекращаются. В результате часть тропосферы, расположенная над этой изотермой, охлаждается и температура ее становится ниже, чем у окружающего облачного пространства, где воздействие аэрозоля отсутствовало. Холодные тяжелые массы воздуха опускаются, подавляя конвекцию в нижних слоях.
Вследствие этого интенсивность процессов осадкообразования уменьшается, что приводит к дальнейшему охлаждению облачного слоя и усилению нисходящего потока. Этот процесс продолжается до тех пор, пока облачный слой над зоной задымления не исчезнет.
В условиях ясной погоды возникает перемешанный слой. Все тепло и дымовой аэрозоль, выделяемые при пожарах, теперь не проникают выше этого слоя. Если этот процесс происходит на больших территориях, то возникает циркуляция, при которой холодный воздух опускается в верхней и нижней частях тропосферы и растекается в перемешанном слое.
Под действием силы Кориолиса возникает типичная антициклональная циркуляция, при которой ветер в этой области меняет свое направление, что подтверждается анализом снимков космического зондирования над зоной наиболее мощных массовых пожаров. Ледяные частицы, образовавшиеся в результате кристаллизации в большом количестве облаков, формируют перистые ледяные облака, которые расположены с подветренной стороны от лесных пожаров.
Заметим, что похожий механизм реализуется при искусственных воздействиях на дождевые и градовые облака. Различие заключается в том, что роль фактора кристаллизации играет не крупнодисперсный аэрозоль, а специальный реагент.
Заключение
Таким образом, активный вертикальный тепломассоперенос, генерируемый в зоне массовых лесных пожаров, может заметно повлиять на атмосферную циркуляцию зонального (синоптического) масштаба. При этом активную роль играют частицы дымового аэрозоля, выбрасываемого в зоне горения, которые способствуют кристаллизации облачной воды и блокируют процессы осадкообразования. Возникающие нисходящие токи на больших территориях подавляют конвективный обмен и могут привести к смене типа тропосферной циркуляции. В результате возникает механизм положительной обратной связи, приводящий к увеличению длительности массовых пожаров в условиях Сибирских регионов.
Похоже, гипотеза подтверждается практикой...
Циклоны, которые "огибают территорию пожаров" не были предметом исследования авторов. Между тем, они ведь всё равно где-то должны пролиться дождями. И вот, Тулун вчера снова затопило. Наводнение не уступает тому, что было месяц назад, а до этого ничего подобного не было с 18-го века, когда он появился.
Город находится как раз южнее зоны пожаров и циклоны, приходящие из Западной Сибири, проливаются в его окрестностях, на склонах Саян, поскольку на север их не пускает сформировавшийся там антициклон.
Я писала первого июля, что аномальный подъём воды в реке Ия связан с вырубкой лесов в предгорьях Саян - лес и лесная подстилка перестали впитывать влагу, почва на скалистом основании смывается в долины рек и т. д.
На следующий день статья аналогичного содержания появилась и на лесном форуме Гринпис. Что неудивительно - роль лесов в предотвращении наводнений в предгорьях хорошо изучена.
Но, может, хоть пожары возникли естественным путём, в результате сухих гроз, как пишут? Всё может быть, хотя сухие грозы - явление довольно редкое, а расположение большинства пожаров в более-менее населённых местах вызывает сомнения в том, что эта версия всё объясняет.
Невозможность потушить пожары на трёх миллионах гектаров очевидна, но они ведь не сразу распространились на такую площадь. А то, что пожарные называют возгораниями, тушить можно, но этого не делали в надежде, что как-то само рассосётся. Теперь имеем то, что имеем. Причём, не только Россию последствия затронут.
Это подтверждается картиной, которую все могли видеть: дым из труб ТЭЦ или ТЭС тут же превращается в облака, полоса которых тянется в ту сторону, куда дует ветер.
Поэтому я ожидала, что катастрофические пожары в сибирской тайге вскоре зальёт дождями. Поскольку это не происходит, и они только набирают силу, я спросила у гугла, как это можно объяснить. И он тут же выдал ссылку на очень интересную статью сибирских учёных, написанную ещё в 2007 году: "ВЛИЯНИЕ МАССОВЫХ ЛЕСНЫХ ПОЖАРОВ НА ЦИКЛОНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В СИБИРИ". Использовались материалы спутниковых наблюдений за пожарами 2002 года, почти столь же масштабными, как нынешние. Выводы статьи - в духе известного изречения, приписываемого Парацельсу: "Всё — яд, всё — лекарство; то и другое определяет доза."
"Мощные потоки тепла и пара, генерируемые в зоне горения, на высотах образуют пересыщенную смесь, а наличие ядер конденсации обусловливает формирование кучевых облаков. Очаги пожаров на рис. 1 можно идентифицировать по дымовым шлейфам, а облака выглядят как небольшие светлые пятна вблизи зон горения. Видно, что некоторые пожары сопровождаются образованием облаков, локализованных над тепловыми источниками.
...
Пожар в условиях, когда влажность относительно велика (в нашем случае f=90%), приводит к образованию конвективных облаков над зоной пожара, и они достигают высоты 2–3 км.
Сопоставительный анализ двух экспериментов показывает, что при достаточно высокой фоновой влажности роль пожара проявляется главным образом в формировании конвективной струи с мощными вертикальными токами, которые обусловливают транспорт влажного воздуха выше уровня конденсации и стимулируют образование облачной воды."
То есть, при высокой относительной влажности воздуха облака, действительно, образуются и проливаются дождём, который может погасить пожар. Но в условиях летней жары и антициклона влажность воздуха невелика и дым поднимается намного выше.
"Численные расчеты показали, что увеличение концентрации дымового аэрозоля в вершине облака приводило к уменьшению общего количества выпавших осадков. Физическое объяснение этого феномена заключается в следующем. Если вершина дождевого облака расположена выше уровня изотермы −12 ◦C, то она состоит из водяного пара, водяных капель, ледяных кристаллов, снега и ледяной крупы. Попадание достаточного количества дымового аэрозоля в верхние слои стимулирует быструю кристаллизацию водяных капель. Облака с “ледяной вершиной” дают более слабые осадки, чем те облака, вершины которых состоят из смеси ледяных кристаллов, снега и дождевых капель.
Действительно, данные наблюдений показывают, что в средних широтах в летний период основная масса осадков приходится на ливневые облака с вертикальными размерами от 5 до 10 км. Верхняя часть таких облаков оказывается сильно переохлажденной.
Самолетные наблюдения и экспериментальные данные указывают на то, что ледяные кристаллы обнаруживаются на высотах, где температура воздуха ниже −12 ◦C.
Эти кристаллы образуются из пара и водяных капелек при наличии достаточного количества твердых частиц аэрозоля радиусом больше 1.0 мкм , которые служат ядрамикристаллизации. В итоге это приводит к замедлению процессов осадкообразования.
Данные лабораторных экспериментов, проведенных в термобарокамере, показывают, что достаточно около 100 частиц крупнодисперсного аэрозоля на 1 кубометр воздуха, для того, чтобы обеспечить кристаллизацию большей части капельной фракции при температуре воздуха менее −12 ◦C. При массовых лесных пожарах выделяется огромное количество аэрозоля, незначительной части которого достаточно для того, чтобы повлиять на процессы осадкообразования на большой территории"
Выходит, в летнюю жару крупные пожары уменьшают вероятность ливня, который мог бы их погасить. Но и это ещё не всё.
"На рис. 4 представлен снимок космического зондирования, относящегося к массовым лесным пожарам в Якутии в 2002 году.
На снимке видно, что непосредственно над зоной пожаров облачность отсутствует. Это косвенно подтверждает, что крупнодисперсный аэрозоль подавляет процессы облако- и осадкообразования. Кроме того, под влиянием инсоляции и тепла, выделяемого при пиролизе, происходит перестройка циркуляций воздушных масс над зоной пожара и в ее окрестностях. На рис. 4 видно, как циклон огибает территорию пожаров. Анализ большого количества спутниковых снимков массовых лесных пожаров показывает, что данная ситуация весьма характерна для циклонических условий."
Предложим гипотезу для объяснения данной ситуации. Под влиянием крупнодисперсного дымового аэрозоля мощность облаков на обширных территориях уменьшается, а процессы осадкообразования выше изотермы −12 ◦C прекращаются. В результате часть тропосферы, расположенная над этой изотермой, охлаждается и температура ее становится ниже, чем у окружающего облачного пространства, где воздействие аэрозоля отсутствовало. Холодные тяжелые массы воздуха опускаются, подавляя конвекцию в нижних слоях.
Вследствие этого интенсивность процессов осадкообразования уменьшается, что приводит к дальнейшему охлаждению облачного слоя и усилению нисходящего потока. Этот процесс продолжается до тех пор, пока облачный слой над зоной задымления не исчезнет.
В условиях ясной погоды возникает перемешанный слой. Все тепло и дымовой аэрозоль, выделяемые при пожарах, теперь не проникают выше этого слоя. Если этот процесс происходит на больших территориях, то возникает циркуляция, при которой холодный воздух опускается в верхней и нижней частях тропосферы и растекается в перемешанном слое.
Под действием силы Кориолиса возникает типичная антициклональная циркуляция, при которой ветер в этой области меняет свое направление, что подтверждается анализом снимков космического зондирования над зоной наиболее мощных массовых пожаров. Ледяные частицы, образовавшиеся в результате кристаллизации в большом количестве облаков, формируют перистые ледяные облака, которые расположены с подветренной стороны от лесных пожаров.
Заметим, что похожий механизм реализуется при искусственных воздействиях на дождевые и градовые облака. Различие заключается в том, что роль фактора кристаллизации играет не крупнодисперсный аэрозоль, а специальный реагент.
Заключение
Таким образом, активный вертикальный тепломассоперенос, генерируемый в зоне массовых лесных пожаров, может заметно повлиять на атмосферную циркуляцию зонального (синоптического) масштаба. При этом активную роль играют частицы дымового аэрозоля, выбрасываемого в зоне горения, которые способствуют кристаллизации облачной воды и блокируют процессы осадкообразования. Возникающие нисходящие токи на больших территориях подавляют конвективный обмен и могут привести к смене типа тропосферной циркуляции. В результате возникает механизм положительной обратной связи, приводящий к увеличению длительности массовых пожаров в условиях Сибирских регионов.
Похоже, гипотеза подтверждается практикой...
Циклоны, которые "огибают территорию пожаров" не были предметом исследования авторов. Между тем, они ведь всё равно где-то должны пролиться дождями. И вот, Тулун вчера снова затопило. Наводнение не уступает тому, что было месяц назад, а до этого ничего подобного не было с 18-го века, когда он появился.
Город находится как раз южнее зоны пожаров и циклоны, приходящие из Западной Сибири, проливаются в его окрестностях, на склонах Саян, поскольку на север их не пускает сформировавшийся там антициклон.
Я писала первого июля, что аномальный подъём воды в реке Ия связан с вырубкой лесов в предгорьях Саян - лес и лесная подстилка перестали впитывать влагу, почва на скалистом основании смывается в долины рек и т. д.
На следующий день статья аналогичного содержания появилась и на лесном форуме Гринпис. Что неудивительно - роль лесов в предотвращении наводнений в предгорьях хорошо изучена.
Но, может, хоть пожары возникли естественным путём, в результате сухих гроз, как пишут? Всё может быть, хотя сухие грозы - явление довольно редкое, а расположение большинства пожаров в более-менее населённых местах вызывает сомнения в том, что эта версия всё объясняет.
Невозможность потушить пожары на трёх миллионах гектаров очевидна, но они ведь не сразу распространились на такую площадь. А то, что пожарные называют возгораниями, тушить можно, но этого не делали в надежде, что как-то само рассосётся. Теперь имеем то, что имеем. Причём, не только Россию последствия затронут.