Влияние городского антропогенного аэрозоля на микрофизические характеристики атмосферы

СОДЕРЖАНИЕ Введение 1. Антропогенный аэрозоль 1.1. Физико-химические свойства антропогенного аэрозоля 1.1.1. Сажа 1.1.2. Пепел
1.2 Влияние антропогенных аэрозолей на физические процессы 1.2.1. Изменение климата городов 1.2.2. Особенности фазовых переходов воды в загрязненной атмосфере 2. Климатические эффекты аэрозолей 2.1. Влияние аэрозоля на физические параметры атмосферы 2.2. Аэрозоль как элемент климатической системы 2.3. Радиационные эффекты аэрозоля 2.4. Локальные эффекты городского тропосферного аэрозоля 2.6. Расчет зависимостей физических параметров атмосферы от массовой концентрации антропогенного аэрозоля Заключение Список использованной литературы Приложение ВВЕДЕНИЕ Проблему влияния аэрозоля на климат можно без преувеличения назвать центральной и наиболее сложной из всего комплекса проблем “аэрозоли и климат”. Дело в том, что антропогенные аэрозоли наиболее разнообразны по структуре и своим физико-химическим свойствам, а их вклад в общее содержание атмосферного аэрозоля постоянно растет и может быть резко увеличен. В прошлом климат Земли изменялся много раз без воздействия или при малом воздействии антропогенных источников. Поэтому возникает вопрос: может ли оказать воздействие на климат присутствие в атмосфере аэрозоля вообще и антропогенного в частности. Отмечалось, что глобальные выбросы антропогенного аэрозоля в настоящее время достаточно велики. Так, среднегодовой выброс аэрозоля из естественных источников составляет 2312 млн. т, а из антропогенных-296 млн. т, что составляет соответственно 88.5 и 11.5% от общего среднегодового количества генерируемого аэрозоля. При оценке потенциального влияния антропогенного аэрозоля важно сознавать, что его образование ограничено промышленными центрами, расположенными в основном в Северной Америке, Европе, Японии и на части территории Австралии. Таким образом, 296 млн. т антропогенного аэрозоля образуется над площадью, равной примерно 2.5% поверхности Земли. Для сравнения отметим, что эта же территория продуцирует 58 млн. т аэрозоля естественного происхождения, т. е. лишь 20% от антропогееного аэрозоля. Эта относительно высокая концентрация антропогенного аэрозоля над относительно маленькой площадью позволяет предположить возможность локального, вполне вероятно что и регионального, воздействия на климат. Например, в большом количестве работ рассматривается влияние больших промышленных центров на процесс облакообразования, влияние промышленности на термический режим атмосферы, изменение прозрачности атмосферы в результате хозяйственной деятельности человека. Известно, что изменение аэрозольной оптической толщины со временем в стратосфере после вулканических извержений, а в тропосфере от промышленных загрязнений и пылевых бурь могут вызывать климатические изменения. Непоглощающий аэрозоль увеличивает альбедо атмосферы и, следовательно уменьшает количество солнечной радиации, достигающей поверхности Земли. Если аэрозоль поглощает в коротковолновой области спектра, то поглощенная энергия солнечного излучения передается атмосфере. Это приводит к нагреванию атмосферы и охлаждению подстилающей поверхности. Если аэрозоль поглощает и соответственно испускает энергию в инфракрасной области спектра, то это приводит к противоположному результату, т. е. энергия выводится из тропосферы, что приводит к охлаждению воздуха и усилению парникового эффекта у поверхности Земли. Общий эффект зависит от соотношения коэффициентов поглощения в видимой и инфракрасной области, а также от альбедо поверхности. Изменение радиационных потоков в аэрозольной атмосфере приводит к изменению ее температурной стратификации, а также к изменению температуры земной поверхности. Те же механизмы, что приводят к изменению температурного режима поверхности и атмосферы, могут влиять на точность определения температуры поверхности моря и суши из космоса, и на возникновение и поведение воздушных потоков, включая развитие струйных течений на низких высотах. Эти факторы сказываются также на точность местного и регионального прогноза погоды. Наличие сильных полос поглощения в атмосферном “окне” 8 -12 мкм для аэрозоля аридного происхождения может привести к уменьшению температуры подстилающей поверхности, которое достигает нескольких кельвинов. Влияние аэрозоля на климат наиболее ощутимо в промышленных районах вследствие того, что воздействие его на радиационные потоки приводит к нагреванию атмосферы и стабилизации конвективных процессов. Так, в одной из работ американских ученых на базе западных районов США, показано, что присутствие аэрозоля может привести к усилению температурных инверсий и тем самым к накоплению промышленного выброса. С помощью аэрозолей можно воздействовать на атмосферные процессы. Наука о воздействии на атмосферные процессы становится одной из важнейших, чему способствуют следующие обстоятельства. Ураганы, грозы, град, катастрофические ливни, туманы, нарушение экологического режима различных слоев атмосферы, обледенение и электрическое поражение летательных аппаратов, наземных и морских объектов и другие опасные природные явления наносят ощутимый урон народному хозяйству. Поэтому исследуются возможности прогнозировать эти явления и предотвращать их. Вместе с тем, искусственные воздействия,способствующие улучшению погодных условий , могут оказаться эффективным средством повышения урожаев, улучшения видимости, ослабления катастрофических явлений и т. п. Представление о том, в какой мере человек может управлять атмосферными процессами, периодически менялось со временем. На сегодняшний день теоретически разработаны методы управления облаками, перераспределения и интенсификации осадков, борьбы с градом, рассеяния облаков и туманов, воздействия на ураганы и антициклоны, преднамеренного и непреднамеренного нарушения равновесия в ионосфере и озоносфере. Но на практике наиболее применительными из них являются методы воздействия на облака и осадки и искусственного рассеяния и создания туманов [7]. 1. АНТРОПОГЕННЫЙ АЭРОЗОЛЬ 1.1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АНТРОПОГЕННЫХ АЭРОЗОЛЕЙ Концентрация в атмосфере аэрозольных частиц антропогенного происхождения зависит в первую очередь от интенсивности генерации и времени их существования. Время жизни частиц определяется как размерами, так и другими их физико-химическими свойствами, а также высотой слоя атмосферы, в который они первоначально введены. В приземном слое частицы, радиус которых превышает 10 мкм, осаждаются на земную поверхность через несколько часов после поступления в атмосферу. Частицы субмикронного размера обладают высокой подвижностью и в результате интенсивного броуновского движения и коагуляции достаточно быстро укрупняются, образуя моду малых частиц. Эта мода аэрозольных частиц может находиться в воздухе достаточно длительное время и весьма эффективно рассеивает коротковолновую солнечную радиацию. Дисперсность антропогенных аэрозолей определяется характеристиками процессов образования частиц, в том числе концентрацией аэрозолеобразующего вещества и его химическим составом. Роль диспергационных процессов в образовании антропогенных аэрозолей относительно невелика (сельское хозяйство, горнодобывающая и строительная промышленность) и с каждым годом уменьшается в результате использования методов эффективного пылеподавления и пылеосаждения.
В научной литературе обычно не разделяют естественные и антропогенные почвенные аэрозоли, поскольку они мало отличаются по своим физико-химическим свойствам. Определенный интерес аэрозоли этого типа могут иметь, если они выбрасываются в большом количестве на большую высоту, что может заметно увеличить их вклад в радиационные атмосферные процессы по сравнению с вкладом естественных аэрозолей, и если они имеют в своем составе химически активные соединения. Например, цементная пыль, содержащая Al2O3 является эффективным катализатором реакций разрушения озона, а также может служить в качестве центров кристализации [11].
Однако как радиационный климатообразующий фактор наибольшее значение имеет антропогенный аэрозоль, образующийся из различных продуктов сгорания. К ним в первую очередь относятся сажевые, сернокислотные и сульфатные частицы, а также частицы, образующиеся из органических веществ [1,6]. Кроме того, при процессах горения в атмосферу выбрасывается большое количество соединений тяжелых металлов, которые обладают высокими токсичными свойствами и являются очень эффективными катализаторами атмосферных реакций окисления. Важным фактом для этих процессов аэрозолеобразования является относительно большая высота выброса значительной доли частиц в атмосферу (Z>=500 м), что при малых размерах частиц (r 1.1.1. САЖА Сажевые частицы образуются при неполном сгорании различных топлив. Так как парциальное давление насыщения углерода очень низкое, то образование частиц может происходить даже при небольших концентрациях элементарного углерода и недоокислившихся углнводородов. Поэтому диапазон размеров сажевых частиц очень широк. Значительная часть сажи конденсируется на уже присутствующих в воздухе частицах, образуя, по терминалогии Г. В. Розенберга, покровную фазу аэрозолей. Если учесть, что массовая концентрация сажи в приземном слое в промышленно развитых районах составляет от 5 до 20 - 30 мкг/м3, то становится очевидна важная роль сажи в радиационных процессах в атмосфере промышленных центров. В ряде работ рассматривалась каталитическая и фотокаталитическая активность частиц, содержащих сажу. В основном она обусловлена присутствием в таких частицах тяжелых металлов и свободных радикалов. Это обстоятельство может иметь важное климотологическое значение при выбросах продуктов сгорания на высоту озонового слоя, так как приведет к резкому уменьшению концентрации озона [2]. Основным механизмом возникновения как природных, так и антропогенных сажевых частиц является пиролиз в газовой или конденсированной фазе углеродсодержащих материалов [2,5]. Микрофизические характеристики продуцируемых при этом частиц зависят от специфики источника. Так, частицы, образующиеся при сгорании нефти, имеют кораллоподобную структуру и эффективную форму – сферическую; пиро--лиз каменного угля генерирует частицы в виде сфер, внутри которых заключены в большом количестве сферы меньших размеров, хаотически расположенные под внешней оболочкой. На характер образующихся частиц сажи большое влияние оказы-вает способ сжигания. При медленном, тлеющем горении образуются крупные, хлопьеобразные частицы ( поскольку при этом велика вероят-ность коагуляционного роста мелких, “эмбрионных” частиц). В случае быстрого горения образуются в основном мелкие частицы с r Первоначально образующиеся частицы имеют радиус 0.01-0.1 мкм. В результате коагуляции эти “эмбрионные” частицы быстро рекомбинируют, поэтому атмосферное время жизни “эмбрионных” частиц должно быть достаточно мало (менее нескольких суток). Частицы с r>3 мкм образуются в особо благоприятных условиях коагуляции и благодаря турбулентно обусловленному “механическому” подъему крупных частиц. Эти частицы довольно быстро выводятся из атмосферы гравитационной сидиментацией. Частицы же с r=0.1-3 мкм (аккумулятивная мода) могут иметь достаточно большое время жизни в атмосфере, ограничиваемое сверху эффективностью механизмов стока [5]: 1 неделя в нижней тропосфере (до высоты 1.5 км), 1 – в верхней тропосфере и более года в стратосфере. При оценке времени жизни частиц аккумулятивной моды сажи важен вопрс о внешнем и внутреннем смешивании частиц аэрозоля. При внешнем смешивании происходит укрупнение аэрозоля за счет рекомбинации однородных частиц элементного углерода (“молодого”). При внутреннем смешивании элементный углерод оказывается в физическом контакте с аэрозольными частицами другого химического состава (“состарившиеся” частицы). Внешнее смешивание приводит к образованию гидрофобного аэрозоля, тогда как внутреннее смешивание, - как правило, - к образованию гигроскопических частиц. В результате механизмы вымывания этих двух видов укрупненного аэрозоля оказываются принципиально различными. Электронно-микроскопические исследования частиц сажи показывают, что “эмбрионные” частицы имеют, как правило, довольно регулярную сферическую форму; часто это агломераты в виде цепочек и скоплений. Удельная поверхность для них составляет около 1000 м2/г. В зависимости от характера горючего материала, условий протекания пиролиза и свойств среды, в которую поступают частицы сажи, поверхность последних может быть покрыта адсорбированными веществами. Часто это гидрофобные, несгоревшие полностью углеводороды. Однако покрытие может оказаться и гигроскопичным (за счет адсорбции атмосферных газов, склонных к образованию водородных и координационных связей). В чистом виде сажа абсолютно инертна при обычной температуре. Это гидрофобное нерастворимое вещество (она может быть окислена примерно при 6000С или в атмосфере F2, однако в реальной атмосфере такие условия не встречаются). Элементный углерод способен реагировать с радикалами, что существенно с точки зрения протекания химических реакций в загрязненной атмосфере. В частности, наблюдается каталитическая активность сажи в реакциях окисления атмосферного SO2 [5]. Последние могут происходить по двум механизмам: по “сухому” (в присутствии воды) и “мокрому”, когда сажевая частица покрыта водной пленкой. “Мокрый” механизм более эффективен, чем “сухой”. Распределение по размерам сажевых частиц зависит не только от свойств горючего материала, но и от способа его пиролиза и характеристик окружающей среды, в которую они выбрасываются. При параметризации микроструктуры частиц от городских и лесных пожаров логнормальным распределением rm=0.1 мкм, s =2.0 для города, rm=0.05, s =2.0 - для лесного пожара. При пиролизе пропана получено трехмодальное распределение по размерам, где r 1m»5*10-3 мкм, r11m»5*10-2 мкм, r111m»0.3-0.4 мкм. Представление аккумулятивной моды в виде степенной зависимости дается следующими показателями степени: g = 4.9 ( rg =4.6 (rg =5.1-5.2 (r>0.4 мкм).
Плотность сажевых частиц оценивается в 1.9-2.0 г/см3 в зависимости от состояния пористости частиц (плотность графита составляет 2.21-2.25 г/см3 ). Высокая концентрация сажи в атмосфере может способствовать заметному нагреванию слоя, содержащего сажевые частицы, его стабилизации и увеличению времени жизни сажевых частиц. Длительному времени существования сажи в атмосфере способствует малая плотность частиц, их рыхлая «цепочечная» морфологическая структура. Из данных натурных наблюдений известно, что в атмосфере городов длительное время витают сажевые частицы, размеры которых достигают 1 мм и больше.
Частицы сажи, пироуглерода или других близких к ним по структуре углеводородов, образующихся при выделении свободного углерода, должны иметь модальный радиус rm» 0.01 .0.03 мкм. Тонкодисперсная фракция сажистых частиц в процессе гетермолекулярной коагуляции пополняет субмикронную фракцию аэрозолей свободным углеродом, что приводит к значительному увеличению поглощающих свойств субмикронной фракции частиц, а также частиц минерального аэрозоля. При повышенной влажности атмосферы частицы аэрозоля частично или полностью растворяются, и мелкодисперсный сажистый нерастворимый аэрозоль присутствует в каплях в виде вкраплений, нарушающих ее оптическую однородность. При высокой влажности сажистые частицы промышленного аэрозоля являются ядрами конденсационного роста частиц. В крупных промышленных центрах туман может смешиваться с промышленным дымом, образуя смог. Смоги обладают сильным токсическим воздействием и наносят огромный вред здоровью людей. Образованию смога в крупных промышленных районах способствуют сажистые частицы промышленного аэрозоля, которые являются ядрами конденсации. Обладая высокой поглощательной способностью, сажистые частицы, поглощая коротковолновую радиацию, создают температурную инверсию. Расчеты показали, что вблизи верхней границы промышленной дымки скорость нагрева атмосферы за счет поглощения коротковолновой радиации может составлять 10-15 К/сут, в то время как поглощение излучения подстилающей поверхностью уменьшается в 1.5 раза. Изменение структуры радиационного баланса в пограничном слое атмосферы и приводит к возникновению температурной инверсии. В результате резко уменьшается турбулентный массообмен и нарушается циркуляция воздуха над промышленным районом. В ночных условиях смог создает парниковый эффект, уменьшая степень радиационного выхолаживания подстилающей поверхности [6]. 1.1.2. ПЕПЕЛ Размеры частиц пепла в основном превышают 1 мкм, и, следовательно, их время жизни в атмосфере относительно невелико. По своим оптическим свойствам частицы пепла ведут себя примерно так же, как частицы почвенного присхождения,поэтому выделение этих частиц в отдельный тип для радиационных расчетов необоснованно. Однако важное значение могут иметь каталитические и фотокаталитические свойства пепла, обусловленные присутствием в нем тяжелых металлов. Атмосферный аэрозоль является продуктом сложной совокупности химических и физических процессов. Вследствие сложности этих процессов и относительно короткого времени жизни аэрозоля его химический состав и физические характеристики очень изменчивы. Пространственно-временная изменчивость в такой степени фрагментарны, что пока еще невозможны оценки общего бюджета аэрозоля различных типов, а имеющиеся оценки мощности глобальных источников аэрозоля природного и антропогенного происхождения сугубо ориентировочны. Несомненно, однако, что оценки, относящиеся к антропогенному аэрозолю, более достоверны, чем для природного аэрозоля (особенно в труднодоступных районах Мирового океана и континентов). Подобная ситуация определяет малую достоверность о соотношении между природным и антропогенным аэрозолем, хотя несомненно проявляющееся в глобальных масштабах воздействие хозяйственной деятельности человека на круговороты серы и азота. В зависимости от состава или источников Кондратьев К. Я. выделяет следующие типы природного аэрозоля : 1) продукты испарения морских брызг; 2) поднятая ветром в атмосферу минеральная пыль; 3) вулканический аэрозоль (как непосредственно выброшенный в атмосферу, так и образовавшийся за счет газофазных реакций); 4) частицы биогенного происхождения (непосредственно выброшенные в атмосферу и образовавшиеся в результате конденсации летучих органических соединений, например терпенов, а также химических реакций между этими соединениями); 5) дымы от сжигания биоты на суше; 6)продукты природных газофазных реакций (например, сульфаты, возникающие за счет восстановленной серы, поступающей с поверхности океана). По этому же принципу антропогенный аэрозоль можно классифицировать следующим образом: 1) непосредственные промышленные выбросы частиц (например, частиц сажи, дыма, дорожной пыли и др.); 2) продукты газофазных реакций. Целесообразно, помимо этого, различать тропосферный и стратосферный (преимущественно вулканический) аэрозоль. Большое внимание привлекают следующие газофазные реакции образования аэрозоля: 1) однородная гомомолекулярная нуклеация (образование новых устойчивых жидких или твердых мельчайших частиц из газовой фазы при наличии лишь одного газового компонента); 2) однородная гетеромолекулярная нуклеация (аналогичный процесс в присутствии двух или более газов); 3) гетерогенная гетеромолекулярная конденсация (рост уже существующих частиц за счет адсорбции газа). Исключительно сложны и пока еще плохо изучены фотохимически и химические реакии, которые ответственны за первоначальную трансформацию «высоко летучего» газа в газовый компонент, являющийся исходным для образования аэрозоля. По-видимому, наиболее существенны следующие процессы: 1) реакции сернистого газа с радикалами гидроксила, которые в конечном счете приводят к образованию молекул серной кислоты и сернокислотного аэрозоля; 2) реакции неметановых углеводородных соединений с озоном и (или) радикалами гидроксила с образованием альгидов, спиртов, карбоксильных и дикарбоксильных кислот (как правило, вторичные продукты этих реакций вступают в реакцию с оксидами азота, что приводит к образованию органических нитратов). Очень важную роль в химии атмосферы играют озон и радикалы гидроксила (НО и HO2), которые прямо или косвенно являются продуктами фотохимических реакций (именно поэтому процессы газофазного образования частиц характеризуются обычно хорошо выраженным суточным ходом). К числу важнейших типов атмосферного аэрозоля относятся частицы органических соединений. Разнообразные органические соединения участвуют в столь большом числе реакций, что исследования органического аэрозоля наталкиваются на исключительные трудности. Весьма значительна концентрация в атмосфере сажевых частиц, среднее значения которой над океанами достигают 0.5 мкг/м2и сравнимы с концентрацией минерального аэрозоля. По-видимому, источниками глобального органического аэрозоля в равной степени являются как природные, так и антропогенные, причем примерно половина поступившего в атмосферу количества природного аэрозоля приходится на долю океана.
Результаты воздействия аэрозоля на различные процессы (например, на перенос излучения) зависят,как правило, от совокупности химических и физических явлений, причем почти всегда существенную роль играет зависимость состава аэрозоля от размера его частиц. Поэтому адекватное описание свойств реального аэрозоля возможно лишь на основе использования результатов комплексного определения его характеристик. Одним из наиболее распространенных видов измерений является определение массовой концентрации аэрозоля. Однако именно эта характеристика наименее информативна, поскольку ничего не говорит об источниках, составе аэрозоля и его возможом воздействии.
Вполне обаснованы опасения относительно возможного антропогенно обусловленного возрастания содержания аэрозоля, которое может оказывать воздействие на климат как через посредство изменения радиационного режима Земли, так и путем влияния на гидрологический цикл. Несмотря на то что имеются многочисленные данные наблюдений за дальним распространением природного и антропогенного аэрозоля от его источников, все еще отсутствует надежная информация, которая подтверждала бы наличие связи между хозяйственной деятельностью человека и трендом возрастания содержания в глобальных масштабах, имеющим значение с точки зрения воздействия на погоду и климат. Сильная пространственно-временная изменчивость характеристик аэрозоля затрудняет выделение его антропогенного компонента, которое может стать возможным лишь при условии понимания причин подобной изменчивости, что требует осуществления широкой программы комплексных исследований атмосферного аэрозля. Главная задача, связанная с изучением воздействия аэрозоля на климат, состоит в учете его влияния на перенос коротковолновой и длинноволновой радиации с точки зрения тех изменений климата, которые могут порождать региональные и глобальные вариации содержания и состава аэрозоля в атмосфере. В последние годы большое внимание уделялось проблеме воздействия на климат дымового аэрозоля, образующегося в результате пожаров при ядерных взрывах в атмосфере [3]. Развитие численного моделирования климата определяет необходимость надежного учета влияния аэрозоля на климат на основе разработки моделей аэрозоля и оценки чувствительности климата к различным характеристикам аэрозоля [4]. В связи с этим требуют выяснения прежде всего следующие аспекты проблемы: 1) влияние аэрозоля на процессы регионального и глобального масштаба; 2) выявление наиболее существенных (с точки зрения воздействия на климат) типов и свойств аэрозоля; 3) сравнение воздействий на региональный и глобальный климат таких факторов, как изменчивость аэрозоля, малых газовых компонентов (H2O, O2, CO2 и др.), облачности и альбедо подстилающей поверхности. Для приближенных оценок воздействия аэрозоля на климат пригодны модели радиационно-конвективного равновесия. С помощью таких моделей было обнаружено сильное воздействие аэрозоля на вертикальный профиль температуры при большой оптической толщине аэрозоля и слабое воздействие, если оптическая толщина меньше 0.5. В зависимости от альбедо подстилающей поверхности, стратификации аэрозоля и оптических свойств облаков могут возникать эффекты как похолодания, так и потепления климата (до нескольких градусов). Значительное воздействие на климат может оказывать стратосферный аэрозоль. Учет влияния аэрозоля в рамках зональной модели общей циркуляции атмосферы (ОЦА) позволил сделать вывод о понижении температуры поверхности, достигающем нескольких 0С. Первоначальные расчеты с помощью трехмерных моделей ОЦА, в которых учитывались характеристики аэрозоля для района пустынь, позволили обнаружить следующее: 1) понижение температуры земной поверхности, достигающее 2.50С, если аэрозоль поглощает только солнечную радиацию; 2) повышение температуры земной поверхности до 3.50С, если учесть влияние аэрозоля на перенос теплового излучения (парниковый эффект); 3) значительное усиление устойчивости атмосферы вблизи земной поверхности и ослабление ее в свободной атмосфере (в верхней половине запыленной части атмосферы); 4) существенную трансформацию поля температуры за пределами запыленной части атмосферы (Западная Европа, Азия и тропическая Африка). Технический прогресс породил новые проблемы и новую ответственность человечества перед будущими поколениями за состояние природной Среды и обеспечение необходимых жизненных условий. В последнее десятилетие пришло реальное осознание остроты противоречия между ограниченными возможностями биосферы усваивать без заметного ущерба отходы промышленности и ростом общественных потребностей. Изменения исторически сложившихся экологических систем приобретает характер, при котором все более вероятными становятся опасные для человека и зачастую необратимые нарушения естественных природных связей. Уже сейчас в атмосферу ежегодно поступает около 200 млн. т окиси углерода, 150 млн. т двуокиси серы, 50 млн. т углеводородов, примерно столько же окиси азота, много других загрязнителей. И хотя масса выбрасываемых веществ составляет незначительную часть от массы атмосферы, их локализация в промышленных районах, не превышающих 5% земной поверхности, и в самых нижних слоях атмосферы приводит к недопустимо высоким концентрациям антропогенных загрязнителей. Таким образом, на современном этапе развития человеческого сообщества сформировались объективные условия, требующие нового подхода к хозяйственно-экономической деятельности. В рамках этого подхода предметом особой заботы становится сохранение восстановительного потенциала биосферы, а затраты на соответствующие мероприятия рассматриваются как необходимая часть государственного бюджета. Практическая реализация этого подхода предполагает наличие методологии, позволяющей оценить воздействие планируемых - и в особенности крупномасштабных - мероприятий на текущее и перспективное состояние биосферы и выбрать среди множества вариантов оптимальную в смысле некоторых эколого-экономических критериев стратегию. Создание такой методологии - задача многоаспектная, комплексная и в высшей степени сложная. Она требует глубокого системного анализа, интеграции исследований в различных областях науки, таких, как методы математического моделирования и экология, физика атмосферных и океанических процессов, иммунология и медицина, химия многофазных систем, география, экономика, космические исследования, безотходные технологии, юриспруденция. Направленность данной методологии на прогноз и количественную оценку последствий планируемых мероприятий наряду с невозможностью проведения натурных экспериментов в реальном масштабе времени определяет форму ее реализации. Прогноз последствий и выбор стратегий должны осуществляться на основе математических моделей с использованием современных средств вычислительной техники, последующей проверки выводов лабораторных и приближенных к реальным условиям ситуаций. Общая структура модели для построения оптимальных стратегии хозяйственной деятельности с учетом наиболее актуальной в текущий период проблемы влияния антропогенных загрязнений на природную среду определяется следующими основными блоками:
- распространение и трансформация загрязняющих примесей от источников до компонент экосистемы; - взаимодействие загрязнителей и природных систем (включая человека); - динамика природных систем с учетом угнетающего воздействия загрязнителей; - построение основных оптимизируемых функционалов;
- решение оптимизационных задач по определению управляющих параметров модели и разработка плана хозяйственных мероприятий на основе решения оптимизационных задач; - информационное обеспечение модели. Некоторые из задач, возникающих при реализации блоков, к настоящему времени проработаны достаточно глубоко. Так, создана целая система (зачастую повторяющих друг друга) моделей для описания процессов переноса и диффузии примеси в атмосфере. Разработаны эффективные методы решения кинетических уравнений. Существуют подходы для описания различного типа экологических систем. Однако основная проблема - разработка оптимального «экологизированного» плана конкретных народохозяйственных мероприятий - может быть решена только при создании единой взаимоувязанной супермодели, реализирующей все упомянутые блоки в полном объеме. Практическое использование такой супермодели должно основываться на учете и контроле выбросов и переноса загрязнителей. Наиболее перспективным источником соответствующей информации являются данные космического зондирования. Выбор данных космического зондирования в качестве основного источника информации обусловлен глобальным характером проблемы и необходимостью изучения распространения загрязнителей и определения их воздействия на компоненты биосферы для всей планеты. Этот выбор обоснован успехами и перспективами развития космической техники, достигнутыми результатами в области дистанционного зондирования Земли из космоса. Методы и аппаратура дистанционного определения характеристик примесей, разработанные в предшествующий период, были успешно испытаны на спутниках серии «Космос» и «Интеркосмос», а также на пилотируемых станциях «Салют». Результаты экспериментов на этих космических аппаратах позволили определить степень точности и надежности данных космического зондирования, используемых для решения рассматриваемой задачи. Так, эксперимент с многоканальным спектрометром МКС-М в сочетании с многоканальной фотокамерой МКФ-6М на станции «Салют-7» обеспечил получение информации о спектральной яркости системы поверхность Земли-атмосфера над промышленными районами с высоким пространственным разрешением (30-50 м) и большой фотометрической точностью (1-3%). Методы дистанционного зондирования, созданные для обработки этой информации, позволили одновременно определить коэффициенты спектральной яркости поверхности и вертикальные профили оптической толщины аэрозольных частиц с ошибкой 15-20%. Не менее важным направлением фундаментальных и прикладных исследований, определяющих достоверность и эффективность плановых мероприятий, является определение воздушных потоков, которые переносят частицы примеси на большие расстояния, а также других метеоэлементов. Расчет распределений метеорологических параметров на основе уравнений гидротермодинамики - чрезвычайно сложная задача, решение которой немыслимо без привлечения современных методов вычислительной математики и мощных ЭВМ. Сегодня уровень знаний в этой области позволяет прогнозировать изменения распределения различных характеристик, определяющих метеорологические условия в том или ином районе, на сроки порядка недели. Поэтому, имея в виду практическую значимость борьбы с загрязнениями окружающей Среды отходами промышленных предприятий и необходимость оценивать долгосрочные последствия таких загрязнений, в настоящее время следует считать весьма актуальными исследования распространения загрязнений с учетом данных о крупномасштабных атмосферных процессах, влияющих на климат. Выбор такого масштаба позволяет использовать основные характеристики динамики атмосферы за текущий период (скажем, за последние 10 лет) и проанализировать воздействие загрязнений на биосферу в предположении, что за последующий (сравнимый по продолжительности) промежуток времени существенных изменений климата не произойдет. Это приводит к необходимости создания специализированных баз данных по климатическим характеристикам атмосферы и соответствующего математического обеспечения. Однако такой подход применим только для тех слоев атмосферы, влияние земной поверхности на которые мало. В пограничном слое атмосферы (толщиной до 2 км), где сосредоточены все антропогенные источники загрязнений, динамический режим атмосферы определяется исходя из глобальных климатических характеристик свободной атмосферы с учетом различных мезомасштабных метеорологических процессов. Определяющие этот режим процессы, протекающие в планетарном пограничном слое, описываются уравнениями гидродинамики атмосферы и решаются на мощных ЭВМ. К этому направлению тесно примыкает проблема необычайной сложности - проблема турбулентности. В атмосфере постоянно образуются невидимые вихри, имеющие различные пространственные и временные масштабы. Большие вихри с течением времени распадаются на меньшие, те в свою очередь на еще более мелкие и т. д., пока энергия мельчайших вихрей не превратится в тепло. Реализуется и обратный процесс образования больших вихрей из малых. Именно эти вихри, взаимодействуя с дымовым шлейфом, «растаскивают» частицы примесей в разные стороны, что приводит к наблюдаемому увеличению его поперечных размеров. Чем больше размер аэрозольного облака, тем с большими вихрями оно может взаимодействовать. Если же размер вихря намного превосходит размер облака, то примесей не происходит. Этот процесс оказывает сильное воздействие на итоговое распределение загрязнителей. Однако замкнутой теории для конструктивного определения турбулентных пульсаций до сих пор не создано и для вычисления коэффициентов турбулентности приходится пользоваться гипотезами о замыкании моментами первого и второго порядков, уточняя полученные результаты по данным наблюдений (например, из космоса). В задачах о пространственно-временном распределении полей загрязняющих примесей встречаются и другие трудности, которые современная теория пока не в силах устранить. В первую очередь это относится к взаимодействию облака примеси с земной поверхностью. Исследования в этом направлении только начаты и их следует существенно активизировать, так как воздействие человека на экологические системы определяется в конечном счете именно характером такого взаимодействия. Следующая серьезная проблема - определение воздействия определенного количества данного загрязнителя на конкретный объект или комплекс объектов биосферы и последствий такого продолжительного взаимодействия. Математические модели эволюции популяций как элементов единой экологической системы строятся исходя из условия баланса изменений их биомассы и формулируются обычно в виде систем нелинейных дифференциальных уравнений. Они описывают взаимодействие популяций и скорости нарастания или убывания их биомассы. В общем случае каждое из уравнений системы включает в себя характеристики всех рассматриваемых популяций. Кроме того, в эти уравнения в качестве параметров входят величины, характеризующие скорости процессов, описываемых моделью. Значения параметров находятся из биологических экспериментов, а зависимости характеристик популяции друг от друга устанавливаются в соответствии с биологическими механизмами развития элементов экосистемы. Определение параметров и детальное описание механизмов представляет собой очень важное направление экологических исследований, без глубокого развития которого оценить долгосрочные последствия антропогенного воздействия на окружающую среду с высокой степенью достоверности весьма затруднительно.
Воздействие загрязнителей на элементы экологической системы имеет, как правило, «пороговый» характер - если количество примеси меньше допустимой нормы, оно почти не сказывается на эволюции, если же превышает эту норму, то губит популяцию. Это означает, что скорости биологических процессов, а следовательно, и соответствующие им параметры модели, меняются в зависимости от количества и типа загрязнений, причем эта зависимость носит весьма сложный «пороговый» характер.
Вопрос о типе загрязнителя высвечивает проблему исследования химических процессов, протекающих в атмосфере. Состав атмосферы весьма сложен. В ней помимо изучаемых нами частиц примеси в том или ином количестве присутствуют различные соединения, взаимодействующие с этими частицами. Кроме того, в атмосфере есть и соединения, ускоряющие химические реакции,- катализаторы, а также сильны окислители и вода. Наконец, атмосферу пронизывают мощные потоки солнечной радиации, вносящие свой весомый вклад в многочисленные химические преобразования, протекающие в атмосфере. Положение усугбляется еще тем, что в разных местах планеты состав атмосферы различен, так что фотохимические превращения примеси могут происходить с разной скоростью и давать в итоге различные соединения. Таким образом, частицы примеси взаимодействуют не только с турбулентными вихрями, но и вступают в химические реакции с составными частями атмосферы. Образовавшиеся при этом соедиения в свою очередь вступают в реакции и т. д. В такой цепочке возможны и разветвления, когда часть некоторого соединения образует несколько новых соединений, которые дают начало другим цепочкам. Может показаться, что создание комплекса взаимоувязанных моделей, описывающих текущее и перспективное состояние основных характеристик окружающей среды, уже само по себе позволяет выработать стратегию оптимального ведения хозяйства с учетом потребностей охраны природы. Однако это далеко не так. Действительно, пусть в заданном регионе нужно возвести новое промышленное предприятие, для которого тип и количество выбрасываемых загрязнений определены заранее. В этом районе уже существуют объекты, особо нуждающиеся в охране от загрязнения (жилые массивы, лесные угодья, парки, зоны отдыха и т. п.). Требуется определить место для строительства предприятия так, чтобы воздействие распространяющихся от него примесей на эти объекты было минимальным. Очевидно, для решения этой задачи наиболее прост подход, при котором предприятие «размещается» по очереди во всех точках региона, а воздействие загрязнений на указанные объекты определяется в каждом случае с помощью модели, о которой говорилось выше. Но, как нетрудно убедиться, для этого понадобится произвести столько вычислений, что их не удастся реализовать в разумное время даже на самых мощных ЭВМ. Нужны, стало быть, новые методы решения оптимизационных задач, ориентированных на охрану окружающей Среды. Такие задачи удалось сформулировать на основе сопряженных уравнений. Определенные из решения сопряженных задач значения параметров и «закладываются» в план хозяйственных действий, которые должны привести к оптимальному результату. Отметим, что для решения каждой такой задачи необходимо знать экономический критерий - совокупность числовых показателей, изменяющихся в зависимости от результатов численного моделирования процессов в окружающей среде. Выбор подобного критерия - нелегкая проблема и требует большой работы по определению констант, связывающих свойства природной Среды с производственными показателями. Такие задачи в математическом плане сводятся к проблеме минимакса. В общем случае для нахождения оптимальных решений нужно учесть огромное число факторов: экономические затраты на строительство в данном месте, стоимость сооружения и эксплуатации коммуникаций (железных и автомобильных дорог, водопровода, линий связи), а также перспективы развития региона, расходы на здравоохранение и различные природоохранные мероприятия и т. д. Наряду с необходимостью научного подхода к планированию строительства новых промышленных объектов для действенной охраны экологически значимых зон требуется выработать четкие требования к выбросам уже действующих предприятий, т. е. определить для каждого предприятия такое предельное количество выбрасываемых аэрозолей, чтобы их сумма для всех источников загрязнений не превышала санитарных норм. В то же время сразу значительно снизить выбросы нельзя, ибо это ухудшит экономические показатели. Поэтому речь идет о таких ограничениях на выбросы, при которых все же можно достичь максимального экономического эффекта [9]. Выше мы упомянули лишь некоторые проблемы, образующие своеобразный базис, позволяющий практически подойти к решениям сложнейших задач, связанных с охраной окружающей Среды. Предстоит много поработать, чтобы отдельные пока еще разрозненные попытки решения комплексной по своей сути проблемы стали надежным инструментом в нашей практической деятельности, в которой критерии охраны природы приобретают все больший приоритет. 1.2. ВЛИЯНИЕ АНТРОПОГЕННЫХ АЭРОЗОЛЕЙ НА ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ 1.2.1. Изменение климата городов Изменение мезоклимата городов, происходящее под влиянием загрязненной атмосферы изучено достаточно полно [2,10]. Данные табл.1.1 характеризуют значительное отклонение метеорологических характеристик в городе по сравнению с прилегающей сельской местностью. Даже при отсутствии смога загрязненная атмосфера сильно ослабляет приток радиации, в особенности в ультрафиолетовой области спектра земной поверхности, в некоторых случаях до 90%. Поскольку ультрафиолетовая радиация обладает бактерицидными свойствами, это явление косвенным образом может способствовать развитию вирусных и других заболеваний. В крупных городах снижается число дней с хорошей видимостью. Одним из заметных результатов измерения метеорологического режима городской атмосферы является изменение повторяемости туманов и сильной дымки в городе [4]. Таблица 1. Изменение мезоклимата городов, вызванное загрязнением атмосферы Метеорологические характеристики Изменение в городе по сравнению с прилегающей сельской местностью Повторяемость туманов (смогов) зимой летом > на 100% > на 30% Количество облаков > на 5-10% Содержание примесей > в 5-20 раз УФ-радиация в среднем летом на 10% Количество осадков > на 5-10% Средняя температура годовая зимняя > на 0.5-10С > на 1-20С Средняя годовая скорость ветра на 20-30% Скорость штормовых ветров на 10-20% Влияние антропогенного загрязнения атмосферы сказывается, в частности, на появлении туманов при влажности менее 100%, что свидетельствует о наличии в урбанизированных районах активных ядер конденсации, в значительной степени понижающих парциальное давление насыщенного водяного пара. Установлено, что городские туманы намного плотнее, т. е. имеют повышенную концентрацию капель, и более устойчивы, чем туманы в условиях незагрязненной атмосферы. Это явление можно объяснить более высокой концентрацией ядер конденсации в городской атмосфере. Высокие концентрации ядер конденсации чаще обусловливают наличие капель меньших размеров, поскольку данное количество влаги должно быть в этом случае распределено по большому числу ядер. Мономолекулярные пленки органических веществ, покрывающих каплю, препятствуют конденсационному росту капель за счет столкновений друг с другом, что делает туманы в городской атмосфере колоидально устойчивыми .
1.2.2. ОСОБЕННОСТИ ФАЗОВЫХ ПЕРЕХОДОВ ВОДЫ В ЗАГРЯЗНЕННОЙ АТМОСФЕРЕ Особенности фазовых переходов воды в сильно загрязненной атмосфере урбанизированных районов имеют принципиальные отличия от микрофизических процессов, протекающих в незагрязненной атмосфере. Одной из причин, влияющих на фазовые переходы воды, является присутствие в городской атмосфере вторичных аэрозолей органического происхождения, для которых нельзя рассчитывать равновесное давление водяного пара на основании уравнения Рауля и необходимо учитывать целый ряд факторов (гидратационные эффекты, характер адсорбций примесей на поверхности аэрозоей и т. д.) [11]. Одним из важных результатов исследований работ Морачевского В. Г., Головиной Е. Г., Цветковой А. В. следует считать изучение эффекта понижения давления насыщенного пара над водными растворами органических соединений, вызванного общим усилением гидрофобных взаимодействий в растворах, причиной которых являются микроструктурные особенности воды. Установлено, что мономолекулярные пленки органических соединений способствуют возникновению сильных взаимодействий в поверхностном слое, что приводит к усилению конденсационного роста капель. Обнаружено также повышение температуры кристаллизации растворов органических соединений, вероятно, обусловленное нарушением условий теплообмена по поверхности вторичных аэрозолей. Несмотря на то что органические вещества находятся в атмосфере в следовых количествах и состав их непостоянен, лабораторные исследования показывают, что при определенных условиях они могут играть важную роль в изменении процессов образования туманов, облаков и осадков. Если органические вещества полярны, обладают поверхностной активностью и нелетучи, то они адсорбиурются на льдообразующих ядрах и облачных ядрах конденсации, а также на поверхности раздела фаз гидрометеоров. Такие соединения могут в значительной степени изменить атмосферные физико-химические процессы. Линейные парафиновые углеводороды (п-алканы) неохотно вступают в реакции окисления и в меньшей степени участвуют в поверхностных явлениях и процессах образования аэрозолей. Реакционная способность углеводородов [2] в присутствии ультрафиолетовой радиации и окислителей возрастает в следующем порядке: н - парафины В последнюю категорию углеводородов входит и крайне реакционноспособый класс терпеновых соединений. Углеводороды, наоборот, играют незначительную роль в микрофизике облаков, поскольку они в своем большинстве являются неполярными соединениями и имеют малое сродство к воде. С другой стороны, будучи окисленными или полимеризованными в результате фотокаталитических процессов, углеводороды превращаются в полярные частицы [2], имеющие большое сродство к границам раздела фаз. Однако эффективно влиять на процессы облакообразования могут лишь немногие органические соединения определенной химической структуры. так, например, замедление скорости роста и испарения капель поверхностной пленкой органического вещества эффективно лишь в случае строго линейной структуры сильнополярных жирных кислот, высших спиртов и эфиров. Замедление скорости испарения капель. Ряд теоретических и прикладных работ был посвящен проблеме снижения испарения с плоской водной поверхности из-за образования поверхностных мономолекулярных пленок. Известны исследования сопротивляемости монослоя из нормальных спиртов к переносу водяного пара через поверхность рвздела фаз. Для обеспечения наибольшего эффекта в целях образования плотной пленки, устойчивой к давлению в горизонтальной плоскости, монослой должен быть линейным, образующим физический барьер для переноса молекул воды. Это применимо и к каплям воды в атмосфере. Органическая пленка, адсорбированная на поверхности капли, должна иметь максимально плотную упаковку и строгую ориентацию молекул, пока капля испаряется, а ее поверхность сокращается . Исследования испарения капель воды, покрытых монослоем, были ограничены опытами с нормальными спиртами (в особенности высшими спиртами), которые имеют неразветвленную структуру и обладают способностью образовывать необходимую структуру монослоя при поверхностном сжатии в капле. Это свойство поверхностных пленок рассматривается некоторыми исследователями как одно из подтверждений гипотезы о стабилизации морских туманов и дымок поверхностно-активными органическими веществами посредством образования тонких пленок на поверхности капель. Интенсивное введение некоторых пленкообразующих соединений в туманы и облака может привести к заметным изменениям микроклимата. Исследования скорости испарения капель, загрязненных выхлопными газами бензинового двигателя, показало, что скорость испарения капель снижается до тех пор, пока при некотором конечном радиусе полностью не прекращалось. Формирование ядер кристаллизации. Химическая природа ядер кристаллизации, характеризуемая типом химических связей на их поверхности, влияет на удельную свободную энергию границы раздела фаз. В силу того что решетка льда скреплена водородными связями, ядра кристаллизации должны иметь на поверхности Н-связи с той же степенью прочности и, следовательно, полярностью, что и между молекулами воды во льду. Важно при этом чтобы молекулы, образующие на поверхности ядер кристаллизации водородные связи, имели вращательную симметрию. Несимметричные молекулы стремятся направить свои активные водородные группы внутрь для достижиния минимальной свободной энергии образующегося кристалла, а молекулы с вращательной симметрией направляют свои Н-связывающие группы к поверхности. Поэтому некоторые органические молекулы, имеющие вращательную симметрию, могут являться высокоэффективными ядрами конденсации. Замедление конденсации. Конденсационный рост капель в значительной степени может замедляться, когда капли покрыты мономолекулярной пленкой из неразветвленных спиртов. Возможно это объясняет улучшение видимости в естественных туманах при искусственном влиянии на конденсационный рост капель. В этом случае добавочное давление водяного пара будет приложено к молекулам, не имеющим мономолекулярной пленки, и чистые капли будут расти быстрее, что приведет к более быстрому их выпадению и улучшению видимости. Адсорбированные пленки из предельных спиртов снижают конденсацию гигроскопических чстиц из NaCl и NH4Cl при влажности 100-100.7%. В то же время несмотря на снижение скорости испарения капель пленкой неразветвленных алкильных соединений, влияние на скорость конденсации капель 5% NaCl не наблюдается.
Поверхностное натяжение и нестабильность дождевых капель. Экспериментально изучалось влияние поверхностного натяжения на динамику больших капель воды в воздухе (диаметром до 9 мм). Поверхностно-активные органические фторпроизводные использовались для снижения поверхностного натяжения водяных капель. Размер, при котором капли разрушаются на мелкие фрагменты во время свободного падения, является функцией поверхностного натяжения, причем диаметр разрушающихся капель изменялся от 9 мм для чистой воды (72 дин/см) до 4.5 мм, когда поверхностное натяжение снижалось до 17 дин/см. Разрушение капель одинаковых по массе увеличивает время свободного падения по мере снижения поверхностного натяжения.
Коалесценция капель. На эффективность коалесценции водяных капель в воздухе влияет множество факторов. Среди них - скорость столкновения, угол атаки, поверхностное натяжение и присутствие пленок органического вещества. Исследования влияния органических соединений на процессы соударения включают изучение столкновения мелких капель с плоской водной поверхностью или с большими висящими каплями. Так, катионные, анионные и неионные ПАВ образуют пленки на плоской водной поверхности, которые практически полностью ингибрируют коалесценцию капель радиусом 300 мкм. Эффективность коалесценции увеличивается по мере уменьшения поверхностного натяжения. Не установлено, что именно поверхностное натяжение, или заряд капли, или какой-либо другой параметр ответствен за повышение эффективности коалесценции. Изменение погодных условий: полевые и лабораторные эксперименты. Полевыми экспериментами установлено, что динамика облаков может изменяться под влиянием органических веществ, которые вызывают неравномерность распределения капель по размерам и изменяют тепловую структуру внутри облаков. Эксперименты, направленные на предупреждение возникновения тумана, были проделаны Биггом. Было установлено, что присутствие линейных молекул нормальных спиртов на периферии тумана замедляет скорость роста некоторых капель, приводя к более быстрому росту оставшихся капель. В таких нестабильных условиях должно происходить предотвращение возникновения плотного тумана. В полевых экспериментах использовался тонко-дисперсный аэрозоль смеси гексадеканола и октадеканола, который вводился в атмосферу долины, где предсказывалось появление тумана. Результаты, полученные в эксперименте, свидетельствовали о том, что в действительности предотвращение тумана имело место, но сказать с точностью, что это происходило под влиянием органических веществ, а не в результате естественных процессов, не представляется возможным. Некоторые вопросы, касающиеся воэможного влияния органических пленок на процессы облакообразования, были разрешены после исследований, проведенных в камере объемом 600 м3 . Получаемый туман обрабатывается аэрозолями различных органических соединений, образующих мономолекулярные пленки на поверхности раздела капель. Туманы несколько раз подвергались медленному сжатию или расширению, чтобы капли равномерно покрывались поверхностными пленками и для обеспечения нуклеации на аэрозолях ПАВ, диспергированных в камере. Показатели видимости и распределения капель по размерам были получены в ходе эксперимента как для обработанных аэрозолями, так и для контролных туманов. В результате этих экспериментов были получены следующие данные: 1-гексадеканол в значительной степени стабилизировал туман, благодаря замедлению скорости испарения как во время сжатия, так и при постоянном давлении. 1-гексадеканол является линейной молекулой, образующей плотный поверхностный слой, ингибирующий перенос молекул воды через поверхность раздела. Олеиновый спирт (9-октадецен-1-ол, цис-изомер) является нелинейной молекулой, образующей рыхлые поверхностные пленки, и, таким образом, не в состоянии в значительной степени изменять как скорость испарения капель, так и видимость в тумане. Предложено много различных механизмов, объясняющих, каким образом органические поверхностно-активные вещества вызывают изменение динамики облаков, туманов и осадков. Капли могут расти более медленно, сопротивляться коалесценции, осциллировать, распадаться, испаряться медленнее или даже быстрее, чем чистая воды, и т. д. Для того чтобы органическое вещество эффективно влияло на свойства поверхности раздела, оно должно обладать определенными особенностями химической структуры. Во-первых, это должно быть полярное соединение для достаточной адсорбции на границе раздела. Соединение должно иметь гидрофильную группу (обычно это кислородосодержащая функциональная группа, хотя в природе встречаются и азот-, фосфор- и серосодержащие функциональные группы), а также и гидрофобную часть (обычно углеводородная цепь). Во-вторых, баланс между гидрофобной и гидрофильной группой, а также степень ионизации молекулы в воде должны быть такими, чтобы органическое вещество было нерастворимо в воде и, следовательно, имело достаточное время жизни на поверхности раздела фаз. Конфигурация молекулы, определяемая ее химической структурой, влияет на физические свойства пленок, т. е. на характеристики текучести и газопроницаемости. Относительная доля нейтральных, кислотной и основной фракции в атмосферном аэрозоле довольно постоянна для морских, континентальных и промышленных аэрозолей. Кислотная фракция содержит некоторое количество предельных кислот, которые могут влиять на процессы испарения или конденсации. Количество их колеблется в пределах 14-36% от общего органического вещества, зарегистрированного эфиром из собранных образцов. Соединения, идентифицированные в других фракциях, были либо неполярны, либо относительно велики, как, например, ароматические соединения, которые не способны к образованию стабильных, плотных пленок на поверхности воды. Поэтому природные органические вещества в той концентрации, в которой они присутствуют в незагрязненной атмосфере, по-видимому, не должны в заметной степени влиять на процессы нуклеации, конденсационного роста, испарения капель в облаках, туманах и осадков. Концентрация антропогенных органических соединений, так же как и возможности для формирования вторичных аэрозолей в загрязненной атмосфере, достаточно велики, и, следовательно, такую атмосферу можно рассматривать как систему, влияющую на протекание ряда физических климатообразующих процессов в нижних слоях атмосферы. 2. КЛИМАТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ АЭРОЗОЛЯ Анализ современного состояния теории климата, а также результатов работ, посвященных оценке роли аэрозольно-радиационых эффектов. Вместе с тем создание теории формирования глобального аэрозоля все еще остается делом будущего, что и определяет сложность задачи параметризации воздействия аэрозоля на климат. Разработка методик параметризации эффектов аэрозоля возможна лишь на основе получения значительно более полной информации о поле концентрации, микрофизических и оптических свойствах глобального аэрозоля.
Большая часть информации о климатических эффектах аэрозоля, которой мы располагаем в настоящее время, получена с помощью математических моделей различной степени сложности. Первые замкнутые термодинамические модели глобального климата появились, как известно, в 60-е годы в работах К.Я. Кондратьева и ряда зарубежных ученых. За ними последовали одномерные радиационно-конвективные модели, а затем трехмерные модели общей циркуляции атмосферы, описывающих временной ход параметров атмосферы. Интерес к радиационным и климатическим эффектам атмосферного аэрозоля наиболее сильно проявился в начале 70-х годов, и поэтому закономерным было использование только что созданных моделей для их исследования. В настоящей главе подводятся основные итоги этих исследований, а также исследований в области диагностики климата, которые относятся к проблеме аэрозоля. Эти вопросы нашли освещение в ряде недавних обзоров. Современные модели, по-видимому, позволяют оценить климатические эффекты глобальных возмущений радиационного режима с точностью примерно до множителя 2.
2.1. АЭРОЗОЛЬ КАК ЭЛЕМЕНТ КЛИМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ Аэрозоль как элемент климатической системы играет по крайней мере двоякую роль, во-первых, непосредственно воздействуя на условия переноса радиации в атмосфере, а, во-вторых, изменяя протяженность, микроструктуру и радиационные свойства облачности. Поглощая солнечную и тепловые радиацию, аэрозоль обуславливает нагревание тех областей атмосферы, где он локализован. Изменяя радиационный баланс на уровне верхней границы атмосферы, аэрозоль воздействует на тепловой баланс климатической системы в целом. Эти радиационные возмущения могут приводить к вариациям температуры атмосферы и земной поверхности, а вслед за тем к изменениям других параметров климата. Моделирование оптического состояния атмосферы как рассеивающей среды сводится к моделированию свойств (непосредственно оптических, либо химических и микрофизических) ее диспергированного компонента. В связи с бурным развитием экспериментальных исследований и теоретических концепций в области изучения атмосферного аэрозоля в последние годы радикально изменились представления об атмосферном аэрозоле, его происхождении, химическом и дисперсном составе, механизмах трансформации и распределения в атмосфере [1,2,5,6]. Многообразие погодных условий и процессов генерации частиц приводит к тому, что аэрозоль подвержен значительным постранственно-временным вариациям. Понимание этого факта привело к выводу о необходимости моделирования аэрозоля не как набора инертных минеральных частиц с неизменными свойствами, а как существенно нестационарной совокупности, возникающей в результате несогласованных изменений нескольких фракций, формирующихся в ходе независимых процессов и вносящих различный вклад в оптику атмосферы [1,2]. При моделировании климатических эффектов тропосферного аэрозоля используются модели всех существующих на сегодня типов: энергобалансовые, радиационно-конвективные и модели общей циркуляции атмосферы. В обычных условиях большая часть атмосферного аэрозоля находится в тропосфере, а его оптическая толщина составляет в среднем 0.125. Данные наблюдений в средних широтах и в арктических районах показали, что заметный вклад в общее содержание аэрозоля вносит антропогенный источник. Чисто рассеивающий аэрозоль увеличивает альбедо атмосферы, уменьшая таким образом долю радиации, достигающей земной поверхности. При наличии аэрозольного поглощения радиации имеет место прямая «подкачка» энергии в атмосферу. Таким образом возникает «антипарниковый» эффект, когда атмосфера избыточно нагревается, а поверхность охлаждается. Однако поскольку поглощающий аэрозоль является инфракрасным излучателем, одновременно должно иметь место и обратное воздействие - усиление парникового эффекта атмосферы. Общий эффект присутствия поглощающего и рассеивающего радиацию аэрозоля в атмосфере зависит от соотношения между коэффициентами поглощения в коротковолновом и инфракрасном диапазонах, а также от альбедо подстилающей поверхности, высоты солнца и условий облачности. Согласно модельным результатам, вклад фонового тропосферного аэрозоля естественного происхождения в снижение средней глобальной температуры поверхности составляет 1 - 3 К. Антропогенный аэрозоль отличается более интенсивным поглощением радиации, и дальнейшее увеличение его содержания должно привести к уменьшению альбедо безоблачных районов планеты, а значит - к повышению температуры. Рост антропогенных аэрозольных загрязнений происходит в глобальном масштабе достаточно медленно и постепенно, так что его эффекты, по-видимому, маскируются климатическими шумами, связанными с действием в тропосфере радиационных вынуждающих сил иного рода. Следует отметить, что результаты моделирования лобальных климатических эффектов тропосферного аэрозоля до настоящего времени остаются невалидированными по данным прямых наблюдений. Такая валидация осложняется тем, что мы не располагаем замкнутым набором данных, описывающих связь современного климата с фоновым аэрозолем. Результаты моделирования климатических эффектов стратосферного аэрозоля (в основном сульфатов вулканического происхождения) также свидетельствует о том, что эти эффекты значительны. Уж первые попытки такого моделирования оказались достаточно успешными в том смысле, что они, по крайней мере частично, были подтверждены данными наблюдений. В отличие от ситуации, имеющей место в тропосфере, изменения концентрации стратосферного аэрозоля отличаются резкостью, значительностью и глобальными масштабами. И модельные расчеты, и данные наблюдений указывают, что крупнейшие вулканические извержения, имевшие место в нынешнем столетии, приводили к временному падению средней глобальной температуры поверхности в пределах нескольких десятых градусов Кельвина [2]. Кроме того, данные расчетов и наблюдений подтвердили, что такие изменения температуры имеют место и в стратосфере, причем они происходят быстрее, имеют большую амплитуду и противоположный знак по сравнению с тропосферной реакцией. Определенный, хотя и скромный, успех подобных модельных расчетов вселил некоторую уверенность в том, что модели климата можно использовать и для оценки климатических эффектов диоксида углерода и других малых газовых составляющих. Исторические и палеоклиматические со всей определенностью указывают на то, что вулканический аэрозоль действительно влияет на климат. Результаты моделирования специфических климатических эффектов таких типов атмосферного аэрозоля, как дым, вызванные возможным ядерным конфликтом, пыль от падения крупных метеоритов, выбросы сверхзвуковой авиации и транспортных космических кораблей, носят достаточно неопределенный характер. Дополнительная сложность заключается в том, что исследования климатических эффектов стратосферного и тропосферного аэрозоля, как правило, опираются на постулированные данные о физических свойствах и общем содержании аэрозоля, близкие к результатам наблюдений, тогда как при моделировании климатических последствий ядерной войны приходится, по необходимости описывать в рвмках модели механизмы формирования, коагуляции, отложения и вымывания вещества, попавшего в атмосферу. К сожалению, современный уровень понимания процессов преврвщений и переноса даже обычного фонового тропосферного аэрозоля далеко не достаточен.
В связи с изложенными обстоятельствами результаты моделирования эффектов мощных аэрозольных выбросов не только страдают недостатками, характерными для климатических исследований, но и отягощены неопределенностями, связанными с приблизительностью описания физических превращений аэрозольного вещества в атмосфере.
Вероятно, наиболее сильное радиационное воздействие аэрозолей на климат связано с той ролью, которую они играют в формировании облачности. Взаимодействуя с облачностью, аэрозольные частицы, во-первых, служат ядрами конденсации, способствуя возникновению большого числа мелких капель, а, во-вторых, находясь в каплях и между ними, изменяют радиационные свойства облаков. Изменяя вертикальный профиль температуры, аэрозоль может влиять на такие условия формирования облачности, как потоки влаги, приходящие на уровень конденсации, высота этого уровня и т. д. Те частицы, которые могут играть роль ядер конденсации в облачности, являются продуктами атмосферных фотохимических процессов и, в меньшей степени, - испарения морских брызг. Они чрезвычайно сильно влияют на основные физические характеристики водных облаков, которые в свою очередь в значительной мере определяют радиационный баланс планеты. Небольшие изменения количества облачных ядер конденсации не должны приводить к радикальным изменениям климата. Вместе с тем полное их исчезновение, безусловно, привело бы к таким изменениям: облачность в этом случае могла бы формироваться лишь за счет конденсации водяного пара из нерастворимых частиц аэрозоля ( т. е. при относительной влажности примерно 130% ) или на ионах ( при относительной влажности 300-400% ). 2.2. МОДЕЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ АТМОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ Первым этапом учета воздействия аэрозоля на климат является построение моделей свойств аэрозоля. Разработке моделей атмосферного аэрозоля в последние годы уделялось много внимания в работах К. Я. Кондратьева и ряда зарубежных ученых. Большинство предлагаемых моделей могут быть разбиты на следующие типы: а) тропосферные, стратосферные и верхней атмосферы, б) различной размерности, в) синтетические. Авторы простейших моделей глобального (как правило стратосферного) аэрозоля обычно доводят моделирование до определения оптических характеристик, рассчитываемых в приближении сферичности и однородности частиц по формулам Ми. Лишь в небольшом числе работ сделаны попытки учесть эффекты несферичности и неоднородности частиц. Количественная оценка возможных изменений свойств модельного аэрозоля в результате этих эффектов, а также учет соответствующих характеристик в моделях глобального аэрозоля остаются делом будущего. Большая часть выполненных до настоящего времени исследований возможных климатических эффектов аэрозоля относилась, за исключением проблемы городских и промышленных загрязнений, к глобальному масштабу. Однако такой подход адекватен лишь для некоторых типов аэрозоля. Аэрозоли генерируются в некоторых районах и переносятся, а также преобразуются в атмосфере за счет гидродинамических и физико-химических процессов. за счет воздействия местных источников и стоков аэрозоля воздушная масса обедняется одними типами аэрозоля и обогащается другими. Естественно ожидать, что характер циркуляции атмосферы существенно влияет не только на химический состав и плотность аэрозоля в воздушном потоке, но и на его вертикальную структуру, особенно в условиях смешанных воздушных масс. В отдельных случаях поле концентрации аэрозоля обладает трехмерно неоднородной структурой, связанной с характером вертикальных турбулентных движений и особенностями конденсационных процессов в атмосфере. Иначе говоря, атмосферные аэрозоли существенно гетерогенны. В любой точке пространства - времени атмосферная смесь аэрозолей зависит от расстояния до районов генерации и предшествовавших погодных условий, которые сопровождали аэрозоль в пути. Ясно поэтому, что необходимо знание гораздо большего числа статистических характеристик аэрозоля, нежели просто глобальное отношение смеси и годовой ход, для того чтобы пытаться моделировать его воздействие на климат. Уже в первых работах по моделированию климатических эффектов глобального аэрозоля таких ученых как К. Я. Кондратьев, В. И. Биненко, О. П. Петренчук было продемонстрировано, что в зависимости от соотношения между аэрозольным поглощением и рассеянием и от альбедо поверхности количество радиационной энергии, получаемой планетой, может как увеличиваться, так и уменьшаться. Радиационные эффекты аэрозоля определяются в основном альбедо однократного рассеяния (w0), асимметрией индикатрисы рассеяния (g), средним размером частиц rm, оптической толщиной в видимой области спектра tа, альбедо подстилающей поверхности Аs и атмосферы Аа. Применительно к условиям стратосферы этот список параметров может быть значительно сокращен с учетом глобального характера распределения стратосферного аэрозоля. В ранних исследованиях климатических эффектов аэрозоля были выделены следующие основные механизмы его воздействия на радиационное поле в системе Земля-атмосфера. 1. Рассеяние солнечной радиации в заднюю полусферу на частицах аэрозоля, за счет чего возрастает планетарное альбедо и понижается температура поверхности. Если слой аэрозоля располагается над поверхностью с высокими отражательными свойствами, то может проявляться эффект задержки уходящего излучения и, таким образом, общее альбедо будет снижаться. Планетарное альбедо может также слегка уменьшаться или увеличиваться из-за того, что в ходе рассеяния на аэрозолях несколько изменяется угол падения солнечных лучей и в результате изменяется длина их оптического пути в атмосфере. 2. Поглощение солнечной радиации некоторыми типами аэрозольных частиц может быть достаточно сильным и компенсировать выхолаживание, обусловленное обратным рассеянием. Степень проявления обоих эффектов зависит от наличия и свойств облачности. Рис.1 3. Поглощение и переизлучение аэрозолем теплового излучения земной поверхности приводит к усилению парникового эффекта и нагреванию планеты. Согласно теории Ми, при типичном распределении частиц по размерам оптические толщины атмосферного аэрозоля в инфракрасной области спектра меньше соответствующих значений в коротковолновом диапазоне примерно на порядок величины. Поэтому можно считать, что в большинстве случаев доминирующую роль играют эффекты, связанные с солнечной радиацией. Климатические эффекты, связанные с рассеянием теплового излучения земной поверхности на частицах аэрозоля, вероятно, малы. На (рис. 1) представлены результаты расчетов коротковолнового радиационного эффекта аэрозоля, Рассчитанного с помощью простой двухслойной модели «поверхность-аэрозоль». Аэрозоль может вызывать как нагревание, так и охлаждение системы, и при малой оптической толщине зависимость эффекта от ее значения носит почти линейный характер. Согласно ( рис.1) общий эффект аэрозоля в коротковолновой области может быть охарактеризован с помощью значений его оптической толщины tа, альбедо однократного рассеяния w0 ( т. е. доли радиации, рассеянной, а не поглощенной в каждом акте), доли радиации, рассеянной в заднюю полусферу w0b, и альбедо поверхности Аs. Здесь b есть момент аэрозольной индикатрисы рассеяния p (m, m‘) (m - косинус угла падения солнечного излучения на частицу). Климатически и радиационно значимые изменения химического состава, содержания атмосферного аэрозоля и др. проявляются в соответствующих изменениях значений tа, b и w0. Для описания взаимодействия аэрозоля с другими составляющими атмосферы, расчета его эффекта в инфракрасном диапазоне и получения в конце концов распределения температуры необходима более сложная модель, чем та, которая представлена на (рис. 1). Такая модель может быть построена в рамках радиационно-конвективного подхода.
2.3. РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ АЭРОЗОЛЕЙ На важность вклада аэрозольно-радиационных эффектов в энергетику тропосферы указали результаты целого ряда комплексных натурных экспериментов последних 10-15 лет, которые были предприняты на национальной и международной основе. В ходе их осуществления на одно из центральных мест выдвинулась задача изучения влияния аэрозоля ( особенно аэрозольного поглощения ) на перераспределение радиационной энергии в системе атмосфера-подстилающая поверхность. Так, одним из результатов Комплексного энергитического эксперимента явилось доказательство аэрозольной природы «остаточного» поглощения коротковолновой радиации в атмосфере и получение прямых оценок этого поглощения, о чем свидетельствуют ряд трудов К. Я. Кондратьева.
В ходе проведения Атлантического тропического эксперимента ПИГАП оказалось, что смещение максимума радиационного нагревания в среднюю тропосферу в присутствии большого количества поглощающего радиацию пылевого аэрозоля, выносимого из Сахары, создает условия, которые способствуют длительному существованию подобных выносов, и превращают их в фактор, оказывающий влияние на радиационный режим всей северной части тропической Атлантики от африканского до американского побережья. Подобные крупномасштабные и систематические пылевые эпизоды в тропосфере могут быть связаны и с рядом других районов земного шара: пустынями Ближнего и Среднего Востока, Центральной Азии, Индостана, Америки, Австралии, а также с промышленными районами Европы и Северной Америки ( антропогенные загрязнения ). Вместе с тем общий радиационный эффект пылевого слоя остается во многом неопределенным. Ряд исследователей указывает на то, что на средних уровнях в тропосфере нагревание солнечным излучением, вероятно, может значительно превышать длинноволновое выхолаживание; другие полагают, что длинноволновое выхолаживание может компенсировать коротковолновое нагревание, если рассматривать весь 24-часовой период. Тропосферный аэрозоль, безусловно, оказывает заметное воздействие на локальный климат, особенно в таких экстремальных условиях , как пылевые бури и промышленные загрязнения. В связи с этим встает вопрос о влиянии тропосферного аэрозоля на климат планеты в целом. Описание физико-химических характеристик тропосферного аэрозоля сложно в силу его большой пространственно-временной изменчивости и наличия многих локальных источников. Удовлетворительные попытки такого описания предприняты лишь в самое последнее время К. Я. Кондратьевым, М. А. Прокофьевым, Н. И. Москаленко, М. В. Танташевым, В. Ф. Терзи, С. Я. Скворцовой и др. Оценка эффектов взаимодействия тропосферного аэрозоля с солнечным излучением - сложная проблема теории радиационного переноса, при решении которой необходимо принимать во внимание явления, связанные с многократным рассеянием, тонкие особенности микрофизической структуры и взаимодействие процессов молекулярного и аэрозольного рассеяния. При численном моделировании общей циркуляции атмосферы наличие в тропосфере фонового природного аэрозоля обычно не учитывается. Вместе с тем расчеты показывают, что аэрозоль обусловливает уменьшение коротковолнового баланса на уровне подстилающей поверхности на 5.0 Вт/м2, а на уровне верхней границы атмосферы - на 3.5 Вт/м2, т. е. вызывает примерно такие же по величине ( но противоположные по знаку ) радиационные возмущения, что и удвоение концентрации СО2. Потенциальные климатические эффекты тропосферного аэрозоля отличаются рядом особенностей. Во-первых, тропосферные аэрозоли сосредоточены главным образом у поверхности и излучают в ИК диапазоне при температуре лишь немногим меньше температуры подстилающей поверхности. Поэтому можно ожидать, что их взаимодействие с ИК радиацией менее важно, чем для стратосферного аэрозоля, хотя этот вопрос и требует еще дополнительного исследования. Во-вторых, из-за короткого времени жизни в тропосфере ( порядка 1 недели) наблюдаются большие пространственные вариации поля концентрации, а также резкая изменчивость состава тропосферных аэрозолей. Таким образом, хотя и важно оценить их глобальное воздействие, региональные эффекты тропосферных аэрозолей могут быть более существенными. Ряд исследований, посвященных оценке изменений осредненной температуры земной поверхности за счет тропосферного аэрозоля, выявил ее существенную зависимость ( вплоть до знака эффекта) от rm и tа, которые могут варьировать в широких пределах. Исследования глобального климатического эффекта тропосферных аэрозолей в значительной степени сводятся к проведению модельных экспериментов, поскольку глобальный фоновый аэрозоль отличается высокой степенью устойчивости. В последнее время уже предпринят ряд работ по оценке влияния тропосферного аэрозоля на циркуляцию атмосферы и климат с использованием энергобалансовых и радиационно-конвективных моделей, в которых глобальный аэрозоль моделируется тем или иным образом. История исследований радиационных эффектов тропосферного аэрозоля в моделях общей циркуляции атмосферы насчитывает всего несколько лет. Несмотря на отмеченные выше проблемы, эти эксперименты уже дали статистически значимые результаты, свидетельствующие о важности аэрозольных эффектов. Важным моментом, в частности, является то, что, согласно оценкам, реакция климата на аэрозоль лишь слабо зависит от специфики вертикального распределения аэрозоля ( это справедливо, однако, лишь в том случае, когда влияние аэрозоля на перенос длинноволновой радиации несущественно). Сопоставление оценок воздействия на климат аэрозоля и эквивалентных изменений солнечной постоянной привело к выводу, что главную роль играют не природа первоначального возмущения, а обусловленные обратными связями последующие изменения климата. Поскольку тропосферный аэрозоль отличается малым временем жизни, а климатическая система к тому же медленно реагирует на многие радиационные возмущения, даже крупномасштабный выброс тропосферных аэрозолей ( как, например, при извержении вулкана Сен-Хеленс) может иметь пренебрежимо малый глобальный климатический эффект. Первые работы по исследованию эффекта фонового тропосферного аэрозоля на климат с помощью радиационно-конвективных моделей были затруднены неопределенностями в оптических свойствах аэрозоля. В результате тщательного исследования была построена первая рабочая модель глобального осреднения оптических характеристик тропосферного аэрозоля, пригодная для моделирования климата. Эти авторы определили глобальную среднюю оптическую толщину атмосферного аэрозоля на уровне 0,125. Важным моментом было также то, что они продемонстрировали: фоновый тропосферный аэрозоль в значительной степени состоит из сульфата аммония, частиц базальтов и высохших морских брызг. Его альбедо однократного рассеяния w0 превышает 0.9. Несколько зарубежных ученых использовали эту модель для рсчетов с помощью радиационно-конвективной модели климата. Введение фонового аэрозоля приводит к понижению температуры поверхности 1.3 К ( рис. 2), причем при малых значениях tа зависимость от нее температуры носит почти линейный характер. При данном значении tа и распределении аэрозоля по высоте, соответствующем современному, изменение альбедо однократного рассеяния w0 также приводит к линейным изменениям температуры поверхности.
DTs K 2 1 0
-1 -2 -3 0 0.10 0.20 0.30ta Рис. 2.Изменение температуры поверхности с ростом оптической толщины аэрозоля tа. Имеется критическое значение альбедо однократного рассеяния w0 = 0.8, за которым общий аэрозольный эффект меняет знак и выхолаживание сменяется нагреванием. Таким образом, следует ожидать, что антропогенный аэрозоль, в составе которого присутствует заметное количество сажи, должен вызывать нагревание системы. Если бы были точно известны значения w0 и tа для антропогенного аэрозоля, то его воздействие на глобальную температуру можно было бы оценить по данным (рис.2). Что же касается оценок фонового аэрозоля, то его климатический эффект приближается к тому, который должен был бы давать не поглощающий радиацию аэрозоль ( w0 =1.0). Эффекты этого аэрозоля в инфракрасной области слабее, чем в солнечной. Они также связаны с tа практически линейной зависимостью. С ростом высоты, на которой располагается слой аэрозоля, нагревание ИК излучением, идущим от земной поверхности, становится все более заметным. Этот эффект проявляется при всех вариантах состава аэрозоля. Чем выше в атмосфере расположен аэрозоль, тем он холоднее и тем меньше энергии излучает в космическое пространство и в направлении поверхности. Таким образом, для поддержания радиационного равновесия всей системы поверхность должна иметь все более высокую температуру. Существует также сложная связь аэрозоля с другими компонентами атмосферы, радиационно-активными в коротковолновой области спектра. С изменением высоты, на которой располагается аэрозоль, изменяется и его положение относительно этих поглощающих (т. е. снижающих альбедо) и рассеивающих (повышающих альбедо) компонентов. В одной из работ зарубежных ученых использована глобально осредненная модель климата. Климатические (радиационные) эффекты этого аэрозоля исследовались, кроме того, с помощью модели для средних широт, включающей зависимость от времени, и глобальной модели. В обоих случаях введение фонового тропосферного аэрозоля привело к понижению температуры. Аэрозоль слабо повлиял на сезонный ход температуры (рис.3). При введении альбедной обратной связи в среднеширотную модель с годовым осреднением падение температуры поверхности, обусловленное фоновым аэрозолем, составило уже не 1.8, а 3.2 К. Т К 290 285 280 275 270 I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Рис.3. Рассчитанные ежемесячные значения температуры в поясе 40- 500 с. ш. в случае отсутствия аэрозоля (1) и при t = 0.125 (2). Расчеты, выполненные с помощью зонально осредненной двумерной модели в координатах широта-высота, показали, что влияние аэрозоля на температуру поверхности слабо зависит от широты, если не учитывать альбедной обратной связи. Учет этой связи увеличил чувствительность модели к введению аэрозоля примерно на 50% (рассматриваются полусферные средние значения); в полярных районах увеличение чувствительности было выражено еще сильнее. Существенная широтная зависимость реакции температуры на введение аэозольно-радиационного возмущения была обнаружена при проведении экспериментов с моделью Будыко-Селлерса. Хотя в моделях этого типа используется весьма упрощенное описание радиационных процессов, они зачастую дают климатические реакции на радиационное воздействие, которые к соответствующим реакциям модели ОЦА даже ближе, чем реакции радиационно-конвективных моделей. Вместе с тем одна из сложностей «настройки» моделей Будыко-Селлерса как раз и обусловлена тем обстоятельством, что параметризация радиационных процессов в них по необходимости является чрезвычайно упрощенной. Приемлемая параметризация процессов переноса радиации с учетом вклада была предложена рядом зарубежных ученых, которые использовали при этом формализм двухпотокового приближения и метод дельта-Эддингтона. Глобальный аэрозоль в среднем охлаждает планету на 3 К, что примерно вдвое превышает значения, получаемые с помощью радиационно-конвективных моделей. При этом высокие широты отличаются большей величиной эффекта. Различие рассматриваемых моделей сводится в основном к тому, что в радиационно-конвективных моделях не учитываются альбедные и динамические обратные связи. Реакция модели на удвоение концентрации СО2 весьма близка к соответствующей реакции моделей ОЦА. Пренебрежение альбедной обратной связью и переносом скрытого тепла (речь идет о меридиональном переносе тепла конденсации) приводит к уменьшению глобального среднего потепления за счет удвоения СО2 примерно на 50%. Если соответствующим образом, т. е. на 50% уменьшить выхолаживание в модели, из которой исключены альбедная и динамическая (скрытое тепло) обратные связи, составит около 2 К. Это значение приближается к тому, что дают радиационно-конвективные модели [12]. Так, в работе, в которой использована радиационно-конвективная модель, получено выхолаживание в 1.9 К (термические ИК эффекты не рассматривались ввиду малости оптических толщин аэрозоля в ИК области). Авторы этой работы предполагали, что высота однородной атмосферы для аэрозоля мала (1 км), что также согласуется с незначительным эффектом в ИК области. 2.4. Локальные эффекты городского троПОСФЕРНОГО аэрозоля В целом ряде исследований получены свидетельства высоких значений оптических толщин аэрозоля городского и промышленного происхождения. Влияние города на климат в локальных масштабах может быть весьма заметно. Оно проявляется в таких эффектах, как увеличение количества осадков, интенсивности грозовой деятельности и порывистости ветра с подветренной от города стороны. Отмечается также непосредственное влияние городских загрязнений на микрофизические характеристики облачности (уширение распределения капель по размерам и рост содержания жидкой воды). В настоящее время трудно связать эти эффекты с каким-то единственным фатором.Так, в ряде работ отмечалось, что изменения характеристик осадков в городе могут быть обусловлены изменением числа ядер конденсации, режима турбулентности (шероховатости поверхности) и развитием термической конвекции над перегретой поверхностью. Радиационные свойства городского аэрозоля и других загрязняющих веществ проявляются при формировании городского острова тепла, хотя в основном он связан с прямыми выбросами тепла в атмосферу над городом. При сильном загрязнении пограничного слоя атмосферы скорость его радиационного нагревания солнечным излучением может достигать 4 К/ч. ИК выхолаживание в этом случае составляет всего 0.25 К/ч. Дополнительное ослабление солнечной радиации в городе достигает 30 К/ч. Возрастает также ИК противоизлучение атмосферы. Расчеты показывают, что последний эффект в основном обусловлен повышением температуры воздуха в пределах пограничного слоя атмосферы благодаря формированию городского острова тепла, а не увеличением мутности атмосферы в ИК области спектра. Радиационные эффекты городского аэрозоля должны приводить к существенным изменениям в горизонтальном распределении поля ветра.
2.5. Влияние аэрозоля на облачность Вероятно, наиболее значительное климатическое воздействие аэро-золей связано с той ролью, которую они играют в качестве ядер конден-сации. Оптическая толщина облака t определяется в основном содержа-нием в нем жидкой воды и распределением облачных капель по разме-рам; при уменьшении размера капель и неизменном содержании жидкой воды значение t увеличивается. В свою очередь распределение частиц по размерам сильно зависит от скорости восходящих движений в облаке и содержания облачных капель конденсации. Известно, например, что в морском воздухе, как правило, содержится на порядок меньше облачных ядер конденсации, чем в континентальном. Отсюда следует, что при дан-ном содержании жидкой воды облака над континентом должны иметь более высокие значения t и альбедо.
Следует ожидать, чо возрастание числа ядер конденсации приведет к увеличению оптической толщины и отражательной способности облаков. Однако с увеличением числа капель уменьшается их средний размер. Поскольку поглощение облачными каплями в видимой области спектра определяется, по-видимому, поглощательными характеристиками ядер кон-денсации, то сечение поглоения в расчете на единицу объема частиц остается, вероятно, неизменным, в то время как сечение рассеяния и аль-бедо однократного рассеяния уменьшаются. Исследования сложных меха-низмов взаимодействия тропосферного аэрозоля с облачностью с учетом упомянутых взаимосвязей пока не привели к однозначным выводам отно-сительно результирующего эффекта. Расчеты с помощью радиационно-конвективной модели показали, что при глобальном удвоении числа ядер конденсации в облачности нижнего яруса температура поверхности должна понизиться на 0.9 К. Аналогичные результаты были получены для ограниченных регионов при проведении численных экспериментов ОЦА. В зависимости от того, какой эффект преобладает - рост числа ка-пель, образовавшихся на дополнительных ядрах конденсации, или допол-нительное поглощение солнечной радиации на самих аэрозолях, содер-жащихся в облаке,- альбедо облака может или увеличиваться, или умень-шаться. Вклад прямого поглощения солнечной радиации на частицах аэро-золя в облаке может быть весьма велик. Согласно данным спутниковых наблюдений за облачностью, дальнейший рост содержани глобального аэрозоля при его современном составе должен, повидимому, привести к увеличению альбедо облачности. Существует мнение о том, что антропо-генные аэрозоли отличаются настолько сильным поглощением, что их присутсвие должно неизбежно понижать альбедо облачности. Действительно, результаты прямых измерений показали, что альбедо об-лачности с подветренной стороны от промышленного города понижается. Как справедливо отмечают многие из специалистов, занимающихся этим вопросом, необходимы новые данные комплексных натурных эксперимен-тов в этой области. Однако если хотя бы редкая глобальная сеть для слежения за оптическими свойствами атмосферного аэрозоля на сегодня существует, то никаких систематических наблюдений за ядрами конденса-ции и характеристиками облачных частиц не ведется. Изменчивость облачных ядер конденсации может также проявляться в нарушении устойчивости облаков как коллоидных образований и соот-ветствующих изменениях климата. Способность облака к формированию осадков по механизму столкновений и слияния облачных частиц зависит от статистических параметров распределения капель по размерам. В свою очередь на это распределение влияют и микромасштабная турбулент-ность, и макромасштабные восходящие потоки, и содержание и свойства ядер конденсации. Все эти характеристики в настоящее время понятны нам не до конца. Важную роль в изменчивости климата играют и ядра кристаллиза-ции. Как и в случае с ядрами конденсации в жидкокапельной облачности, данных непосредственных измерений здесь совершенно недостаточно. Возможно, что значительная часть ядер кристаллизации, при-сутствующих в атмосфере, имеет биогенное происхождение. Расчеты показывают, что при работе двигателей челночных космических кораблей в атмосферу может попадать большое количество оксида алюминия, так что средняя концентрация ледяных ядер конденсации в верхней атмосфере может возрасти вдвое. Согласно имеющимся данным, в некоторых районах Севе-роамериканского континента уже возросло количество перистых облаков, формирующихся в ходе растекания инверсионных следов реактивных самолетов. Отметим, что при любом изменении температуры вблизи земли, т. е. Как при ее понижении (Т2Т1), образуется достаточно мощная облачность, нередко распространяющаяся на всю тропосферу. При понижении температуры, помимо облачности, образуется еще и туман, нередко сливающийся с облачностью. Объясняется это тем, что под влиянием восходящих движений (v>0) и устойчивой стратификации (при расчете g0 полагали равным 0.60С/100м) температура воздуха ан всех высотах со временем понижается, а удельное влагосодержание растет (ds/dt = - v (ds/dz); так как ds/dz 0, то ds/ dt > 0). Турбулентный обмен также способствует накоплению водяного пара в тропосфере: поступивший в процессе испарения с земной поверхности пар в стратосферу не уходит, поскольку на тропопаузе поставлено условие dq/dz = 0. Анализ многочисленных опытных данных показал, что водность в облаке зависит прежде всего от температуры. Установлена следующая зависимость средней удельной водности облака от температуры: d0 = 0.201(Т/р)exp[17.86(1 - 258/T)], где: d0- в г/кг, p – в гектопаскалях, Т – в кельвинах. Если d - удельная водность облака, определенная для момента времени t , то просуммированная от нижней до верхней границы облака разность r(d- d0) будет представляять собой количество осадков, которые выпадут из облака за время t. 2.6. РАСЧЕТ ЗАВИСИМОСТЕЙ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОТ МАССОВОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ АНТРОПОГЕННОГО АЭРОЗОЛЯ. В последнее время выполнен ряд работ по оценке влияния антропогенных аэрозолей. Для этого использовались энергобаллансовые и радиационно- конвек-тивные модели. В них рассматривались оптические свойства антропогенных аэрозолей и зависимость параметров атмосферы от оптической толщины слоя аэрозоля. Одним из результатов исследования явилось получение зависимости температуры поверхности Т от оптической толщины аэрозоля t . Т 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 0.5 0.10 sbs км-1* ср-1 Рис.3 Зависимость Т от sbs . Оптические свойства аэрозоля зависят от размеров частиц аэрозоля и их массовой концентрации. Связь между массовой концентрацией M и коефициентом рассеяния s имеет следующий вид

М=ms, (2) где: ~ m - показатель преломления вещества частиц;
n(c) - функция распределения частиц по размерам; l - длина волны. c=2pr/l -характеристика поглощения (3); k(m, c) - фактор эффективности рассеяния на частице радиуса r; ra - плотность аэрозольного вещества. Приближенно h»k,(mc)/c. (4) ; Приближение допустимо в случае, когда фактор эффективности рассеяния на частице соответствует максимуму своего значения. Реальный антропогенный аэрозоль плохо описывается теоретическими функциями распределения. Экспериментально, при помощи лазерного зондирования атмосферы был проведен ряд измерений и описан в трудах Кауля, Самохвалова и др [8]. В результате измерений наблюдалась зависимость сигнала обратного рассеяния и массовой концентрацией антропогенного аэрозоля. Анализ экспериментальных данных показал, что они хорошо описываются формулой (1) при m=0,52 + 0,34 ; Были произведены расчеты и построен график зависимости s от М. при перем. М ( r » const )/ (смотри плакат № 3.) Для рассчетов использовалась программа Microsoft Excel. Оптическая толщина атмосферы расчитывается по формуле

t=aò¥srds.
Зная изменение оптической толщины антропогенного аэрозоля можно оценить влияние аэрозоля на изменение температуры у поверхности земли. Отметим, что при любом изменении температуры вблизи земли, т. е. Как при ее понижении (Т2Т1), образуется достаточно мощная облачность, нередко распространяющаяся на всю тропосферу. При понижении температуры, помимо облачности, образуется еще и туман, нередко сливающийся с облачностью. Объясняется это тем, что под влиянием восходящих движений (v>0) и устойчивой стратификации (при расчете g0 полагали равным 0.60С/100м) температура воздуха ан всех высотах со временем понижается, а удельное влагосодержание растет (ds/dt = - v (ds/dz); так как ds/dz 0, то ds/ dt > 0). Турбулентный обмен также способствует накоплению водяного пара в тропосфере: поступивший в процессе испарения с земной поверхности пар в стратосферу не уходит, поскольку на тропопаузе поставлено условие dq/dz = 0. Анализ многочисленных опытных данных показал, что водность в облаке зависит прежде всего от температуры. Экспериментально установлена следующая зависимость средней удельной водности облака от температуры: d0 = 0.201(Т/р)exp[17.86(1 - 258/T)], где: d0 - средняя удельная водность облака в г/кг; p – атмосферное давление в гектопаскалях; Т – температура в кельвинах. Если d - удельная водность облака, определенная для момента времени t , то просуммированная от нижней до верхней границы облака разность r(d- d0) будет представляять собой количество осадков, которые выпадут из облака за время t. Результаты расчетов представлены на графике (рис. ). Cледующим направлением работы будет являться изучение влияния антропогенного аэрозоля на микрофизические характеристики атмосферы, в частности, на туманы и облака. ЗАКЛЮЧЕНИЕ В настоящее время концентрация антропогенного аэрозоля в атмосфере возрастает, что связано с увеличением промышленных выбросов в результате активной хозяйственной деятельности человека. Это обстоятельство делает необходимым учет влияния аэрозоля на климат. Результаты математического моделирования свидетельствуют о его ощутимой чувствительности к аэрозольно-радиационным эффектам. Антропогенные аэрозоли в целом отличаются более сильным поглощением радиации, чем естественные. Однако в настоящее время было бы преждевременно делать вывод о том, что дальнейшее увеличение кон-центрации антропогенного аэрозоля должно привести к потеплению, поскольку частицы антропогенного аэрозоля также играют роль ядер конденсации, а рост концентрации последних должен вести к понижению температуры поверхности. Вместе с тем никакой глобальной сети для мониторинга облачных ядер конденсации не существует, и все рассуждения по этому вопросу носят умозрительный характер. Расчеты и результаты экспериментов подтвердили предположение о зависимости физических параметров атмосферы от оптических характеристик аэрозоля. В частности изменение температуры поверхности и связанное с ним изменение средней удельной водности в облаке с ростом оптической толщины аэрозоля. Аэрозоли также влияют на микрофизику осадков и химию атмосферы. В последнее время появилось много публикаций, посвященных обсуждению сценариев двух возможных климатических катастроф, основную роль в которых играет аэрозоль. Было отмечено, что обширные пожары, вызванные массовыми ядерными взрывами в ходе глобального конфликта, могут вызвать появление на значительной части земного шара настолько плотной пелены дыма, что в результате изменится климат. Наше понимание климатических эффектов ядерного конфликта еще в течение некоторого времени будет ограничено неопределенностями, связанными с формированием, поведением и устойчивостью атмосферы как коллоида. Особую роль при оценке влияния аэрозоля на климат играет учет облачной и альбедной обратных связей, а также моделирование циркуляции океана в рамках объединенных моделей глобальной циркуляции. Следующим этапом работы будет являться описание таких процессов, как генерация аэрозоля на поверхности, его вертикальный и горизонтальный перенос, генерацию и превращения in situ (гетерогенные превращения по механизму газ-частица, коагуляцию, седиментацию, перемешивание и т. д.). Для модели аэрозоля необходимо провести инвентаризацию источников и стоков аэрозоля и их временных трендов. При наличии подобных параметризаций окажется возможным включать аэрозольные эффекты в модели общей циркуляции атмосферы и климата в форме кинетических уравнений, учитывать их вклад в радиационный член в уравнении баланса тепла и параметризовать их при моделировании цикла облачности. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Атмосферный аэрозоль и его влияние на перенос излучения. /Под ред. К. Я. Кондратьева/.- Л.: Гидрометеоиздат, 1978.- 120 с. 2. Аэрозоль и климат./Под ред. К. Я. Кондратьева/.-Л.: Гидрометеоиздат, 1991.- 191 с. 3. Берлянд М. Е., Кондратьев К. Я. Города и климат планеты.- Л.: Гидрометеоиздат, 1972.- 40 с. 4. Зуев В. Е., Кауль Б. В., Самохвалов И. В. Лазерное зондирование промышленной дымки.- В кн.: Распространение оптических волн в атмосфере. Новосибирск: Наука, 1975, с. 160-164. 5. Ивлев Л. С. Химический состав и структура атмосферных аэрозолей.- Л.: Изд. ЛГУ, 1982.- 366 с.
6. Ивлев Л. С., Андреев С. Д. Оптические свойства атмосферных аэрозолей.- Л.: Изд. ЛГУ, 1986, с. 7. Качурин Л. Г. Физические основы воздействия на атмосферные процессы. 8. Лазерное зондирование индустриальных аэрозолей. /В. Е. Зуев, Б. В. Кауль, И. В. Самохвалов, К. И. Кирков, В. И. Цанев/.- Новосибирск: Наука, 1986.- 107 с.
9. Марчук Г. И. Окружающая Среда - проблемы и перспективы.- Сборник статей: Достижения в области гидрометеорологии и контроля природной среды. Л.: Гидрометеоиздат, 1987, с. 160-166. 10.Матвеев Л. Т. Особенности метеорологического режима в большом городе.- Метеорология и гидрология, 1979, № 5, с. 22-27. 11.Морачевский В. Г., Особенности фазовых переходов воды в загрязненной атмосфере.- В кн.: Современные проблемы метеорологии, 1981, вып. 73, с.46-64. 12.Chylek P., Coakley J. A., Jr. Aerosols and climate.- Science, 1974, vol. 183, p. 75-77.