Книжная полка

Книжная полка NCBI. Служба Национальной медицинской библиотеки, Национальных институтов здоровья.

Руководящий комитет Института медицины (США) симпозиума по медицинским последствиям ядерной войны; Соломон Ф., Марстон Р.К., редакторы. Медицинские последствия ядерной войны. Вашингтон (округ Колумбия): Издательство национальных академий (США); 1986 год.

Медицинские последствия ядерной войны.

Руководящий комитет Института медицины (США) симпозиума по медицинским последствиям ядерной войны; Соломон Ф., Марстон Р.К., редакторы.

Вашингтон (округ Колумбия): Издательство национальных академий (США); 1986 год.

• Содержание
• Печатная версия в National Academy Press

Ядерная зима: состояние науки

Джордж Ф. Кэрриер, доктор философии.

Гарвардский университет, Кембридж, Массачусетс

За последний год стало широко известно, что крупный обмен ядерным оружием может привести, среди прочего, к значительному загрязнению значительной части земной атмосферы (NRC, 1985; Crutzen and Birks, 1982; Turco et al. ., 1983 и Саган, 1983-1984).Это загрязнение, как показали предварительные расчеты, может привести к охлаждению значительных участков земной поверхности — «ядерной зиме». Нет никаких сомнений в том, что атмосферные изменения такого характера произойдут. Но их масштабы и продолжительность — и, следовательно, их потенциал воздействие на людей, продукты питания и другие биологические системы — очень трудно определить, и они остаются спорными.Ниже я описываю основные типы загрязнения и неопределенности, связанные с расчетами атмосферных воздействий, учитывая наши нынешние, ограниченные знания.

Огненные шары, вызванные ядерным оружием, направленные против укрепленных военных целей и, следовательно, взорванные на уровне земли, будут содержать большое количество пылевых частиц субмикронного размера, то есть с типичными размерами менее одной десятитысячной сантиметра, а также крупные количества оксидов азота ( NO_Икс). Большая часть обоих этих веществ будет унесена в стратосферу, где при прочих неизменных обстоятельствах большая часть останется в течение значительного периода времени (порядка одного года), постепенно удаляясь естественными процессами. Оксиды азота будут истощать стратосферный озон и увеличивать поток ультрафиолетового излучения, достигающего нижних слоев атмосферы; пыль несколько уменьшит общее количество солнечного света, достигающего нижних слоев атмосферы.

Большую озабоченность вызывают потенциальные модификации нижних слоев атмосферы. Оружие, направленное на цели в городах или вблизи них и взорванное в воздухе, вызовет интенсивные обширные пожары. Пожары, в свою очередь, будут генерировать большое количество частиц дыма также субмикронного размера. Дым поднимался на умеренно большие высоты (от четырех до девяти километров), где он мог препятствовать прохождению солнечного света и изменять многие детали теплового баланса и движения атмосферы. В частности, в опубликованных отчетах говорится, что температура у земли может быть значительно снижена.Также возможно, что изменения ветров на больших высотах могут задержать или ускорить удаление NO._Икс и пыль из стратосферы.

Любая оценка этой потенциальной угрозы зависит от количественных оценок количества оружия, которое может быть использовано против различных типов целей, мощности этого оружия, количества загрязняющих веществ (пыль, NO_Икс, и дым), которые будут производиться, и их поперечное и вертикальное распределение в атмосфере. Оценка также зависит от расчетов реакции атмосферы на присутствие этих загрязняющих веществ, то есть от меняющихся распределений и движений температуры. Однако любая попытка сделать такие расчеты с сегодняшними знаниями и сегодняшним пониманием многих соответствующих явлений серьезно затруднена из-за большого количества серьезных неопределенностей.

Чтобы понять степень этих неопределенностей и их роль в попытках оценить степень деградации атмосферы, которая последует за ядерной войной, может быть полезно рассмотреть способы, которыми неопределенности будут усугубляться в событиях, сопровождающих крупный обмен оружием. . Существует три типа неопределенностей. Они касаются сценария ядерного оружия, образования дыма и его выброса в атмосферу, а также реакции атмосферы на загрязняющие вещества в предполагаемом масштабе.

Первый набор неопределенностей не может быть устранен. Нельзя заранее знать о ядерной фазе предполагаемых боевых действий, например, количество оружия, которое реально применит какой-либо комбатант, распределение целей, против которых будет направлено это оружие, или количество того оружия, которое достигнет своей цели. целей и успешно взорвать. Однако можно постулировать вероятный гипотетический обмен и время года, в которое он должен произойти, а затем попытаться оценить деградацию атмосферы, вызванную этим обменом.

Напротив, второй набор неопределенностей можно оценить с помощью процесса, показанного в следующем примере. Имеется небольшое количество данных наблюдений, касающихся крупных пожаров в неравномерно замусоренном твердом топливе, например, таких, которые могут возникнуть в городе после ядерного взрыва (McMahon, 1983). Эти данные показывают, что от 2 до 6 процентов фактически сожженного топлива превращается в дым. Данные не означают, что фракция, преобразованная в дым, не может быть больше; на самом деле, если бы топливо в основном состояло из синтетических органических материалов, известно, что производство дыма могло бы быть намного больше, чем 6 процентов. В качестве альтернативы возможны распределения подачи топлива и воздуха, при которых дымообразование может быть намного ниже 6 процентов. Тем не менее, похоже, нет конкурирующих аргументов, опровергающих диапазон от 2 до 6 процентов, который мы будем называть диапазоном неопределенности. Кроме того, поскольку наибольшее число в этом диапазоне в три раза больше наименьшего, мы будем говорить, что коэффициент неопределенности равен трем.

Размер частиц дыма и высота, на которую они поднимаются в атмосфере, важны, потому что данная масса более крупных частиц будет менее эффективно препятствовать прохождению солнечной радиации, чем такая же масса более мелких частиц. Кроме того, более крупные частицы и те, которые были введены на более низких высотах, будут удаляться быстрее. Для оценки количества субмикронного дыма, который поднимется над этой высотой, необходимы количественные оценки количества топлива в районах, где может произойти горение (запас топлива), доля запаса топлива, которая сгорит, и доля топлива сгорело, что вышло бы в виде дыма. Это также требует оценки доли частиц дыма, которые останутся субмикронных размеров при их подъеме в дымовом шлейфе, несмотря на их коагуляцию и включение в капли конденсации влаги, которые будут образовываться на больших высотах.Я бы сказал, что коэффициент неопределенности для подачи топлива не менее двух, что коэффициент неопределенности доли сгоревшего топлива не менее двух, что коэффициент неопределенности доли сгоревшего топлива, превращающегося в дым, не менее трех, и чтобы коэффициент неопределенности неагломерированной доли всего дыма был не менее трех. Таким образом, составной фактор неопределенности, связанный с этим вторым набором неопределенностей, составляет не менее 36. В эту оценку не включены другие неопределенности: высота столба дыма (и, следовательно, высота, на которой впрыскивается дым); оптические свойства дыма (чем непрозрачнее дым, тем больше он закрывает солнечный свет); и изменения оптических свойств дыма с течением времени.

В недавнем отчете Национального исследовательского совета Воздействие на атмосферу крупного обмена ядерными ударами, в качестве базового был принят конкретный сценарий обмена ядерными ударами, при котором расходуется чуть менее половины (6500 мегатонн) мирового арсенала. Другими словами, этот сценарий использовался для иллюстрации процесса оценки атмосферных эффектов обмена ядерными ударами. Не делается никаких претензий, что это «наиболее вероятный обмен». Это всего лишь правдоподобное предположение, предполагаемые последствия которого могут дать некоторое представление о возможной деградации атмосферы. Для этого предполагаемого ядерного обмена количество субмикронного дыма, которое выдержит подъем в огненном шлейфе, составляет от 20 до 650 миллионов тонн. Эти цифры в целом согласуются с факторами неопределенности, приведенными выше. (Однако возникают небольшие и неважные несоответствия, потому что это обсуждение представляет собой сильно упрощенную переработку отчета Национального исследовательского совета.) высота (от четырех до девяти километров) в атмосфере.

Третий набор неопределенностей — относящийся к реакции атмосферы — усложняет заключительную стадию анализа. Атмосферные ученые имеют в своем распоряжении множество вычислительных процедур, предназначенных для воспроизведения некоторых крупномасштабных особенностей реакции атмосферы на различные условия. Эти математические модели предназначены для работы с относительно небольшими изменениями нормального поведения атмосферы. Моделирование мелкомасштабных процессов (таких как осадки, удаление частиц, перемешивание эффектов турбулентности и др.) выбираются и уточняются таким образом, чтобы они удовлетворительно представляли крупномасштабные последствия этих мелкомасштабных процессов. Они являются удовлетворительными, поскольку разработаны, насколько это возможно, для соответствия наблюдаемому поведению нормальной атмосферы. Однако в интересующих нас явлениях условия включают сильные и аномальные температурные градиенты и миллионы тонн частиц дыма на высоте в несколько километров, однако нет наблюдений атмосферы в столь сильно измененном состоянии, которые можно было бы использовать для валидировать модели. Соответственно, особенно сложно количественно оценить неточности, которые могут возникнуть при проведении расчетов по существующим математическим моделям. Ясно, что использование этих моделей для оценки порядка величины изменения температуры, вызванного дымом, весьма разумно, но результаты можно рассматривать только как наводящие на размышления. Это точно не предсказания.

Различные вычислительные модели применялись к базовому сценарию войны, описанному выше, и к некоторым его вариациям (NRC, 1985; Crutzen and Birks, 1982; Turco et al., 1983; McCracken, 1983; Thompson et al., 1984). ).Результаты следует интерпретировать с осторожностью, но они сводятся к предположению, что атмосферная реакция на инжекцию дыма порядка 180 миллионов тонн, согласно оценкам с использованием доступных в настоящее время вычислительных моделей, будет включать изменения температуры, которые могут вызывать серьезную озабоченность. В частности, результаты показывают, что для обмена, происходящего летом, при всей вышеизложенной количественной неопределенности периодические понижения температуры в северной умеренной зоне могут быть порядка 20°С и продолжаться несколько недель. Хотя это еще более неопределенно, в тропиках северного полушария могут наблюдаться меньшие перепады температуры. Возможно даже, что в районах южного полушария могут наблюдаться длительные перепады температуры на несколько градусов.

Из этого обсуждения и исследований, на которых оно основано, я считаю неизбежным следующий вывод, состоящий из трех частей:

Неопределенности, присущие количественной оценке атмосферных эффектов крупного обмена ядерными ударами, столь многочисленны и так велики, что в настоящее время невозможно дать окончательное описание этих эффектов. Тем не менее:

Модельные расчеты, которые могут быть выполнены, предполагают, что изменения температуры могут иметь очень серьезные последствия. Эту возможность нельзя и не следует игнорировать. Следовательно:

Агентства, располагающие ресурсами, которые могут быть выделены для таких вопросов, и соответствующие члены научно-технического сообщества обязаны поддерживать и проводить исследования, которые могут сузить многие неопределенности. Только таким образом мы можем приблизиться к позиции, из которой можно сделать более точную оценку.

использованная литература

Крутцен, П.Дж. и Дж.В. Биркс. 1982. Атмосфера после ядерной войны: Сумерки в полдень. Амбио 11:114-125.

Маккракен, М. 1983. Ядерная война: предварительные оценки климатических последствий ядерного обмена. Доклад, представленный на Третьей конференции по ядерной войне, Эриче, Сицилия, 12-23 августа.

McMahon, CK 1983. Характеристики лесного топлива, пожаров и выбросов. Документ представлен на 76-м ежегодном собрании Ассоциации по борьбе с загрязнением воздуха, Атланта, Джорджия, 19-24 июня.

Национальный исследовательский совет. 1985. Влияние на атмосферу крупного ядерного обмена. Вашингтон, округ Колумбия: Издательство Национальной академии.

Саган, К. 1983-1984 гг. Иностранные дела (зима): 257-292.

Томпсон С.Л., Александров В.В., Гтенчиков Г.Л., Шнайдер С.Х., Кови К., Червин Р.М. 1984. Глобальные последствия ядерной войны: Моделирование с использованием трехмерных моделей. Амбио 13(4):236-243.

Турко, Р. П., О. Б. Тун, Т. П. Акерман, Дж. Б. Поллок и К. Саган. 1983. Ядерная зима: глобальные последствия множественных ядерных взрывов. Наука 23 декабря: 1283-1292. [В паблике: 17773320]

Сноски

После появления предыдущей статьи в Issues in Science and Technology (Winter 1985:114-117) реакция атмосферы несколько раз пересчитывалась с использованием моделей, которые должны более реалистично воспроизводить некоторые особенности реальных явлений. . Результаты этих расчетов в некоторых деталях отличаются от более ранних результатов, но эти различия и сохраняющиеся неопределенности таковы, что никакие изменения в выводах, приведенных выше, не оправданы.