Образование катастрофических наводнений на Земле

Сообщение №125 от Пономаренко А.В. 05 ноября 2002 г. 21:48
Тема: Образование катастрофических наводнений на Земле

Некоторые физические механизмы образования катастрофических наводнений на Земле.

Пономаренко А.В., к.т.н.,  2001, e-mail: nep96sam@online.ru

Показано, что одной из возможных причин возникновения катастрофических наводнений в прошлом на Земле могло быть прохождение Солнечной системой через разреженную газопылевую туманность. При этом возникают условия повышения освещенности планет за счет рассеянного и люминесцентного излучения вещества туманности. В диапазоне плотностей водорода 5x103 - 105 см-3 достигается повышение интегральной освещенности планет в течение сотен лет до 15-30% по сравнению с современными условиями. Наряду с поступлением воды в атмосферу от импактов кометных ядер, этот механизм должен учитываться.

Имеются исторические и геологические свидетельства о периодах катастрофических наводнений на Земле. Одной из возможных причин таких событий может быть значительное повышение освещенности поверхностей планет или повышение энерговыделения в атмосфере. Это может привести к повышению общей температуры поверхности планеты и атмосферы, таянию полярных шапок, освобождению масс воды, связанных в почве вечной мерзлотой и др. В настоящее время не установлены физические механизмы внезапного повышения светимости Солнца и последующего ее понижения, поскольку Солнце является стабильной звездой на главной последовательности. Поэтому требуется рассмотрение других возможных причин повышенного энерговыделения в атмосферах планет. Такие явления должны при этом проявляться в масштабах Солнечной системы. 

В качестве одной из возможных гипотез может быть предложено рассмотрение физических механизмов воздействий вещества туманности на Солнце и атмосферы планет, а также воздействие на планеты излучения солнечной фотолюминесценции вещества газопылевой туманности при прохождении Солнечной системы через такую туманность в далеком прошлом.

Известно, что Солнечная система движется относительно спиральных рукавов нашей Галактики, периодически пересекая их. На периферии и внутри спиральных рукавов Галактики имеются многочисленные HI и HII облака размером от 1-10 ае до тысяч пс с плотностью по водороду от 10-17 до 10-24 г/см3, массой от 0,01 до тысяч масс Солнца. Исследования под руководством проф. Госачинского И.В. на РАТАН-600 показали, что, например, для HI облаков средний линейный диаметр вдоль Галактической плоскости в 2.5 раз больше, чем в перпендикулярном направлении, а дисперсия скоростей и диаметров для HI облаков полностью отсутствует. Им обнаружено, что 26% HI облаков имеют систематический градиент скорости вдоль дисков облаков, что может быть обусловленно их вращением .

Рис.1. Зависимость концентрации атомов НI в облаках от их линейных диаметров для 7710 облаков II и III квадрантов галактических долгот по данным для 7600 облаков нейтрального водорода по результатам Обзора НI на РАТАН-600 во втором и третьем квадрантах галактических долгот на : 180 град. < l < 260 град., -15 град. < b < +15 град. и 100 град. < l < 150 град., -10 град. < b < +10 град.

Возможные эффекты взаимодействия с такими объектами в прошлом и будущем исключать нельзя и их потенциальная опасность для Земли может быть не меньше, чем импактные воздействия астероидов и комет.

При анализе гипотезы рассматриваются следующие физические механизмы: 

Спектр солнечного излучения.

Известно, что плотность потока энергии солнечного излучения составляет 1,4 кВт/м2. В спектре солнечного света на ультрафиолетовое излучение с длинами волн от 100 до 400 нм приходится около 9% энергии. Остальная энергия распределена приблизительно поровну между видимой (400 - 760 нм) и инфракрасной (760 - 5000 нм) областями спектра. Плотность потока излучения Солнца в рентгеновской области (0,1 - 10 нм) составляет около 5x10-4 Дж/м2 и изменяется в зависимости от уровня солнечной активности. В видимой и инфракрасной областях спектр электромагнитного излучения Солнца близок к спектру излучения абсолютно черного тела с температурой 6000 К ( рис.1). Эта температура соответствует температуре фотосферы. В ультрафиолетовой и рентгеновской областях спектр солнечного излучения описывается другими закономерностями, поскольку излучение этих областей исходит из хромосферы (Т~104 К) и короны (Т~106 К). В коротковолновой части солнечного спектра на непрерывный спектр наложен целый ряд отдельных линий, наиболее интенсивной из которых является водородная линия La ( l=121,6 нм). При ширине этой линии около 0,1 нм ей соответствует плотность потока излучения ~5x10-3 Дж/м2/с. Интенсивность излучения в линии Lb приблизительно в 100 раз меньше. 

Оценка эффекта УФ фотолюминесценции, когерентного и некогерентного рассеяния солнечного излучения в облаке.

Для оценки эффекта фотолюминесценции поставлены следующие модельные упрощения. Туманность предполагается шарообразной радиусом Rt с Солнцем радиусом Rc в центре и планетой на расстоянии Rp. Плотность водорода в туманности одинакова в диапазоне от Rc до Rt. Масса вещества туманности 0.1-1000 Мс. Радиус Rt определяется через массу туманности и ее плотность. Расчет производился для ряда значений плотностей водорода в диапазоне 102 - 106 см-3. Рассматривалось когерентное и некогерентное рассеяние в диапазоне 90 - 760 нм (видимый и ближний УФ диапазон), в котором эффективно используется сечение рассеяния Крамерса-Гейзенберга:

Индикатриса рассеяния считалась изотропной. При этом интегральное сечение рассеяния сшивается на длине волны 90 нм с экспериментальными данными Вейслера (рис.3 , ~10-18 см2 на 90 нм). В диапазоне 0,1-80 нм прямо использовались данные интегрального сечения поглощения в водороде Вейслера. Освещенность Земли рассчитывалась численным интегрированием в трехмерной геометрии по равномерной сетке полярных и азимутальных углов. Сетка пространственных расстояний состояла из двух - равномерной в диапазоне от Rc до Rp с шагом h1 и равномерной от Rc до Rt с шагом h2. Интегрирование проводилось по 2.7x109 пространственным областям. Время расчета для одного набора данных по алгоритму автора составляет 15 мин на компьютере с процессором PIII-800/256MB RAM. Относительное повышение интегральной освещенности планет по сравнению с современным за счет УФ люминесценции вещества туманности по результатам оценки для Земли показано на рис.4. Повышение освещенности до плотностей туманности порядка 2.5e4 см-3 связано с преобладанием эффекта люминесценции над поглощением излучения в веществе туманности, завал кривой после плотности 7.5x104 см-3 связан с преобладанием механизма поглощения излучения на трассе до планеты. Поскольку в диапазоне плотностей туманности 5x103 - 105 см-3 достигается относительное повышение освещенности Земли на 30-80%, именно этот механизм может быть рассмотрен как основной в формировании процессов катастрофических наводнений на планете.

Рис. 2. Спектр солнечного излучения в различных областях: УФ - ультрафиолетовой; ВС - видимой; ИК - инфракрасной. Пунктир - спектр излучения абсолютно черного тела при температуре 6000 К

Рис. 3. Сечение фотопоглощения в водороде.

Рис. 4 Оценка повышения интегральной освещенности Земли.

Другим возможным механизмом повышения светимости Солнца может быть участие захваченного водорода туманности в протон - протонном солнечном термоядерном цикле. 

Полный выход в такой реакции зависит от температуры и водородной концентрации. Максимальное энерговыделение в такой реакции на Солнце происходит в зоне плотности около 100 г/см3 при температуре 15 млн. градусов и составляет около 35 эрг\г*сек. Оценка участия захваченного Солнцем водорода туманности в энерговыделении с такими параметрами даст верхнюю максимальную оценку в изменении светимости Солнца. Соответствующие результаты изменения светимости Солнца в зависимости от плотности туманности представлены на рис.5 . Показано, что даже максимальная оценка дает вклад, не превышающий 10-22 от полной  светимости Солнца при максимально возможной плотности вещества туманности. 

Рис 5. Относительное повышение светимости Солнца за участия захваченного водорода туманности в протон - протонном термоядерном цикле.

Так же необходимо учитывать, что относительные скорости тел Солнечной системы и галактических объектов, к которым относятся и туманности, могут достигать 60 км/с. При таких относительных скоростях необходимо учитывать выделение кинетической энергии вещества туманности в верхних слоях атмосферы планет при прохождении Солнечной системы через туманность. Так же необходимо учесть вклад химической энергии сгорания водорода в насыщенной кислородом атмосфере Земли при его инжекции и захвате в земной атмосфере. На рис. 6 показана зависимость времени прохождения Солнечной системой туманности массой 0,1 массы Солнца в зависимости от плотности ее вещества считая распределение вещества туманности однородным.

Рис. 6 Зависимость времени прохождения туманности с массой 0,1 Мс Землей от плотности туманности.

Поскольку длительность пролета измеряется сотнями и тысячами лет, при расчете захваченного водорода туманности учитывался спиралеобразный характер траектории движения Земли . Считалось, что захват вещества туманности происходит только в пределах поперечного сечения Земли с атмосферой, не учитывался гравитационный механизм захвата вещества. Для верхней оценки эффекта считалось, что все вещество туманности, попавшее в спиральную трубку траектории Земли, было захвачено. Не учитывались и магнитосферные эффекты. Соответствующие графики удельного в день и полного энерговыделения при максимальной относительной скорости 60 км/с представлены на рис.6 . Показано, что суммарное энерговыделение за счет кинетической энергии и химической энергии сгорания водорода в атмосфере Земли в день на пять порядков ниже интегральной за день энергии, получаемой Землей в день от Солнца. При этом энерговыделение за счет химических процессов на порядок ниже кинетического.

Рис. 7 Зависимость выделившейся на Земле кинетической энергии газа туманности при его захвате и химической энергии сгорания водорода за весь период и в течение каждого дня прохождения от исходной плотности туманности.

Представляет интерес оценка количества воды, образованной в атмосфере Земли от водорода космического происхождения за все время прохождения Землей туманности. Зависимость массы захваченного водорода туманности от ее плотности представлено на рис. 8 .

Рис.8 Зависимость массы захваченного Землей водорода туманности от ее плотности

Таким образом, полная масса воды космического происхождения, образованная за все время пролета не превышает 2x1017 г, что соответствует 4 мм осажденной воды по всей площади Земли. Таким образом, водой космического происхождения как одного из механизмов катастрофического наводнения можно пренебречь. 

В процессе работы получена верхняя оценка того, что при прохождении Солнечной системой туманности с плотностью по водороду 5x103 - 105 см-3 может повыситься освещенность Земли в видимом и ближнем УФ диапазоне до 15-30% за счет эффекта ультрафиолетовой люминесценции водорода, когерентного и некогерентного рассеяния солнечного излучения в облаке. Этот механизм является основным источником повышения энерговыделения в атмосферах и на поверхности Земли при похождении туманности, которые , наряду с поступлением воды из кометных ядер струйных потоков Галактики, могут спровоцировать катастрофические наводнения. Прочие рассмотренные механизмы не дают заметного вклада в повышение энерговыделения на планетах. 

Литература. 

1. Масштабные соотношения и внутренние движения в облаках межзвездного нейтрального водорода. Обзор НI на РАТАН-600 во втором и третьем квадрантах галактических долгот.( 1999 г.).


Отклики на это сообщение:

Нейросетевое прогнозирование среднегодовой температуры на Земле, выполненное в 2000 на основе данных до 1994 года по-видимому подтверждает известный прогноз "ГЛОБАЛЬНОГО ПОТЕПЛЕНИЯ КЛИМАТА"

MATHEMATICS OF TAOISM