Аэрозоли представляют собой взвешенные в атмосфере
твердые частицы или капли жидкости размером от нескольких нанометров до
нескольких микрометров. В контексте космических лучей и их
взаимодействия с атмосферой аэрозоли играют ключевую роль в формировании
облачных конденсационных ядер (ККЯ), которые являются необходимым
условием для образования облаков.
Космические лучи, проникая в атмосферу, ионизируют молекулы воздуха,
создавая заряженные частицы, которые могут способствовать образованию
новых аэрозольных частиц — процесса, известного как
ионизационно-стимулированная нуклеация. Этот процесс особенно заметен в
верхних слоях тропосферы, где концентрация естественных аэрозолей
относительно низкая.
Ионизационно-стимулированная
нуклеация
Ионизация воздуха космическими лучами приводит к появлению свободных
электронов и положительно заряженных ионов. Эти ионы действуют как
центры притяжения для молекул воды и кислот (например, серной H₂SO₄ и
азотной HNO₃), что ускоряет образование новых наночастиц. Важные стадии
процесса включают:
- Инициация: космический луч создаёт цепочку ионов,
которые образуют малые кластеры.
- Рост кластеров: кластеры поглощают молекулы
конденсируемых веществ, увеличивая размер частиц.
- Стабилизация: частица достигает критического
размера (~1–3 нм), после чего она может служить ядром для конденсации
водяного пара.
Влияние аэрозолей на
формирование облаков
Образованные аэрозоли становятся конденсационными
ядрами, вокруг которых конденсируется водяной пар, формируя
облачные капли. Основные аспекты их влияния:
- Концентрация облачных капель: Чем выше концентрация
аэрозолей, тем больше количество облачных капель, но меньший их средний
размер. Это изменяет микрофизику облаков, отражательную способность и
продолжительность жизни облака.
- Эффект на альбедо: Повышенная концентрация мелких
капель увеличивает отражательную способность облака (эффект Twomey),
влияя на радиационный баланс атмосферы.
- Структура облака: Аэрозоли влияют на вертикальное
распределение облачных слоев и интенсивность осадков. При высокой
концентрации мелких капель осадки могут задерживаться, изменяя
гидрологический цикл.
Влияние типов аэрозолей
Аэрозоли различаются по происхождению и химическому составу, что
определяет их эффективность как конденсационных ядер:
- Морские аэрозоли: Состоят из солей (NaCl, MgCl₂) и
легко действуют как ККЯ.
- Пыль и минералы: Крупные частицы (10–100 мкм) в
основном служат центрами гетерогенной конденсации.
- Органические аэрозоли: Получены от биологических и
антропогенных источников, могут способствовать нуклеации в сочетании с
кислотами.
- Серные и азотные аэрозоли: Основные продукты
фотохимических реакций и вулканической активности, обладающие высокой
способностью к образованию новых частиц.
Космические
лучи и глобальная климатическая система
Связь космических лучей с образованием аэрозолей может иметь
климатическое значение. При увеличении потока космических лучей:
- Рост концентрации аэрозолей может повышать количество
облачных капель, усиливая отражение солнечного излучения.
- Это может способствовать охлаждению атмосферы,
особенно в тропосфере и нижней стратосфере.
- В периоды низкой солнечной активности (повышенный поток космических
лучей) наблюдается тенденция к увеличению глобальной облачности.
Экспериментальные наблюдения
Лабораторные и атмосферные эксперименты подтверждают влияние
ионизации на формирование аэрозолей:
- CLOUD (CERN): Показал, что ионизация воздуха
ускоряет образование частиц серной кислоты, которые могут расти до
размеров конденсационных ядер.
- Атмосферные измерения: Наблюдения выявляют
корреляцию между изменениями космических лучей и изменением концентрации
облачных капель, особенно в чистых океанических регионах.
Выводы по роли аэрозолей
- Аэрозоли являются ключевым звеном в процессе образования
облаков.
- Космические лучи усиливают нуклеацию новых частиц, влияя на
облачность и климат.
- Различные типы аэрозолей имеют разную эффективность и воздействие на
микрофизику облаков.
- Понимание этих процессов необходимо для моделирования климатических
процессов и предсказания изменений в глобальной погодной системе.