Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Атмосферные аэрозоли и их взаимодействие с некоторыми парниковыми газами. Современное состояние проблемы 11
1.1 Аэрозольное загрязнение атмосферы 11
1.1.1 Источники атмосферных аэрозолей 11
1.1.2 Углеродсодержащие аэрозоли: некоторые свойства и влияние на климат 13
1.2 Парниковые газы - фактор антропогенного воздействия на климат 21
1.3 Озон и проблема истощения озонового слоя Земли 27
1.3.1 Фотохимическое образование озона 27
1.3.2 Атмосферный озон и климат 29
1.3.3 Некоторые циклы разрушения озонового слоя 31
Глава 2. Лабораторные исследования взаимодействия озона и NOx с углеродсодержащими частицами 40
2.1. Экспериментальные установки и способы получения углеродсодержащих аэрозолей 40
2.2. Распределение углеродсодержащих аэрозольных частиц по -размерам
2.3. Адсорбция озона на углеродсодержащих частицах 54
2.3.1. Методика экспериментов. Приборы и экспериментальные установки 54
2.3.2. Модели расчёта коэффициента адсорбции озона на поверхности углеродсодержащих частиц 60
2.3.3. Исследование кинетики гетерогенного взаимодействия озона с углеродсодержащими частицами 69
2.4. Взаимодействие NOx с углеродсодержащими материалами 91
2.4.1. Описание методики эксперимента и экспериментальной установки 91
2.4.2. Механизм адсорбции NOx на поверхности углеродсодержащих аэрозолей 93
2.4.3. Физико-химическая модель адсорбции NOx на поверхности углеродсодержащих частиц 95
2.4.4. Определение площади углеродсодержащего сорбента . 97
2.4.5. Расчёт кинетических коэффициентов адсорбции NOx 98
2.4.6. Димеризация N02 109
2.5. Фотохимические реакции с участием СЮХ и адсорбция хлорсодержащих соединений на углеродных частицах 111
Глава 3. Адсорбция озона и диоксида азота на поверхности углеродсодержащих аэрозольных частиц. Полевые наблюдения 118
3.1. Международный проект "TROICA" 118
3.2. Измерительная аппаратура: состав, назначение и технические характеристики 121
3.3. Пространственно-временное распределение атмосферного аэрозоля по результатам Проекта " TROICA " 123
3.4. Оценка коэффициентов адсорбции озона и диоксида азота по результатам натурных наблюдений " TROICA " 126
3.4.1. Захват озона аэрозольными сажевыми частицами 127
3.4.2. Адсорбция диоксида азота на поверхности сажевого аэрозоля 132
Глава 4. Применение модельных методов и результатов работы: учёт влияния аэрозолей на климатические процессы 136
4.1. Атмосферные эффекты воздействия аэрозолей. Вводные замечания 137
4.2. Локальное активное воздействие аэрозолей на атмосферные процессы (облако- и осадкообразование) 140
4.3. Роль аэрозолей в формировании и изменении глобального климата 141
4.4. Климатические эффекты от выбросов углеродсодержащих и сульфатных аэрозолей 143
Заключение
Список использованной литературы 153
- Источники атмосферных аэрозолей
- Распределение углеродсодержащих аэрозольных частиц по -размерам
- Измерительная аппаратура: состав, назначение и технические характеристики
- Локальное активное воздействие аэрозолей на атмосферные процессы (облако- и осадкообразование)
Введение к работе
Актуальность темы. На протяжении длительного времени химия атмосферы считалась химией газофазных реакций. Однако такое явление, как кислотный дождь, тем не менее, показывают, что низко концентрированные газы в атмосфере могут конденсироваться в капли облаков и вновь испаряться, тем самым, обнаруживая возможность протекания гетерофазных реакций с участием атмосферных газов. Исследования образования озоновой дыры подтверждают существование гетерогенных процессов с участием газовых примесей и на кристаллах льда в полярных стратосферных облаках при температуре около -80 С. Кроме того, наличие подобных гетерогенных реакций газов с аэрозольными частицами (в первую очередь, льда и сажи) выявлено в верхней тропосфере и нижней стратосфере в конденсационных следах самолётов. Аэрозоли, в основном -углеродсодержащие, в значительных количествах присутствуют и в приземных слоях атмосферы.
Как известно, увеличение выбросов аэрозолей, а также рост концентрации парниковых газов в атмосфере являются основными факторами антропогенного воздействия на климат. Основные парниковые газы: водяной пар (НгО), углекислый газ (С02), метан (СНД оксиды азота (N0X), озон (03) и, в меньшей степени, ряд хлорфторуглеводородных соединений могут адсорбироваться и испытывать химические превращения на аэрозольных частицах, что приводит к их выводу из гомогенных химических циклов.
Вместе с тем, несмотря на большое количество опубликованных научных работ, посвященных этому вопросу, на данный момент кинетические особенности атмосферных процессов взаимодействия малых газовых составляющих с аэрозольными частицами изучены слабо.
Поэтому исследование гетерогенных химических реакций, протекающих в атмосфере и вносящих существенных вклад в изменение
климата и экологической обстановки в различных регионах, представляет большой интерес и актуальность.
Состояние вопроса и постановка задачи. В настоящее время считается общепризнанным, что значительное влияние на климат оказывают атмосферные гетерогенные химические реакции, протекающие с участием озона, малых газовых примесей и аэрозольных частиц [1,2]. Этот вывод был сделан на основе результатов исследования процессов, приводящих к возникновению таких климатических явлений, как «озоновая дыра» и «парниковый эффект» [3-8].
Озон, открытый в середине XIX века, привлёк пристальное внимание учёных тогда, когда выяснились его распространенность в земной атмосфере и особая роль как регулятора потока солнечной радиации. В начале 1970-х годов впервые стали говорить о проблеме истощения озонового слоя вследствие человеческой деятельности. П. Крутцен и Г. Джонстон обратили внимание на фотохимические процессы с участием NOx, приводящие к гибели озона [9, 10], положив начало детальному изучению химии стратосферы. В середине 70-х годов американские химики Ф. Ш. Роуленд и М. Молина [11, 12] привлекли внимание мировой научной общественности к возможности протекания наряду с реакциями азотного и водородного циклов также и хлорного каталитического цикла разрушения озона [13]. Эта гипотеза нашла подтверждение в объяснении образования так называемой озоновой дыры, зарегистрированной в 1984—1985гг. в Антарктиде [3]. Последовавшие вслед за этим многочисленные исследования показали, что на каталитические процессы гибели озона оказывают влияние гетерогенные реакции, протекающие на поверхности обводнённых стратосферных аэрозолей [4, 5, 13, 14], а также на поверхностях других типов обводнённых аэрозолей, например, сульфатных [15-19].
В дальнейшем выяснилось, что гетерогенные процессы на поверхности аэрозольных частиц приводят не только к изменению содержания озона в
атмосфере, но и к нарушению теплового баланса Земли («парниковый» эффект, «ядерная» зима).
Проблема «парникового» эффекта на Земле, т.е. увеличения средней температуры атмосферы на несколько градусов, особенно обострилась в последнее время, а изменения, которые могут произойти вследствие потепления климата, непредсказуемы. Одной из причин возникновения этого эффекта считается увеличение в атмосфере вследствие антропогенной деятельности содержания парниковых газов, поглощающих ИК-излучение. В связи с этим большой интерес вызвали исследования процессов с участием парниковых газов и атмосферных аэрозолей (особенно углеродсодержащих), которые способны не только адсорбировать газовые примеси, но и повышать их химическую активность [20, 21]. Таким образом, аэрозоли являются естественными катализаторами фотохимических и иных протекающих в атмосфере реакций с участием озона и других парниковых газов [22, 23].
Однако, несмотря на большое количество опубликованных научных работ, посвященных этому вопросу, до настоящего момента кинетика гетерогенных процессов на поверхности аэрозолей изучена слабо, а в свете обострившейся проблемы изменения климата возникает необходимость расширения знаний об особенностях протекания этих атмосферных процессов.
Цель работы: исследование кинетики адсорбции некоторых парниковых газов (Оз, NOx) на углеродсодержащих аэрозольных частицах и определение изменения коэффициентов адсорбции этих газов, обусловленного параметрами, характеризующими состояние поверхности аэрозольных частиц.
Основные задачи исследования
1. Разработка экспериментальных методов исследования адсорбции некоторых парниковых газов на углеродсодержащих аэрозольных частицах.
Обоснование применения физико-химических моделей гетерогенного взаимодействия Оз и NOx с поверхностью углеродсодержащих аэрозольных частиц.
Изучение кинетики адсорбции озона и NOx на углеродсодержащих аэрозольных частицах в лабораторных и полевых условиях.
Сопоставление результатов и выявление вклада реакций взаимодействия Оз и NOx с углеродсодержащими частицами в процессы, приводящие к изменению климата.
Научная новизна работы заключается в следующем:
проведены комплексные лабораторные и полевые исследования взаимодействия озона, NOx и хлорорганических соединений с углеродсодержащими аэрозольными частицами;
выявлены кинетические закономерности взаимодействия озона и NOx на углеродсодержащих аэрозольных частицах, проведен расчет коэффициентов адсорбции;
обнаружено явление димеризации NO2 при адсорбции, способствующее резкому возрастанию десорбции азотсодержащих соединений с поверхности частиц и переходу их обратно в газовую фазу.
На защиту выносятся:
методы, разработанные для лабораторного моделирования адсорбции некоторых парниковых газов (03, NOK) на углеродсодержащих аэрозольных частицах в статичных и проточных условиях;
полуэмпирические закономерности изменения коэффициента адсорбции озона и диоксида азота на углеродсодержащих аэрозольных частицах в зависимости от времени взаимодействия, концентрации исследуемых газов, структуры и состояния поверхности частиц;
специфические особенности адсорбции диоксида азота, обусловленные димеризацией диоксида азота и приводящие к возрастанию
десорбции азотсодержащих соединений с поверхности и переходу их обратно в газовую фазу;
4) величины коэффициентов адсорбции озона и диоксида азота на углеродсодержащих частицах, полученные по данным комплексных (лабораторных и полевых) экспериментов.
Практическая ценность работы. Результаты работы расширяют знания о кинетике атмосферных процессов взаимодействия некоторых парниковых газов с углеродсодержащими аэрозолями и могут быть использованы специалистами по моделированию региональных и глобальных климатических изменений. Методики и установки, разработанные в ходе работы, представляют большой интерес для решения климатических и экологических задач.
Работа выполнялась в рамках плана научно-исследовательских работ Научно-исследовательского физико-химического института им. Л.Я. Карпова при поддержке грантов РФФИ №№97-05-64623, 05-03-33063, проектов МНТЦ№№ 521-98, 1235-98, 2770-05, 2773-05, 3288-06.
Достоверность результатов. В основу предложенных в работе модельных расчётных методов положены основные уравнения теории адсорбции. При использовании этих методов путём предельных переходов получены результаты, согласующиеся с результатами других исследователей. Экспериментальные данные получены на стандартных, апробированных приборах, обработаны статистическими методами и подтверждаются косвенным согласием с расчётными данными.
Апробация результатов
Результаты диссертационной работы докладывались на Европейской аэрозольной конференции (ЕАС-1999, г. Прага, Чехия, 1999; ЕАС-2001, г. Лейпциг, Германия, 2001; ЕАС-2003, г. Мадрид, Испания, 2003; ЕАС-2005, г. Гент, Бельгия; ЕАС-2007, г. Зальцбург, Австрия; ЕАС-2008, г. Салоники, Греция), на Международной конференции "Физика атмосферного аэрозоля"
к 85-летию со дня рождения проф. Г.В. Розенберга (г. Москва, 1999), на Второй Международной конференции памяти академика A.M. Обухова "Состояние и охрана воздушного бассейна и водно-минеральных ресурсов курортно-рекреационных регионов" (г. Кисловодск, 2000), на Международной аэрозольной конференции, посвященной памяти проф. А.Г. Сутугина (г. Москва, 2000), на XVIII Всероссийском симпозиуме молодых ученых по химической кинетике (пансионат "Клязьма", Московская область, 2000), на конференции «Сенсор 2000. Сенсоры и микросхемы» (г. Санкт-Петербург, 2000), на XIX, XX XXI научных конференциях стран СНГ "Дисперсные системы" (г. Одесса, Украина, 2000, 2002, 2004), на Третьих, Четвертых и Шестых Петряновских чтениях (г.Москва, 2001, 2003, 2007), на Второй Международной научно-технической конференции "Развитие нановолоконной - технологии" (г. Силламяэ, Эстония, 2003), на Международной конференции «Естественные и антропогенные аэрозоли» (.г. Санкт-Петербург, 2003, 2006), на IX Рабочей группе «Аэрозоли Сибири» (г. Томск, 2004), на XXIV Генеральной ассамблее Международного Союз Геодезии и Геофизики (г. Перуджа, Италия, 2007), на Генеральной Ассамблее Европейского Союза наук о Земле (г. Вена, Австрия, 2008).
По теме диссертации опубликовано 8 статей в ведущих рецензируемых научных журналах, 6 статей в сборниках трудов международных научных конференций, а также тезисы свыше 20 докладов на российских и международных научных конференциях.
Личный вклад автора. Автор принимал непосредственное участие в организации и проведении большинства экспериментов, результаты которых легли в основу данной работы. На основе самостоятельно проведённых обработки, систематизации, обобщения и анализа данных комплексных (лабораторных и натурных) измерений автором сформулированы и предложены модельные методы исследований при переходе от лабораторных к натурным условиям.
Структура диссертации. Диссертация состоит из:
введения;
главы 1, включающей аналитический литературный обзор и текущее состояние проблемы, изучаемой в работе;
главы 2, содержащей методологию и принципы лабораторных исследований, описание экспериментальных установок, модели расчётов и результаты экспериментов, проведённых в лабораторных условиях;
главы 3, описывающей условия проведения натурных наблюдений, комплексы измерительных приборов и аппаратуры и результаты полевых измерений;
главы 4, рассматривающей вопросы возможного применения предложенных в данной работе модельных методов расчёта и полученных результатов для учёта влияния выноса углеродсодержащих и сульфатных аэрозолей в стратосферу на процессы, приводящие к изменению климата;
заключения;
- списка цитированной литературы, состоящего из 198 наименований.
Диссертация изложена на 173 страницах, включая 45 рисунков и 12
таблиц.
Источники атмосферных аэрозолей
Как известно, атмосферные аэрозоли наряду с газовыми примесями выступают в качестве сильных загрязнителей атмосферы. Они представляют собой твёрдые или жидкие частицы, находящиеся во взвешенном состоянии в воздухе. В атмосфере аэрозоли воспринимаются в виде дыма, тумана, мглы или дымки [24, 25]. Значительная часть аэрозолей образуется в атмосфере при взаимодействии твердых и жидких частиц между собой или с водяным паром. По размеру частиц аэрозоли можно разделить на 3 группы: гигантские частицы (радиус частиц г 10 мкм), большие частицы (г= 1 + 10 мкм) и частицы, подчиняющиеся законам броуновского движения {г 1 мкм), так называемые ядра Айткена. Атмосферный аэрозоль подразделяют на тропосферный и стратосферный. Аэрозольные частицы проникают в стратосферу в результате вулканических извержений, заноса ядер конденсации при развитии кучево-дождевых облаков, вершины, которых выходят за пределы тропосферы. Определенный вклад в формирование стратосферных аэрозолей вносит высотная авиация, запуски ракет-носителей искусственных спутников Земли и т.д. В стратосфере отмечаются и аэрозоли внеземного происхождения, содержащие, например, следы никеля.
Количество аэрозолей в атмосфере огромно, существует их постоянный приток и сток. Более крупные частицы осаждаются сами, более мелкие вымываются дождем или снегом. Продолжительность пребывания аэрозолей в атмосфере определяет их так называемое "время жизни". В тропосфере время жизни аэрозолей составляет от 6 до 40 суток. В стратосфере среднее время жизни аэрозольных частиц увеличивается с высотой, и его оценки дают значения до месяца в слое 10-12 км, 1-2 года на высоте 20 км и от 4 до 20 лет на высоте 50 км.
По своему происхождению они подразделяются на аэрозоли естественного и антропогенного происхождения. Источниками естественных аэрозолей являются океаны, космическая пыль, частицы почвы и горных пород, поднимаемых в воздух при ветровой эрозии, органические вещества — пыльца растений, споры, микроорганизмы, бактерии и др., частицы дыма, возникающие при лесных и торфяных пожарах, продукты вулканических извержений.
К аэрозолям антропогенного происхождения обычно относят аэрозоли, образующиеся в результате сжигания разнообразных видов топлива, выхлопы разных видов транспорта, выбросы промышленных предприятий, распыление инсектицидов и пестицидов, т.е. всё то, что связано с хозяйственной деятельностью человека. Так, в атмосферу Земли вследствие техногенных процессов ежегодно поступает около 11 км3 пылевых частиц искусственного происхождения. Пространственное распределение антропогенных аэрозолей неравномерно. Они составляют примерно 20% от естественного содержания аэрозолей в атмосфере и являются её загрязнителями, играя пагубную роль в отношении человека, растительного и животного мира. Основными источниками антропогенных аэрозольных загрязнений воздуха являются ТЭС, которые потребляют уголь высокой зольности, обогатительные фабрики, металлургические, цементные, магнезитовые и сажевые заводы, железнодорожный транспорт, промышленные отвалы. Аэрозольные частицы от этих источников отличаются большим разнообразием химического состава. Чаще всего в их составе обнаруживаются соединения кремния, кальция и углерода, реже - оксиды металлов: железа, магния, марганца, цинка, меди, никеля, свинца, сурьмы, висмута, селена, мышьяка, бериллия, кадмия, хрома, кобальта, молибдена, а также асбест [26]. Еще большее разнообразие свойственно органической пыли, включающей алифатические и ароматические углеводороды, соли кислот. Она образуется при сжигании остаточных нефтепродуктов, в процессе пиролиза на нефтеперерабатывающих, нефтехимических и других подобных предприятиях.
Сжигание природного топлива является одной из основных причин загрязнения атмосферы. Образующие при этом частички сажи и пепла -несгоревший углерод - в больших количествах попадают в атмосферу. Углеродсодержащие аэрозоли (УСА) служат ядрами конденсации для водяного пара, что приводит к образованию дымки и тумана, а также оставляют черный жирный налет на строениях и тканях.
Распределение углеродсодержащих аэрозольных частиц по -размерам
На особенности гетерогенных процессов, протекающих на поверхности аэрозольных частиц, сильно влияют физико-химические, оптические и структурные свойства аэрозолей, которые, в свою очередь, зависят от размеров частиц. Как правило, под размером частиц понимается их диаметр d (или радиус).
В связи с этим аэрозоли классифицируют по их свойствам, источникам происхождения и размерам. Существуют различные типы классификации [27, 102-105]. Так, например, многими исследователями аэрозоли разделяются по размерам частиц следующим образом [24, 25, 102]: - высокодисперсная (микродисперсная, тонкодисперсная) фракция, d 0.2 мкм. В последнее время частицы с d 0.01 мкм принято называть нуклеационными (ультрадисперсными), а частица с 0.01 d 0.1 мкм -ядрами Айткена [103]; - субмикронная (среднедисперсная, аккумуляционная) фракция, 0.2 d 2.0 мкм; - грубодисперсная фракция, d 2.0 мкм.
По физическим свойствам в [102] было предложено различать аэрозоли с твёрдой и жидкой дисперсной фазой, соответственно -дисперсионные и конденсационные. Последние образуются при объёмной конденсации пересыщенных паров и в результате газовых реакций, ведущих к образованию нелетучих продуктов, например сажи. В конденсационных аэрозолях твёрдые частицы весьма часто представляют собой рыхлые агрегаты из очень большого числа первичных частиц (рис. 5), имеющих правильную кристаллическую или шарообразную форму.
Предметом наших исследований являются углеродсодержащие аэрозольные частицы, в частности сажевые, которым и будет уделено особое внимание.
Согласно рассмотренной нами классификации углеродсодержащие аэрозоли (УСА) относятся по своим свойствам к конденсационным, а по размеру частиц - к мелкодисперсным. Что касается источников происхождения, то они различны: УСА можно отнести к промышленным, транспортным, растительным, вулканическим, городским, стратосферным аэрозолям. Зачастую органические и сажевые аэрозоли выделяются в отдельные типы [1, 27, 105].
Распределение аэрозолей в атмосфере зависит от многих параметров (климатических, метеорологических, типов аэрозольных источников и т.д). Для описания дисперсного распределения в теории аэрозолей используется функция распределения по размерам.
Распределение аэрозольных частиц по размерам имеет один или несколько пиков (максимумов). Так, частицы, образующие в результате химических реакций, имеют максимум распределения, зависящий от интенсивности генерации аэрозольного вещества и времени существования частиц. При непрерывной генерации и постоянном стоке частиц плотность распределения, начиная с какого-то размера, подчиняется закону f(r)= Cf4, а при ещё больших размерах — зависимости f(r) = Cf6 [27].
Однако процесс генерации аэрозольного вещества нестационарен. Например, для фотохимических процессов существует суточный ход. Это приводит к возникновению большого количества пиков в распределении частиц по размерам, причём наиболее удалён от первого второй пик, так как количество вещества в ежесуточно возникающих аэрозолях примерно одинаково. При быстрой изменчивости спектра размеров частиц в этой области и невысокой точности их определения приборами модальные радиусы на ниспадающей ветви функции распределения практически не выделяются. Аэрозоли конденсационного происхождения, к коим причисляются и УСА, состоят как бы их двух мод: первой моды гої 0.03 мкм, в зависимости от интенсивности образования аэрозольного вещества, и второй моды гш (0.03 -0.1) мкм. Вторая мода обусловливает оптические свойства конденсационных аэрозолей.
Как полагают некоторые авторы [27], аналитический вид функции распределения принципиального значения не имеет. Функция должна описывать правильно ниспадающую вправо ветвь распределения частиц по размерам и положение модального радиуса. Критерием удачного выбора функции распределения может служить соответствие экспериментального и расчётного значений счётной концентрации частиц. Анализ данной функции распределения частиц по аэродинамическому диаметру показал, что максимум как массового, так и счётного распределения лежит в области диаметров частиц менее 0.5 мкм.
Измерительная аппаратура: состав, назначение и технические характеристики
При проведении полевых экспериментов измерения осуществлялись с вагона - обсерватории, прицепленного к пассажирскому поезду в голове состава, с помощью специально смонтированного комплекса аппаратуры, включающего приборы для измерений концентрации озона, NO, NO2, СО, СЕЦ, С02, аэрозоля и метеопараметров (температуры, давления и относительной влажности). Также измерялись интегральная солнечная радиация и скорость фотодиссоциации NO2 [168, 169]. С целью осуществления аэрозольного мониторинга в НИФХИ им. Л.Я. Карпова был разработан специальный измерительный комплекс, схема которого представлена на рис. 37. Состав приборного комплекса, используемого для измерений в рамках данной работы, приведён в таблице 3.1.
Комплекс аппаратуры работал в автоматическом режиме с записью показаний на персональный компьютер. Забор воздуха осуществлялся через тефлоновые трубки длиной 3-4 м, выведенные наружу через боковые стенки вагона на высоте 3 м над полотном дороги. Аэрозольные измерения производились в круглосуточном режиме в течение всей экспедиции с временным интервалом 2 с +10 мин.
Наличие мощных источников аэрозольных частиц со специфическими свойствами обуславливает особенности распределения частиц по размерам, причем эти распределения практически всегда далеки от обратностепенных. Распределения частиц по размерам аэрозолей антропогенного происхождения очень разнообразны.
Так, максимум в области 0.2-Ю.З мкм на рис. 38, скорее всего, соответствует аэрозолям фотохимического происхождения, которые в начальный момент имеют очень небольшие размеры (порядка десятков нанометров), а затем в результате гетерогенных реакций и коагуляционного роста достигают нескольких десятых микрометра. Максимум в области нескольких микрометров обязан своим происхождением другому типу аэрозоля — дисперсионному. У таких аэрозолей распределение частиц по размерам хорошо описывается логарифмически-нормальной функцией с наиболее вероятным модальным диаметром 3- 4 мкм [26, 165].
Задымление атмосферы из-за лесных и травяных пожаров не только изменяет вид функции распределения по размерам, но и резко повышает средние значения массовой концентрации аэрозоля, которая возрастает в отдельных случаях до величины более 800 мкг/м .
Как уже было сказано выше, углеродсодержащие аэрозоли являются одними из наиболее распространённых загрязнителей атмосферы от антропогенных и природных источников. Выявление их вклада в гетерогенные озонразрушающие процессы приобретает большую важность и в связи с постоянным увеличением содержания этих аэрозолей в атмосфере.
По данным осуществлённых натурных наблюдений было показано, что при детальном анализе пространственно-временной структуры приземного аэрозоля можно выявить отдельные источники загрязнения атмосферы (встречные поезда, малые и большие населенные пункты, отдельные пожары), определить источник происхождения аэрозоля (природный, антропогенный), регистрировать суточный ход атмосферного аэрозоля [26, 147].
Неоднократные наблюдения сажевого аэрозоля вдоль Транссибирской магистрали в ходе эксперимента "TROICA" выявили хорошо выраженный сезонный ход содержания сажи в воздушном бассейне над Россией. Максимальные значения сажевого аэрозоля регистрировались в осенне-зимний период, причём в приземном воздухе были обнаружены крупномасштабные неоднородности распределения аэрозоля, связанные с действием синоптических и метеорологических процессов, определяющих его накопление [173].
В летний период регистрируемые крупномасштабные области загрязнения сажей обуславливались лесными и травяными пожарами [173]. Именно такой случай рассматривался в данной работе при исследовании в приземном слое атмосферы процессов адсорбции озона и диоксида азота на сажевых частицах, возникших вследствие лесных пожаров.
Учитывая сильную изменчивость концентрации озона и аэрозоля, связанную с пространственной неоднородностью измеряемых величин, для оценки использовали усредненные экспериментальные данные.
Одним из параметров, характеризующих процесс взаимодействия озона или других газовых примесей, как было сказано во второй главе, является коэффициент адсорбции на поверхности УСА. В данной работе была проведена оценка коэффициента адсорбции у 03 и N02 на поверхности аэрозолей горения, источником которых послужили интенсивные лесные пожары, зафиксированные во время осуществления эксперимента "TROICA". Результаты этой оценки представлены и обсуждаются в этом разделе.
Локальное активное воздействие аэрозолей на атмосферные процессы (облако- и осадкообразование)
Известно, что метеорологические процессы часто характеризуются неустойчивыми критическими состояниями, чувствительными к внешним вмешательствам. Получив относительно небольшое внешнее (аэрозольное) воздействие искусственного характера - "активное воздействие", естественный процесс может развиться в желательном направлении. Влияние аэрозолей на метеорологические процессы интенсивно исследовалось ранее в рамках всемирной программы активных воздействий в 70-80 годах XX столетия. В основном эти работы были связаны с созданием технологий регионального воздействия на атмосферу — рассеивания туманов на аэродромах и вызывания осадков из градоопасных облаков. Они основывались на результатах ранее проведенных исследований таких выдающихся ученых, как Б.Воннегут, И. Ленгмюр и Т.Бержерон [182, 183]. Эти работы привели к созданию технологий и средств воздействия на локальные атмосферные процессы [184, 185].
Следует заметить, что в последние годы вновь наметился интерес к работам по поиску новых и развитию существующих методов и технологий аэрозольного воздействия на локальные и крупномасштабные метеорологические и климатические процессы и ситуации. В частности, проводятся исследования возможностей и последствий аэрозольного воздействия на экстремальные гидрометеорологические процессы и ситуации, в результате которых должна быть выстроена иерархия возможностей аэрозольного воздействия на экстремальные гидрометеорологические процессы и разработаны рекомендации по возможному применению аэрозольного воздействия на погодные и климатические процессы. Актуальность этих работ обусловлена обострением проблемы антропогенного потепления климата, а также подписанием и ратификацией Россией и рядом других стран Киотского протокола [70].
В глобальном масштабе аэрозоли являются одним из главных регуляторов потоков солнечной радиации в земной атмосфере. Аэрозольные слои поглощают также тепловое (собственное) излучение атмосферы и подстилающей поверхности, оказывая дополнительное влияние на энергетический баланс климатической системы Земли.
Так, за последние два с половиной века (с доиндустриальных времен) в атмосфере Земли не только сильно увеличилась концентрация парниковых газов (С02, СН4 и др.), но и существенно изменился состав и содержание аэрозоля, влияющего на радиационные потоки в атмосфере. На рис. 43 приведены данные о накопленном глобальном среднем радиационном воздействии парниковых газов и аэрозолей, начиная с доиндустриальной эпохи (1750 г.) и до настоящего времени (2005 г.). На рис. 43 а представлены глобальные средние радиационные воздействия (РВ) и их 90% - ные доверительные интервалы (по данным на 2005 г.). Справа указаны наилучшие оценки и доверительные интервалы (значения РВ), пространственный масштаб воздействия и уровень научного понимания (УНП) или достоверности. Погрешности измерения концентрации СКЦ, N20 и галогенуглеводородов объединены. Здесь не указаны дополнительные воздействующие факторы, имеющие очень низкий уровень достоверности. Вулканические аэрозоли не учтены в виду эпизодического характера извержений. Эффект линейных конденсационных следов не включает другие возможные влияния авиации на облачность.
В 90-х гг. XX века были предложены довольно совершенные математические модели, позволяющие прогнозировать состояние климата на Земле в ближайшие десятилетия. Сравнение таких прогнозов с реально происходящими за последние 15 лет климатическими событиями дало хорошее совпадение данных по изменению содержания в атмосфере углекислого газа и приемлемое совпадение данных температурного хода [72]. Оба эти показателя возрастали в соответствии с ранее выявленными трендами. Однако средний уровень Мирового океана рос быстрее, чем ожидалось. С 1990-го по 2005 год он увеличился примерно на 4 см, в то время как предсказывалось повышение только на 2 см.
По нашему мнению, некоторое расхождение между прогнозом модели и действительностью обусловлено тем, что углекислый газ на самом деле оказывает более сильный эффект на температуру, чем ожидалось. Другим возможным объяснением является недооценка охлаждающего воздействия аэрозолей, которые могут иметь как естественное происхождение, так и быть образованными в результате хозяйственной деятельности человека.
