Аэрозоли и климат

Природа и характеристика атмосферных аэрозолей

Аэрозоли — это взвешенные в атмосфере твердые и жидкие частицы, размеры которых варьируются от нескольких нанометров до сотен микрометров. Они могут быть как природного происхождения (пыль, морская соль, вулканический пепел, биогенные частицы), так и антропогенного (частицы от сжигания топлива, промышленные выбросы, сажа и т.д.). Аэрозоли играют ключевую роль в климатической системе, влияя на радиационный баланс планеты, физику облаков и химические процессы в атмосфере.

Классификация аэрозолей

Аэрозоли подразделяются по происхождению:

Природные: пыль (в т.ч. пустынная), морская соль (аэрозоль с поверхности океана), вулканические выбросы, споры, пыльца, частицы биогенного происхождения.
Антропогенные: сажа (black carbon), органические углеводороды, сульфаты и нитраты, образующиеся в результате сжигания угля, нефти, биомассы.

По фазовому состоянию:

Твердые (минеральная пыль, зола, сажа),
Жидкие (капли сульфатной кислоты, органические аэрозоли).

По размеру:

Ультратонкие частицы (< 0,1 мкм),
Мелкодисперсные частицы (0,1 – 2,5 мкм),
Крупнодисперсные частицы (> 2,5 мкм).

Жизненный цикл аэрозолей в атмосфере

Аэрозоли могут находиться в атмосфере от нескольких часов до нескольких недель в зависимости от их размеров и метеоусловий. Их источники могут быть локальными или глобальными. Частицы могут переноситься на тысячи километров, участвовать в химических реакциях, коагулировать, адсорбировать газы, а также выпадать из атмосферы путем осаждения и вымывания осадками.

Радиационные эффекты аэрозолей

Аэрозоли оказывают как прямое, так и косвенное влияние на климат:

Прямой радиационный эффект связан с взаимодействием аэрозолей с солнечным и земным излучением. Они могут:

Рассеивать солнечное излучение, снижая количество энергии, поступающей на поверхность (охлаждающий эффект).
Поглощать солнечную радиацию, что приводит к нагреву атмосферы на высоте и может подавлять конвекцию (например, сажа обладает сильным поглощением).

Эффективность рассеяния и поглощения зависит от:

Композиции (светоотражающие, как сульфаты, или поглощающие, как черный углерод),
Размеров частиц,
Высоты, на которой они находятся,
Альбедо подстилающей поверхности.

Косвенные эффекты аэрозолей

Аэрозоли играют важную роль в микрофизике облаков, выступая в качестве ядер конденсации водяного пара (CCN — cloud condensation nuclei) и ядер образования ледяных кристаллов (IN — ice nuclei). Это приводит к следующим косвенным эффектам:

Первый косвенный эффект (эффект Твомери): увеличение концентрации ядер конденсации ведет к образованию большего количества более мелких капель облаков при той же водности, что увеличивает их альбедо и снижает количество проникающей солнечной радиации — охлаждающий эффект.
Второй косвенный эффект (эффект Альбрехта): мелкие капли облаков медленнее коалесцируют, что увеличивает продолжительность жизни облаков и их оптическую толщину, способствуя дополнительному охлаждению.
Третий косвенный эффект: изменение вертикальной структуры и высоты облаков под воздействием аэрозолей может изменить осадки, динамику и тепловые потоки в атмосфере.

Аэрозоли и облакообразование

В атмосфере наличие аэрозолей как ядер конденсации является необходимым условием образования облаков. Без них водяной пар не может эффективно конденсироваться. При наличии повышенного количества аэрозолей происходит образование облаков с большим числом капель меньшего диаметра, что влияет на:

Скорость выпадения осадков,
Энергетический баланс облачного слоя,
Вертикальную стабильность атмосферы.

Например, в регионах с сильным антропогенным загрязнением может наблюдаться подавление осадков из-за слишком мелких капель, не достигающих размеров, необходимых для коалесценции.

Глобальное климатическое влияние

Аэрозоли играют компенсирующую роль в контексте глобального потепления. Несмотря на то, что парниковые газы вызывают положительное радиационное принуждение (forcing), аэрозоли могут обеспечивать значительное отрицательное принуждение, уменьшая общий уровень потепления. По оценкам МГЭИК, общее радиационное принуждение аэрозолей остается одним из наименее определённых параметров в моделировании климата.

Некоторые примеры климатических последствий аэрозольных выбросов:

Вулканические извержения (например, Пинатубо, 1991) выбрасывают в стратосферу значительные количества сульфатных аэрозолей, вызывая глобальное временное похолодание.
Антропогенные аэрозоли в северном полушарии (особенно в Азии) снижают интенсивность муссонных осадков, перераспределяют тепловые потоки и могут влиять на циркуляцию атмосферы.
Черный углерод при осаждении на снежные и ледовые поверхности снижает их альбедо, ускоряя таяние и усиливая региональное потепление.

Пространственно-временное распределение аэрозолей

Концентрация аэрозолей в атмосфере варьируется в зависимости от региона, времени года и погодных условий. Наиболее высокая концентрация наблюдается:

Вблизи источников выбросов (промышленные районы, зоны сжигания биомассы),
В засушливых районах (пустынная пыль),
Над океанами (морская соль),
В тропосфере (антропогенные аэрозоли),
В стратосфере (вулканические выбросы, длительно сохраняющиеся частицы).

Сезонные изменения обусловлены как метеоусловиями (вентиляция, осадки), так и сезонностью источников (например, сельскохозяйственные палы, летние пыльные бури).

Методы наблюдения и моделирования

Наблюдение за аэрозолями осуществляется с помощью:

Наземных станций (спектрофотометры, лидары, аэрозольные ловушки),
Спутниковых систем (MODIS, MISR, CALIPSO), предоставляющих информацию о распределении, оптической толщине, альбедо и высоте аэрозольного слоя,
Лабораторных и полевых исследований, включающих сбор проб и анализ химического состава,
Климатических моделей, учитывающих эмиссию, транспорт, трансформацию и осаждение аэрозолей.

Одним из важных параметров является оптическая толщина аэрозолей (AOD) — величина, характеризующая степень ослабления излучения при прохождении через аэрозольный слой. Также оценивается эффективное альбедо, индекс рассеяния, коэффициент асимметрии фазовой функции и другие параметры.

Невязки и неопределенности

Аэрозоли представляют собой один из наиболее сложных для моделирования компонентов климатической системы. Причины включают:

Высокую пространственную и временную вариативность,
Разнообразие химического состава и гигроскопичности,
Сложности в оценке источников и стоков,
Влияние на облачность, которое моделируется с большими допущениями.

МГЭИК отмечает, что неопределённости в оценке радиационного принуждения аэрозолей значительно превышают таковые для парниковых газов, что существенно ограничивает точность прогнозов изменений климата.

Аэрозоли и климатическая политика

Понимание роли аэрозолей имеет важное значение при выработке климатической стратегии. Например, резкое снижение выбросов аэрозолей без одновременного сокращения парниковых газов может привести к временно ускоренному потеплению. Поэтому требуется комплексный подход, учитывающий как потепляющие, так и охлаждающие компоненты атмосферы.