Национальный цифровой ресурс Руконт - межотраслевая электронная библиотека (ЭБС) на базе технологии Контекстум (всего произведений: 593195)
Консорциум Контекстум Информационная технология сбора цифрового контента
Уважаемые СТУДЕНТЫ и СОТРУДНИКИ ВУЗов, использующие нашу ЭБС. Рекомендуем использовать новую версию сайта.
Оптика атмосферы и океана

Оптика атмосферы и океана №7 2006

0   0
Страниц109
ID202520
АннотацияЖурнал посвящен проблемам атмосферной оптики, включая спектроскопию, турбулентность, нелинейные явления в атмосфере и океане. Кроме того, к основным направлениям журнала относятся дистанционное зондирование атмосферы и подстилающей поверхности с космических, наземных, судовых и самолетных станций; исследования, связанные с климатом и экологией, а также созданием, испытанием и применением приборов и методов для таких исследований, включая обработку получаемой информации (обратные задачи, передача изображений, адаптивная оптика, лазеры, лидары.
Оптика атмосферы и океана : Научный журнал .— Новосибирск : Издательство Сибирского отделения Российской академии наук .— 2006 .— №7 .— 109 с. — URL: https://rucont.ru/efd/202520 (дата обращения: 16.08.2022)

Предпросмотр (выдержки из произведения)

К.Я. Кондратьев Аэрозоль и климат: современное состояние и перспективы разработок. <...> Аэрозольное радиационное возмущающее воздействие НИИ Центр экологической безопасности РАН/Международный Нансеновский фонд окружающей среды и дистанционного зондирования, г. Санкт-Петербург Поступила в редакцию 16.09.2005 г. Обсуждены результаты полученных за последние несколько лет оценок прямого и косвенного (через посредство изменений альбедо облаков и интенсивности осадков в результате обусловленного аэрозолем влияния на микроструктуру облаков) аэрозольного радиационного возмущающего воздействия (АРВВ). <...> Проанализированы возможности оценок АРВВ в рамках моделей глобального климата, и высказаны соображения о перспективах дальнейших исследований. <...> Прямое аэрозольное РВВ (АРВВ) за счет сульфатного аэрозоля усилилось за рассматриваемый период с 0,2 до 0,5 Вт/м2, тогда как первое косвенное РВВ (КРВВ), определяемое изменениями альбедо облаков, варьировало от 0,6 до 1,3 Вт/м2. <...> Если считать компоненты АРВВ аддитивными, то суммарное АРВВ должно было оказаться слабо отрицательным в период 19301980 гг. (при минимуме 0,25 Вт/м2 в 1956 г.), а затем смениться положительным (до 0,27 Вт/м2 в 1989 г.). <...> Суммарный парниковый эффект атмосферы (GHE) можно определить как 4 GHE = [Тs + (1 )Fs] FTOA, где излучательная способность подстилающей поверхности; постоянная СтефанаБольцмана; Fs и FTOA потоки длинноволновой радиации на Аэрозоль и климат: современное состояние и перспективы разработок. <...> (15) 107 см3, а счетная концентрация подвергающихся нуклеации частиц превосходит 1003000 см3, но меньше 107108 см3, то, в зависимости от интенсивности конденсационного стока (в условиях чистой морской, сельской и городской воздушных масс), частицы способны достаточно быстро достигать размера 20 нм. <...> Поэтому несомненно существенны полученные в работе [23] на основе использования региональной модели климата NARCM оценки количественного вклада аэрозоля в формирование арктического климата <...>
Оптика_атмосферы_и_океана_№7_2006.pdf
«Îïòèêà атмосферы и îêåàíà», 19, ¹ 7 (2006) УДК 551.508 К.Я. Кондратьев Аэрозоль и климат: современное состояние и перспективы разработок. 3. Аэрозольное радиационное возмущающее воздействие НИИ Центр экологической безопасности РАН/Международный Нансеновский фонд окружающей среды и дистанционного зондирования, г. Санкт-Петербург Поступила в редакцию 16.09.2005 ã. Обсуждены результаты полученных за последние несколько лет оценок прямого и косвенного (через посредство изменений альбедо облаков и интенсивности осадков в результате обусловленного аэрозолем влияния на микроструктуру облаков) аэрозольного радиационного возмущающего воздействия (АРВВ). Продемонстрирована сложность подобных оценок, определяемая разнообразием типов аэрозоля и наличием их сильной пространственно-временнo′й изменчивости. Проанализированы возможности оценок АРВВ в рамках моделей глобального климата, и высказаны соображения о перспективах дальнейших исследований. Введение Проблема воздействия аэрозоля на климат отнюдь не является новой [5]. Уже давно стала ясной, например, важная роль стратосферного аэрозоля как климатообразующего компонента атмосферы, которая проявляется в глобальных масштабах в периоды крупных вулканических извержений [27]. Значительно более сложны механизмы влияния тропосферного аэрозоля на климат [6, 7, 29, 30]. Последние годы отмечены попытками учета аэрозоля в глобальных трехмерных моделях климата. Примерами подобных исследований могут служить работы Quaas и äð. [42] и Watterson и Dix [61]. В первой из этих работ выполнено «ансамблевое» численное моделирование климата за период 1930–1989 ãã. с учетом влияния на климат пяти парниковых газов (ПГ) (СО2, ÑÍ4, N2O, CFC-11, CFC-12) и сульфатного àýðîçîëÿ. Ограничение учетом только чисто рассеивающего сульфатного аэрозоля (рассмотрен период 1881– 2100 гг., т.е. осуществлен и прогноз климата) характерно и для работы [61]. Естественно, что учет лишь чисто рассеивающего аэрозоля порождает эффект похолодания êëèìàòà. Впрочем Watterson и Dix [61] рассмотрели не только прямое (ADE), но и косвенное (AIE) влияние аэрозоля на климат (через посредство обусловленного аэрозолем изменения микрофизических и оптических свойств облаков), которое может быть не только отрицательным, но и положительным. Напомним, что радиационное возмущающее воздействие (РВВ) ∆F определяется как разность эффективных потоков коротковолновой или длинноволновой радиации на уровнях верхней границы атмосферы или подстилающей поверхности. В случае среднеглобальной приземной температуры воздуха ∆Ts = λ∆F, где λ – чувствительность климатической системы к ÐÂÂ. Согласно Quaas и др. [42] среднегодовые среднеглобальные значения радиационного возмущающего воздействия на уровне верхней границы атмосферы, рассчитанные с учетом только ПГ, возросли от 0,74 Âò/ì2 (1930 ã.) до 2,07 Âò/ì2 (1989 ã.). Прямое аэрозольное РВВ (АРВВ) за счет сульфатного аэрозоля усилилось за рассматриваемый период с –0,2 до –0,5 Âò/ì2, тогда как первое косвенное РВВ (КРВВ), определяемое изменениями альбедо îáëàêîâ, варьировало от –0,6 до –1,3 Âò/ì2. Если считать компоненты АРВВ аддитивными, то суммарное АРВВ должно было оказаться слабо отрицательным в период 1930–1980 ãã. (ïðè минимуме –0,25 Âò/ì2 в 1956 ã.), а затем смениться положительным (äî 0,27 Âò/ì2 в 1989 ã.). Âàæíî, что подобная эволюция определяется главным образом изменениями первого КРВВ, причем второе (очень ненадежно оцениваемое) КРВВ вообще не принималось во внимание. «Парниковое» РВВ в условиях безоблачной атмосферы примерно на 0,1–0,2 Вт/м2 интенсивнее, чем происходящее при средних условиях облачности (это различие определяется влиянием облачности верхнего яруса, усиливающей парниковый эффект). Вклад аэрозоля в формирование длинноволнового АРВВ сравнительно мал, но существен. Суммарный парниковый эффект атмосферы (GHE) можно определить как GHE = [εσÒs 4 + (1 – ε)Fs↓] – FTOA↑, где ε – излучательная способность подстилающей поверхности; σ – постоянная Стефана–Больцмана; Fs↓ и FTOA↑ – потоки длинноволновой радиации на Аэрозоль и климат: современное состояние и перспективы разработок. 3. Аэрозольное радиационное… 565
Стр.1
уровнях подстилающей поверхности (противоизлучение атмосферы) и верхней границы атмосферы (уходящее излучение). Если f – количество облаков, то в условиях частичной облачности GHEa = fGHEcc + (1 – f)GHEcf. Здесь индексы а, сс и cf обозначают соответственно условия реальной и сплошной облачности, а также ясного неба. Уже было отмечено, что как правило, GHEcc > GHEcf. Важное обстоятельство состоит в том, что оценки РВВ в рамках модели климата и по данным о радиационных потоках оказываются различными. Разности значений РВВ для ясного и облачного неба равны соответственно 0,23–0,49 и 0,13–0,37 Âò/ì2, что можно объяснить влиянием учета облачной обратной связи в модели климата. Pirjola и äð. [41] поставили вопрос о òîì, насколько важен учет процесса нуклеации при численном моделировании в региональном/глобальном масштабах. Понимание существенной роли мелкодисперсного аэрозоля в формировании климата и его влияния на здоровье человека стимулировало интерес к исследованиям подобного аэрозоля, который, как правило, является вторичным как продукт газофазной трансформации: нуклеации и последующего роста частиц. Благоприятствует такого рода исследованиям совершенствование аппаратуры, позволяющей в настоящее время измерять характеристики частиц размером более 3 нм. В свободной тропосфере (вблизи испаряющихся облаков, в морском пограничном слое атмосферы и в бореальных лесах) было обнаружено такое интересное явление, как «взрывное» образование частиц. Как отметили Pirjola и äð. [41], в этой связи были предложены различные механизмы нуклеации, объясняющие образование новых частиц. Возможные механизмы включают (в условиях реальной атмосферы): классическую теорию бинарной нуклеации H2SO4–H2O с последующим образованием ãèäðàòîâ; предложенную позднее теорию тройной нуклеации (H2SO4–H2O–NH3), образование димеров и ионно-индуцированную нуклеацию. Претерпевающие процесс нуклеации частицы, характерный размер которых составляет около 1 нм, не представляют, однако, интереса до тех пор, пока их размеры не увеличиваются до обнаружимых, причем рост частиц зависит от наличия конденсируемых паров. С другой стороны, происходит уменьшение счетной концентрации частиц, обусловленное их коагуляцией. Численное моделирование процессов нуклеации и последующего роста частиц в контексте их параметризации в региональных и глобальных моделях представляет собой трудную задачу. Очень важно выяснить в этой связи, при каких условиях вновь образовавшиеся путем нуклеации частицы способны преодолевать «коагуляционный барьер», вырастать до размеров частиц Айткена и далее – до облачных ядер конденсации, т.е. становиться существенными с точки зрения воздействия на климат. На основе использования модели AEROFOR динамики аэрозоля Pirjola и äð. [41] выполнили 566 анализ роли процессов нуклеации в образовании аэрозоля. Предполагается, что в дополнение к другим конденсируемым парам в атмосфере присутствуют пары серной кислоты, принимающие участие в процессах как нуклеации, так и конденсации. Полученные в работе [41] результаты свидетельствуют о том, что нуклеация является существенным процессом в атмосфере почти всегда, исключая такие случаи, когда концентрация конденсируемых паров не оказывается достаточно высокой для того, чтобы претерпевающие нуклеацию частицы были способны достигать размеров частиц Айткена и обеспечивать рост концентрации частиц больше 20 нм по крайней мере на 10%. Таким îáðàçîì, параметризация процесса нуклеации должна стать неотъемлемым компонентом моделей климата. Развитие подобного процесса сильно зависит от общего числа участвующих в нуклеации частиц, суммарной концентрации конденсируемых паров (H2SO4 и пары органических соединений), а также от счетной концентрации и микроструктуры частиц, существовавших ранее (от конденсационного стока). Численное моделирование показало, что если суммарная концентрация конденсируемых паров выше (1–5) ⋅ 107 ñì–3, а счетная концентрация подвергающихся нуклеации частиц превосходит 100–3000 ñì–3, но меньше 107–108 ñì–3, òî, в зависимости от интенсивности конденсационного стока (в условиях чистой морской, сельской и городской воздушных масс), частицы способны достаточно быстро достигать размера 20 íì. Как отметили Andreae и äð. [10], в прошлом и в настоящее время вклад аэрозоля как фактора похолодания климата был значительным, но в будущем он может существенно ослабиться за счет мер по снижению уровня загрязнений атмосферы. Естественно, что подобная ситуация должна способствовать интенсификации процесса глобального потепления. Важный прогресс в численном моделировании климата с целью оценок воздействий аэрозоля в условиях Арктики был достигнут Hu и äð. [23]. Как известно, большое внимание привлек за последние десятилетия определяемый расчетными данными эффект усиления процесса «парникового» потепления климата в высоких широтах [30]. С другой стороны, анализ данных наблюдений не выявил наличия над Арктическим океаном подобного эффекта [12, 25]. Поэтому несомненно существенны полученные в работе [23] на основе использования региональной модели климата NARCM оценки количественного вклада аэрозоля в формирование арктического климата с учетом прямого и косвенного воздействия аэрозоля различных типов, включая сульфаты, арктическую дымку, «черный углерод» (ВС), морские соли, органические соединения и пыль. Важные выводы в этой связи состоят в обнаружении зависимости климатического воздействия аэрозоля от его микроструктуры и химического состава, а также от высокого уровня среднегодового наземного АРВВ за счет сульфатного аэрозоля, достигающего –7,2 Âò/ì2. Кондратьев К.Я.
Стр.2
Хотя независимые («изолированные») оценки АРВВ довольно условны, их многочисленность и определенная содержательность побуждают дополнить опубликованные ранее обзоры по этой проблематике [2, 6, 7, 29, 38]. 1. Аэрозольное радиационное возмущающее воздействие Поскольку проблема АРВВ довольно подробно обсуждалась ранее [3, 4, 6, 7], ограничимся рассмотрением более поздних результатов. Оценки АРВВ возможны путем расчетов на основе использования заданных моделей атмосферы. Однако недостаточная адекватность подобных моделей побудила Costa и др. [16, 17] прибегнуть к восстановлению необходимых параметров аэрозоля по данным спутникового дистанционного зондирования при помощи как низкоорбитальных (LEO), так и геостационарных (GEO) спутников (в случае LEO значения аэрозольной оптической толщины (АОТ) найдены по данным аппаратуры GOME для глобального мониторинга озона). Применение подобного подхода проиллюстрировано в работе [17] результатами определения АРВВ на уровне верхней границы атмосферы для трех ситуаций: 1) мощные выносы сахарского пылевого аэрозоля на акваторию Атлантического океана в июне 1997 ã.; 2) дальний перенос продуктов сжигания биомассы над Атлантическим океаном в 2000 г.; 3) выбросы пылевого аэрозоля в регион Индийского океана (2000 г.). При этом достоверность результатов восстановления АОТ (τа) проконтролирована сравнением с данными сети AERONET солнечных фотометров. При АОТ > 0,4 погрешности значений АОТ составили 0,02 ± 0,16τà. Расчеты значений потока уходящей коротковолновой радиации (служащих источником информации для оценок АРВВ) обеспечили достижение погрешностей не более ± 15%. Moorthy и äð. [39] и Satheesh и äð. [44–51] получили оценки АРВВ на уровне подстилающей поверхности (ПП) и верхней границы атмосферы (ВГА), используя в качестве входной информации результаты наблюдений спектральной АОТ, массовой концентрации и микроструктуры аэрозоля (включая отдельные измерения массовой концентрации ВС), выполненных в регионе Аравийского моря в период между муссонами в рамках полевого наблюдательного эксперимента ARMEX-II [39]. Среднее значение АОТ на длине волны 500 нм над океаном (по данным судовых наблюдений) составило около 0,44, а на прилегающих территориях суши – примерно 0,47 (на плато в центре Индийского субконтинента АОТ достигала ∼0,61). Свойства аэрозоля характеризовались специфическими особенностями, зависящими от траекторий его дальнего переноса. Более высокие значения АОТ и более «плоский» спектр АОТ соответствовали случаям адвекции воздушных масс из западных регионов Азии, а также из северо-западного региона и с Западного побережья Индии. Доля ВС в общей массе аэрозоля составляла лишь ∼2,2% (в прибрежных регионах Индии в течение того же времени года эта доля достигает примерно 6%). Аэрозоль из ВС имеет главным образом антропогенное происхождение как продукт внутреннего сгорания и обусловливает значительное поглощение коротковолновой радиации. Естественно, что содержание ВС над океаном меньше, чем над сушей, но даже в атмосфере удаленных регионов Тихого и Атлантического океанов, а также в Антарктике было обнаружено значительное количество ВС, что можно объяснить влиянием дальнего переноса с континентов. Из данных наблюдений в тропиках Индийского îêåàíà, проведенных в 1998–1999 ãã., ñëåäóåò, например, что массовая концентрация ВС варьировала в пределах 1,5–2,8 ìêã/ì3 (÷òî эквивалентно 6–14% суммарной массы àýðîçîëÿ). В рамках полевого наблюдательного эксперимента ARMEX, частью которого были исследования композитного и черного углеродного аэрозоля в 2003 г. в периоды между муссонами и во время летнего ìóññîíà, Babu и äð. [11] осуществили судовые измерения массовой концентрации аэрозоля (МКА) над прибрежной частью Аравийского моря. Анализ результатов наблюдений показал, что суточный ход МКА был слабым в марте и полностью отсутствовал в мае–июне. Наблюдалось непрерывное уменьшение МКА от ∼700 íã/ì3 (ýòî соответствует доле ìàññû, равной 2,5%) в марте до ∼104 íã/ì3 (0,5%) в июне. Соответствующие значения аэрозольного радиационного возмущающего воздействия уменьшились от ∼70 Âò/ì2 зимой до ∼30 Âò/ì2 в период между муссонами и 45 Вт/м2 во время муссона. Полученные в работе [39] оценки средних знаи +10 Âò/ì2. В недавних публикациях Satheesh и äð. [44–50] содержится детальная информация о результатах исследований АРВВ. В частности, согласно [49] средние значения чений АРВВ дали –27 Âò/ì2 (ÏÏ) и –12 Âò/ì2 (ВГА), т.е. радиационное возмущающее воздействие для атмосферы составило +15 Вт/м2 (если напомнить, что «парниковое» РВВ составляет около 2,5 Вт/м2, то становится очевидной острая актуальность адекватного учета воздействия аэрозоля на климат). Уровень АРВВ существенно зависит от специфики дальнего переноса аэрозоля. В условиях адвекции из Западной Азии и с Западного побережья Индии АРВВ усиливалось до –40 ч –57 Âò/ì2 (ÏÏ), а для атмосферы достигало 27–39 Вт/м2. Если же преобладала адвекция из региона Бенгальского залива и из Центрального региона Индии, то соответствующие значения АРВВ уменьшались до –19 АРВВ (ВГА) над северной частью Аравийского моря (äî 12° ñ.ø.) в периоды зимнего (ëåòíåãî) муссонов составили –6,1 (–14,3) Âò/ì2 и уменьшались к югу до значений –3,8 (–3,4) Âò/ì2 на ýêâàòîðå. Что касается АРВВ (ÏÏ), то оно уменьшалось от –16,2 (–15,2) Âò/ì2 на севере Аравийского моря до –5,5 (–3,5) Вт/м2 на экваторе. В Северном регионе Аравийского моря мгновенные значения АРВВ (ПП) могли достигать –50 Вт/м2, уменьшаясь с широтой при градиенте около 3 Âò/(ì2 ⋅ град øèðîòû). Аэрозоль и климат: современное состояние и перспективы разработок. 3. Аэрозольное радиационное… 567
Стр.3