Высота инжекции дыма

Профиль вертикального распределения дыма, полученный в расчетах. В случае наибольшего теплового потока, равного 8-104 Вт/м2, более 50% аэрозоля выносится выше уровня тропопаузы, которая расположена приблизительно на высоте 10 км над уровнем земли. Другой максимум концентрации аэрозоля расположен на высоте, меньшей 2 км, так как некоторое количество дыма задерживается в нижних слоях. В результате концентрация аэрозоля немонотонно меняется по высоте.
Уменьшение теплового потока вдвое по сравнению с максимальной величиной слабо влияет на распределение дымовых частиц по высоте. Однако, когда тепловой поток уменьшается на порядок по сравнению с максимальным, конвекция меняется существенно. В этом случае тепловой поток у поверхности слишком мал, чтобы вынести аэрозоль достаточно высоко и инициировать усиление конвекции в результате конденсации влаги. Через некоторое время осадки действительно образуются в вершине конвективной колонки, вызывая время от времени интенсивные вертикальные потоки со скоростями, превышающими 50 м/с. В результате со временем образуется слабый максимум аэрозольного выброса на уровне тропопаузы. В случае слабого теплового потока значительно больше дыма остается в пограничном слое в первые полчаса, чем в случаях максимального и среднего потоков.
Прогнозы выбросов дыма для атмосферных условий, типичных для весенне-осеннего сезона, даны в исследованиях Пеннер и др. (Penner et at, 1985) и Банты (Banta, 1985). В последней работе была использована модель RAMS. В обеих работах предполагалось наличие вертикального сдвига ветра лишь в одном направлении в горизонтальном потоке, максимальная скорость которого достигалась около тропопаузы и составляла 18 и 14 м/с в первой и второй работах соответственно. В работах Пеннер и др. (Penner et at, 1985) предполагалось, что типичная относительная влажность воздуха, составляющая приблизительно 77% У поверхности, уменьшается на 10% в окрестности тропопаузы. В расчетах Банты (Banta, 1985) относительная влажность считалась равной 50% по всей толще атмосферы.
В работе Пеннер и др. (Penner et al., 1985) на основе выбранного термодинамического профиля проведены три расчета, соответствующие интенсивному тепловому источнику, создающему поток 8,9-104 Вт/м2, источнику средней интенсивности, дающему поток 2,3 -104 Вт/м2, и источнику низкой интенсивности, поддерживающему поток тепла, равный лишь 0,23- 104Вт/м2. Предполагалось, что в каждом случае тепловые потоки создаются в круговой области площадью 78 км2. В работе Банты (Banta, 1985) предполагалось, что тепловой источник распределен по такой же области и создает поток 9,4-104 Вт/м2. Для этой величины теплового потока Банта выполнил три расчета. В первом расчете при определении потока влаги учитывалось тепловыделение в результате конденсации водяного пара, захваченного при горении и содержащегося в окружающем воздухе. Расчет проводился в основном тем же способом, что и в работе Коттона (Cotton, 1985). Во втором расчете не учитывалась фоновая атмосферная влажность для того, чтобы продемонстрировать относительное влияние выделившейся при горении влаги на высоту конвективной колонки. В третьем расчете исключались все эффекты, обусловленные влажностью, чтобы выделить влияние тепловыделения только от пожара на высоту конвективной колонки.
 Следует отметить, что Банта (Banta, 1985) использовал модель RAMS и учитывал выведение аэрозоля только в результате форических процессов, которое составило менее 2% массы инжектированного аэрозоля. Пеннер и др. (Реппег et at., 1985) вообще пренебрегали удалением аэрозоля из атмосферы. Таким образом, в обоих исследованиях частицы по существу рассматриваются как инертные примеси. Согласно результатам Банты (Banta, 1985), при учете естественной и созданной пожаром влажности имеет место наиболее глубокое проникновение дыма с максимумом концентрации выше уровня тропопаузы, расположенного на высоте 11 км. Согласно другим двум расчетам по модели RAMS, влага, выделяемая в процессе горения, имеет лишь второстепенное значение, в то время как основную роль играет влага, содержащаяся в окружающем воздухе. Даже в случае интенсивного теплового источника основная часть дымовых частиц остается на высоте между 4—5 км, если влияние атмосферной влаги не учитывается.
В случае наиболее сильного тепловыделения расчеты Пеннер и др. (Реппег et ai, 1985) показывают, что высота, на которую поднимается максимальное количество аэроз
оля, приблизительно на 2 км меньше, чем предсказывалось в работе Банты (Banta, 1985). Наиболее вероятная причина различия результатов состоит в том, что в работе Банты начальные условия соответствуют большей влажности, а Пеннер и др. пренебрегают уменьшением массы воздуха вследствие выпадения осадков. Третий фактор, который может быть ответствен за различие результатов, полученных в той и другой модели, связан с использованными предположениями относительно диффузии энергии и аэрозоля в моделях. Согласно модели RAMS, аэрозоль имеет тенденцию оставаться на наиболее высоком уровне, на который он выносится. Согласно модели Пеннер и др., аэрозоль стремится проскочить свой равновесный уровень и затем опускается до уровня, на котором он впоследствии остается. Причина этих отличий не ясна. Результаты расчетов Пеннер и др. для средней и низкой интенсивности тепловыделения показывают, что с уменьшением тепловыделения высота, на которой остается максимальное количество аэрозоля, быстро падает до 1—3 км. Это согласуется с результатами ранее обсуждавшихся вычислений Коттона (Cotton, 1985).
Результаты моделирования конвекции, инициированной тепловыделением от пожара, показывают, что высота инжекции дыма очень сильно зависит от погодных условий и интенсивности самого пожара. Это означает, что инжекция дыма в атмосферу в результате ядерного удара неизбежно будет зависеть от конкретного состояния атмосферы в то время и в тех местах, где возникнут пожары. Профиль инжекции дыма, полученный в результате статистической обработки, сильнее всего зависит от времени года. В течение летних месяцев области, где расположены многие из возможных стратегических целей, характеризуются неустойчивой или влажной (а, следовательно, условно неустойчивой) атмосферой. В таких местностях даже относительно слабые пожары (с полным тепловыделением менее 106 МВт) могли бы потенциально привести к возникновению интенсивных кучево-дождевых облаков, которые могут вынести до 50% дыма в верхнюю тропосферу и нижнюю стратосферу (предполагается, что вымывание частиц аэрозоля вследствие конденсации на них влаги или в результате гидродинамического захвата минимально).
При более устойчивой, но влажной атмосфере интенсивные кучево-дождевые облака возникнут только над большими пожарами. Однако даже при этих условиях возможна инжек-ция некоторого количества дыма в стратосферу. Вообще говоря, температура поверхности менее существенна, чем количество влаги в окружающем воздухе и температура наверху, так как тепло, необходимое для возбуждения конвекции, будет поступать от пожара. Поэтому в течение летних месяцев средний профиль инжекции дыма для городских пожаров с тепловыделением, превышающим 106 МВт, вероятно, будет иметь локальный максимум около среднего уровня тропопаузы.
Весной атмосфера может быть более неустойчива, но статистические условия, вероятно, менее благоприятны для развития глубокой конвекции, чем летом, из-за частых стабилизирующих температурных инверсий, наличия протяженных устойчивых областей холодного воздуха и меньшей влажности воздушных масс. Осенью условия еще менее благоприятны для развития глубокой конвекции из-за наличия масс более теплого воздуха наверху и более низкой влажности поверхности. Зима наименее благоприятна для глубокого проникновения в тропосферу кучево-дождевых облаков, индуцированных пожаром, так как атмосфера характеризуется низкой влажностью и высокой абсолютной устойчивостью.
В целом результаты моделирования показывают, что летом в результате непосредственного подъема конвективной колонкой в среднем 50% дыма, выделившегося при интенсивных пожарах после ядерных бомбардировок, может попасть в трехкилометровую окрестность тропопаузы. Остальной дым будет инжектирован на меньшую высоту и частично удален осадками. Весной или осенью доля дыма, попавшего в эти слои атмосферы, будет существенно меньше, а зимой на уровень тропопаузы попадет совсем немного дыма. Если выведение частиц аэрозоля вследствие конденсации на них влаги или в результате гидродинамического захвата будет эффективным, то сделанные выше оценки высоты подъема аэрозоля могут уменьшиться, хотя в настоящее время невозможно сказать, на какую величину. В различных исследованиях последствий ядерной войны (Тигсо et al., 1983а; NRC, 1985; Crutzen et al, 1984) предполагалось, что вымывается от 30 до 50% аэрозоля. Эта оценка получена в результате обработки данных о вымывании дымовых частиц во время пожаров раз
личной интенсивности, включая и такие, при которых не возбуждается интенсивной конвекции.