APPLICATION OF GLOBAL CLIMATIC MODEL TO ASSESS EFFECTS OF IMPACT OF MAJOR ASTEROIDS ON EARTH

ПРИМЕНЕНИЕ ГЛОБАЛЬНОЙ КЛИМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДЛЯ ОЦЕНКИ ПОСЛЕДСТВИЙ ПАДЕНИЯ НА ЗЕМЛЮ КРУПНЫХ АСТЕРОИДОВ

Научная статья

Пархоменко В.П. *

Вычислительный центр им. А.А. Дородницына ФИЦ ИУ РАН, Москва, Россия;

Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия

* Корреспондирующий автор (vparhom[at]yandex.ru)

Аннотация

Предлагается применение модели общей циркуляции атмосферы и модели крупномасштабного переноса и эволюции примесей в атмосфере для оценки влияния на климат и биосферу падения крупных астероидов. Рассматривается сценарий падения крупного астероида 66 млн лет назад в районе полуострова Юкатан. Если столкновение происходит летом, то примерно через 2 недели температура воздуха у поверхности суши в значительной части Северного полушария станет ниже нуля и солнечное освещение будет практически отсутствовать. Расчеты показывают, что пыль и дым распространятся на тропики и большую часть Южного полушария.

Ключевые слова: моделирование климата, падение астероида.

APPLICATION OF GLOBAL CLIMATIC MODEL TO ASSESS EFFECTS OF IMPACT OF MAJOR ASTEROIDS ON EARTH

Research article

Parkhomenko V.P. *

Dorodnitsyn Computing Center of RAS, Bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia;

Moscow State Technical University named after N.Eh. Bauman, Moscow, Russia

* Corresponding author (vparhom[at]yandex.ru)

Abstract

It is proposed to use the general atmospheric circulation model and the model of large-scale transport and evolution of impurities in the atmosphere to assess the impact of large asteroids on the climate and biosphere. The scenario of the impact of a large asteroid, which took place 66 million years ago in the area of the Yucatan Peninsula is considered in the paper. If the impact occurs in summer, after about two weeks the air temperature at the land surface in large part of the Northern Hemisphere would be below zero, and there would be practically no sunlight. Calculations show that dust and smoke would spread to the tropics and most of the Southern Hemisphere.

Keywords: climate modeling, asteroid fall.

При падении комет и астероидов диаметром от 4 км до 6,5 км выделяется мощность порядка 100 Мт и уровни выбросов пыли и сульфатов достаточно высоки, чтобы уменьшить солнечную радиацию ниже величин, которые необходимы для фотосинтеза [1]. Баллистические эффекты могут вызвать пожары в областях, превышающих площадь 10⁷ км², и образовавшиеся дым и сажа еще более уменьшить уровни освещенности. При энергиях выше 10⁷ Мт взрыв и землетрясение достигают регионального масштаба (площадь 10⁶ км²). Цунами с высотой волны до100 м могут затопить прибрежные зоны на расстояние до 20 км. Пожары будут распространены по всему миру. Уровни освещенности могут упасть настолько сильно от дыма, пыли и сульфатов, что видимость полностью пропадет. При энергиях, приближающихся к 10⁹ Мт, поверхностные воды океана могут подкисляться во всем мире серой из тела комет и астероидов. В частности, падение астероида около 66 млн лет назад в районе полуострова Юкатан вызвало испарение субстратов, которые, скорее всего, образовали плотный широко распространенный сульфатный аэрозольный слой с последующими климатическими эффектами [2], [3]. Сочетание всех этих физических эффектов, несомненно, будет представлять собой разрушительное воздействие на глобальную биосферу [4].

Рассматривается применение модели общей циркуляции атмосферы (ОЦА) и модели крупномасштабного переноса и эволюции примесей в атмосфере [5], [6] для оценки влияния на климат и биосферу падения крупных астероидов.

Модель атмосферы описывает тропосферу ниже уровня изобарической тропопаузы. Для расчета скоростей ветра используется уравнение горизонтального импульса в векторной форме. Термодинамическое уравнение энергии используется для расчета температуры воздуха. Эти уравнения, а также уравнения неразрывности для массы и влажности являются четырьмя прогностическими уравнениями для определения зависимых атмосферных переменных. Динамическая система в σ-координатах дополняется соответствующими граничными условиями.

Модель ОЦА - это комплекс программ, который имитирует многие физические процессы. Существует два основных компонента программы: блок динамики модели ОЦА, в котором с помощью конечных разностей вычисляются течения в атмосфере, описываемые примитивными уравнениями, и блок физики, в котором вычисляются солнечные и тепловые радиационные потоки, рассматриваются адиабатические, влажные и конвекционные процессы. Результаты, полученные в блоке физики, используются в блоке динамики для расчетов течений и термодинамических характеристик. В модели используется трехмерная разнесенная разностная сетка для скорости и термодинамических переменных. Блок динамики состоит из двух основных компонентов: фактических разностных расчетов и спектральной фильтрации.

Для решения задачи была разработана модель переноса сажи и пыли в атмосфере [6], [7]. При расчетах использовалась модель переноса солнечного излучения при наличии в воздухе загрязнений такого рода. В сценарии предполагается, что выбросы пыли происходят мгновенно в верхнюю тропосферу и стратосферу. Пожары продолжаются в течение заданного времени. Пыль и сажа оседают на поверхность Земли благодаря силе тяготения и выпадают с дождями. Климатические изменения происходят из-за поглощения и отражения солнечного излучения сажей и пылью. Параметры и параметризации в модели легко модифицируются и настраиваются. Для расчетов не требуются значительные вычислительные ресурсы. Результаты представляются, в частности, в графическом виде.

В качестве варианта расчета рассматривается известный сценарий падения крупного астероида 66 млн лет назад в районе полуострова Юкатан [8], [9]. Конфигурация материков считается современной. В численных экспериментах предполагалось, что столкновение происходит в августе месяце. Расчеты были проведены на срок 2 месяца. За это время характеристики океана меняются мало, поэтому данные о температуре поверхности океана брались из наблюдений и в модели не рассчитывались. Понижение температуры приземного воздуха и подстилающей поверхности связано с наличием сажи и пыли в атмосфере, которое характеризуется оптической толщиной.

Локальные выбросы сажи, дыма и пыли в атмосферу в регионах северного полушария, подвергшихся  воздействию, под влиянием глобальной циркуляции атмосферы согласно расчетам распространятся на огромные площади, через месяц охватывая значительную часть северного полушария и частично южное (Рис. 1, 2).

Рис. 1 – Нормированная концентрация пыли в верхней тропосфере через месяц после падения

 

Рис. 2 – Нормированная концентрация пыли в нижней тропосфере через месяц после падения

 

Принципиальным является вопрос, сколько времени сажа и пыль будут находиться в атмосфере. Основными механизмами уменьшения количества аэрозоля являются гравитационное оседание и вымывание дождями. Скорость гравитационного оседания зависит от размера частиц и высоты заброса. Модельные расчеты «ядерной зимы» [10] показывают, что время пребывания аэрозоля в атмосфере, по сравнению с предыдущими представлениями, будет значительно увеличено в силу следующих факторов. Черный слой сажи будет интенсивно нагреваться солнечными лучами, и подниматься вверх вместе с нагретыми от него массами воздуха и выйдет из области образования осадков. По этой же причине приземный воздух будет холоднее находящегося выше и конвективные процессы (т. е. режим испарения влаги и выпадения осадков, так называемый круговорот воды в природе) будут существенно подавлены, осадки уменьшатся, а с ними и вымывание аэрозоля. Все это приведет к значительному удлинению периода "космической зимы".

Если столкновение происходит летом, то примерно через 2 недели, как было указано выше, температура воздуха у поверхности суши в значительной части Северного полушария станет ниже нуля и солнечное освещение будет практически отсутствовать. Расчеты показывают, что пыль и дым распространятся на тропики и большую часть Южного полушария. Таким образом, даже области, находящиеся вдалеке от района конфликта, будут испытывать его губительное воздействие.

Финансирование Проектов РФФИ №16-01-0466, №17-01-00693.	Funding This work was supported by the RFBR Projects No. 16-01-0466, No. 17-01-00693.
Конфликт интересов Не указан.	Conflict of Interest None declared.

Список литературы / References

1. Toon O. B. Environmental Perturbations Caused by the Impacts of Asteroids and Comets / O. B. Toon, K. Zahnle, D. Morrison and others // Rev. Geophys., 1997, 35(1), P. 41–78.
2. Alvarez L. Extraterrestrial cause for the Cretaceous-Tertiary extinction / L. Alvarez, W. Alvarez, F. Asaro and others // Science, 1980, 208б, p.1095-1108.
3. Pierazzo E. Chicxulub and climate: radiative perturbations of impact-produced S-bearing gases /E. Pierazzo, A. N. Hahmann, C. Sloan. // Astrobiology, 2003, 3 (1), p. 99-118.
4. Brugger J. Baby, it’s cold outside: Climate model simulations of the effects of the asteroid impact at the end of the Cretaceous /J. Brugger, G. Feulner, S. Petri. // Geophys. Res. Lett., 2017, 44, p. 419-427.
5. Пархоменко В.П. Применение квазислучайного подхода и ансамбле-вых вычислений для определения оптимальных наборов значений па-раметров климатической модели / В.П. Пархоменко // Информатика и ее применения. – 2017. - т. 11. - № 2. - С. 65-74.
6. Пархоменко В.П. Применение глобальных климатических моделей для исследования климата Земли / В.П. Пархоменко // Труды Института системного анализа Российской академии наук. – 2018. - Том.68. - № 2. - С. 38-41.
7. Пархоменко В.П. Модели, спасшие мир / В.П. Пархоменко // Экология и жизнь. – 2005. - №5. - С. 44-49.
8. Pope K. O. Impact dust not the cause of the Cretaceous-Tertiary mass extinction / K. O. Pope // Geology, 2002, 30 (2), p. 99-102
9. Pope K. O. Energy, volatile production, and climatic effects of the Chicxulub Creta-ceous. Tertiary impact / K. O. Pope, K. H. Baines, A. C. Ocampo and others // J. Geophys. Res., 1997, 102 (E9), p. 645-664.
10. Последствия ядерной войны. Физические и атмосферные эффекты (том 1). – М: Мир, 1988. 391 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Toon O. B. Environmental Perturbations Caused by the Impacts of Asteroids and Comets / O. B. Toon, K. Zahnle, D. Morrison and others // Rev. Geophys., 1997, 35(1), P. 41–78.
2. Alvarez L. Extraterrestrial cause for the Cretaceous-Tertiary extinction / L. Alvarez, W. Alvarez, F. Asaro and others // Science, 1980, 208б, p.1095-1108.
3. Pierazzo E. Chicxulub and climate: radiative perturbations of impact-produced S-bearing gases /E. Pierazzo, A. N. Hahmann, C. Sloan. // Astrobiology, 2003, 3 (1), p. 99-118.
4. Brugger J. Baby, it’s cold outside: Climate model simulations of the effects of the asteroid impact at the end of the Cretaceous /J. Brugger, G. Feulner, S. Petri. // Geophys. Res. Lett., 2017, 44, p. 419-427.
5. Parkhomenko V. P. Primeneniye kvazisluchaynogo podkhoda i ansamble-vykh vychisleniy dlya opredeleniya optimal'nykh naborov znacheniy pa-rametrov klimaticheskoy modeli [Application of Quasi-random Approach and Ensemble Computing for Determining Optimal Sets of Values of Climate Model Parameters] / V. P. Parkhomenko // Informatika i yeye primeneniya [Informatics and its applications]. - 2017. – V. 11. – No. 2. – P. 65-74. [In Russian]
6. Parkhomenko V. P. Primeneniye global'nykh klimaticheskikh modeley dlya issledovaniya klimata Zemli [Application of Global Climate Models to Study Climate on Earth] / V. P. Parkhomenko // Trudy Instituta sistemnogo analiza Rossiyskoy akademii nauk [Proceedings of the Institute for Systems Analysis of the Russian Academy of Sciences]. – 2018. – V.68. – No.2. – P. 38-41. [In Russian]
7. Parkhomenko V.P. Modeli, spasshiye mir [Models that Saved the World] / V. P. Parkhomenko // Ekologiya i zhizn' [Ecology and life]. – 2005. – No.5. – P. 44-49. [In Russian]
8. Pope K. O. Impact dust not the cause of the Cretaceous-Tertiary mass extinction / K. O. Pope // Geology, 2002, 30 (2), p. 99-102.
9. Pope K. O. Energy, volatile production, and climatic effects of the Chicxulub Creta-ceous. Tertiary impact / K. O. Pope, K. H. Baines, A. C. Ocampo and others // J. Geophys. Res., 1997, 102 (E9), p. 645-664.
10. Posledstviya yadernoy voyny. Fizicheskiye i atmosfernyye effekty (tom 1) [Consequences of Nuclear War. Physical and Atmospheric Effects] (Volume 1). – M: Mir, 1988. 391 p. [In Russian]