Динамика оптических и микрофизических параметров природного пылевого аэрозоля Маслов Владимир Анатольевич

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА I. Методы исследования атмосферного аэрозоля 14

1.1. Исследования физических параметров природных аэрозольных систем. 14

1.2. Особенности природного пылевого аэрозоля в г.Душанбе . 18

1.3. Измерение параметров атмосферного аэрозоля на станциях сети AERONET 25

ГЛАВА II. Оптические свойства запыленного воздуха по данным AERONET 29

2.1. Динамика АОТ в запыленной атмосфере 29

2.2. Вариации показателя поглощения аэрозольных частиц 37

2.3. Светорассеивающие свойства и тепловые эффекты аэрозоля 41

ГЛАВА III. Микрофизические характеристики аэрозоля 50

3.1. Вариации функции распределения частиц по размерам (ФРРЧ) 50

3.2. Динамика изменения параметра Ангстрема 54

3.3. Вариация содержания водяного пара. 61

ГЛАВА IV. Физические аспекты динамики пылевого аэрозоля 71

4.1. Эффекты двойной диффузии в двухфазных средах 71

4.2. Параметры двойной диффузии в природных аэродисперсных системах 73

4.3. Интерпретация изменений в аэрозольных системах по данным AERONET 77

Заключение 87

Литература

• Особенности природного пылевого аэрозоля в г.Душанбе
• Измерение параметров атмосферного аэрозоля на станциях сети AERONET
• Вариации показателя поглощения аэрозольных частиц
• Динамика изменения параметра Ангстрема

Введение к работе

Актуальность проблемы. Атмосферный аэрозоль – это природная дисперсная система, состоящая из взвешенных в воздухе твердых и жидких частиц [1-3]. Динамика аэрозольных дисперсных систем зависит от воздействия солнечного излучения, от перепадов температуры и влажности, от состава атмосферы. Распространение пылевого аэрозоля, его осаждение или вынос с поверхности почвы меняет состояние аэродисперсной системы. Субмикронные частицы (мелкодисперсная фракция аэрозоля) могут переноситься воздушным потоком достаточно далеко от источника и долгое время оставаться в атмосфере. В настоящее время существуют развитые теоретические представления о механизмах, определяющих динамику газовых примесей и аэрозолей в атмосфере [4,5], разработаны алгоритмы решения обратных задач оптики атмосферы, описывающие свойства природных дисперсных систем – облаков и аэрозоля [6,7]. Однако многие явления, наблюдаемые в природных аэродисперсных системах аридной зоны, еще не имеют достаточно полного физического описания и остаются в центре внимания исследователей.

В Центральной Азии природный пылевой аэрозоль наблюдается в виде пылевых бурь (ПБ) с сильным порывистым ветром, пылевой мглы (ПМ), часто образующейся после ПБ, и почти не исчезающей фоновой пылевой дымки [8]. Природные аэрозольные системы представляют большой интерес по своему воздействию на окружающую среду. Наряду с преимуществами наблюдение дисперсных систем в естественных условиях (in situ) в отличие от лабораторных исследований (in vitro) имеет много дополнительных сложностей: неоднородность по составу, по концентрации, по распределению в пространстве, изменчивость по времени. В частности, аэрозоль смога, образующегося вследствие антропогенных факторов [6], отличается по свойствам и динамике от аэрозоля природных аэрозольных систем.

Регулярность пылевых вторжений (ПВ) и стабильность химического состава частиц аэрозоля, формирующегося преимущественно при ветровой эрозии почвы и состоящего из частиц минерального происхождения, делает пылевой аэрозоль наиболее удобным объектом для исследования. В условиях Таджикистана исследование пылевого аэрозоля позволяет использовать преимущественно методы наблюдения и измерения.

При пылевых вторжениях температура воздуха снижается днем, а ночью повышается, так как тепловое излучение поверхности почвы частично поглощается частицами пыли и излучается вновь [9]. При этом частицы аэрозоля субмикронного размера поглощают видимое излучение сильнее, чем тепловое [6]. Воздействие аэрозоля определяется оптическими и микрофизическими свойствами частиц, а именно - их комплексным показателем преломления, распределением по размерам, плотностью и концентрацией аэрозоля. Изменение параметров атмосферы, например, влагосодержания или градиента температуры воздуха, также влияет на аэрозольную систему. Выявление механизма динамики осаждения и перемешивания аэрозольных частиц создает возможность достоверно описать процессы формирования и разрушения пылевого облака, облаков и других атмосферных объектов, а также технологических взвесей.

Измерение пропускания света в атмосфере и исследование оптических и микрофизических характеристик атмосферного аэрозоля позволяет изучать

состояние и динамику таких неоднородных дисперсных сред и потому исследования в этом направлении являются весьма актуальными.

Цель диссертационной работы - исследование оптических и микрофизических параметров природных аэрозольных систем, образующихся при пылевых вторжениях, и динамики пылевого аэрозоля.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи :

1. Выявление характерных особенностей временной изменчивости аэрозольной оптической толщи (АОТ) пылевого аэрозоля и его характеристик (параметра Ангстрема, АОТ поглощения и экстинкции) в аридной зоне Таджикистана.

2. Анализ оптических и микрофизических характеристик пылевого аэрозоля, восстановленных по измерениям АОТ на автоматической станции сети AERONET в г. Душанбе: функции распределения размеров частиц аэрозоля (ФРРЧ), альбедо однократного рассеяния (АОР) и показателя поглощения частиц.

3. Анализ вариации содержания водяного пара с изменением концентрации пылевого аэрозоля;

4. Выявление физических механизмов, определяющих характеристики и динамику пространственно-временной изменчивости пылевого облака во время пылевых вторжений в горной долине.

5. Оценка влияния параметров пылевого аэрозоля на динамику и тепловой режим атмосферы при пылевых вторжениях.

Научная новизна работы состоит в том, что впервые:

1) Изучены дневные, месячные и сезонные вариации АОТ на частотах сети
AERONET, влагосодержания и параметра Ангстрема в горной долине.

2) Обнаружена связь динамических процессов в пылевом облаке
(перемешивание, осаждение, коагуляция и обводнение частиц) с изменением
оптических и микрофизических параметров аэрозоля.

3. Проанализированы корреляции температуры воздуха с оптическими и микрофизическими параметрами пылевого аэрозоля.

4. Установлено, что эффект быстрого осаждения пыли и равномерное перемешивание аэрозольного слоя обусловлены явлением двойной диффузии.

Научная и практическая значимость.

Полученные в работе данные найдут применение при изучении радиационных эффектов пылевого аэрозоля в атмосфере аридной зоны, при определении параметров природного пылевого аэрозоля, при моделировании переноса излучения в атмосфере и климатических изменений.

Результаты работы будут применяться для интерпретации данных спутникового и лидарного зондирования атмосферы; для мониторинга аэрозоля и изучения динамики трансформации и перемещения аэрозоля в атмосфере.

Установление механизма динамики осаждения и перемешивания аэрозольных частиц создает возможность достоверно описать процессы формирования, трансформации и разрушения пылевого облака и других атмосферных и технологических аэродисперсных систем.

Основные положения, выносимые на защиту

1.Дневные, месячные и сезонные вариации АОТ, полученные на станции

AERONET в г. Душанбе, а также характеристики пылевого аэрозоля,

восстановленные из данных AERONET (параметр Ангстрема, ФРРЧ,

комплексный показатель преломления, АОР), при различной концентрации

аэрозоля.

2.Выявление факторов, определяющих эффект аэрозольного охлаждения

атмосферы при пылевой мгле

3. Установление механизма быстрого осаждения аэрозоля в горной долине

4. Факторы, определяющие дневной и сезонный ход содержания водяного пара и размеров частиц при различной запыленности воздуха.

5. Модель динамических процессов в природных аэродисперсных системах в стратифицированной атмосфере.

Достоверность полученных результатов обеспечивалась большим объемом экспериментальных данных, полученных с высокой степенью регулярности, систематическими калибровками приборов, использованием современных методик измерений и обработки результатов. При экспериментальных измерениях наблюдалась статистическая повторяемость результатов, а ошибки измерений были значительно меньше самих измеряемых величин и их интегральных изменений в процессе эксперимента. Большая часть данных, полученных на станции AERONET, соответствует самому высокому уровню достоверности (level 2.0). Обсуждаемые в работе результаты анализа дополняют и согласуются с данными других исследователей и не противоречат существующим представлениям о динамике пылевого аэрозоля в аридной зоне.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на XVII-ом Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана, Физика атмосферы» (Томск, 2011 г.), Международной конференции по «Физике конденсированных систем» (Душанбе 2006, 2007, 2009, 2011 гг.), III-ем Международном семинаре DUST-2008 (Германия, Лейпциг, 2008 г.), второй Международной конференции «Аэрозоль и глобальное изменение климата», семинаре AERONET и MODIS (КНР, Ханчжоу, 2009 г.) и на Международной конференции “Современные проблемы физики” (Душанбе, 2010, 2011 гг.).

Личный вклад соискателя. Автор участвовал в проведении измерений спектров АОТ, в обработке полученных данных и анализе результатов экспериментальных исследований параметров природного пылевого аэрозоля. Основные результаты диссертационной работы, их интерпретация и соответствующие заключения выполнены автором лично.

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 21 научной публикации, в том числе: 14 статей в реферируемых журналах, 7 в материалах международных и республиканских научных конференций.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Ее общий объем составляет 104 страницы текста, включая 42 рисунка, 1 таблицу и список литературы, состоящий из 133 библиографических ссылок.

Особенности природного пылевого аэрозоля в г.Душанбе

Аэродисперсные системы, представляющие собой взвесь частиц твердой или жидкой дисперсной фазы в газовой среде, чаще всего в воздухе, широко распространены в природе и среде деятельности человека. Особенности микрофизических (большая граница раздела фаз) и оптических (сравнимые размеры частиц и длины волны) свойств, различная динамика движения газовой и конденсированной фаз делают аэродисперсные системы очень трудными для исследований. Пылевой аэрозоль является очень удобным объектом для изучения, поскольку позволяет ограничиться методами наблюдения при очень широком разнообразии явлений, происходящих в запыленной атмосфере. Поскольку интенсивность солнечного излучения зависит от прозрачности запыленного воздуха, то атмосферный аэрозоль изменяет характеристики проходящего света, а также оказывает существенное влияние на радиационно-климатические процессы в атмосфере [22-53]. Это позволяет использовать методы измерения оптических свойств аэрозоля для изучения динамики процессов в аэродисперсных системах и определяет необходимость изучения его микрофизических и оптических характеристик в запыленной атмосфере.

Аэрозольное поглощение зависит от метеорологических факторов, географического положения, характера подстилающей поверхности, а также от природных и антропогенных источников поступления аэрозоля в атмосферу. Требования к методам мониторинга аэрозоля таковы, что наблюдения должны быть быстрыми, автоматическими, не разрушающими наблюдаемую среду. Для систематического и комплексного экспериментального исследования характеристик атмосферного аэрозоля наиболее эффективны методы фотометрии прямого и рассеянного солнечного излучения.

Приборные исследования природных аэрозольных систем с помощью измерения поглощения и рассеяния солнечного света проводятся уже несколько десятилетий. Результаты измерений коэффициентов аэрозольного ослабления () в диапазоне длин волн =0.44–11.5 мкм в дымках аридной зоны Казахстана в 1984-1988 гг., статистические характеристики коэффициентов () и метеопараметров атмосферы для трех сезонов года (весна, лето, осень) приведены в работе [23]. Обнаружена сезонная трансформация спектров () и дана ее физическая интерпретация. На основе оптико-метеорологических параметров атмосферы аридного района в [8] проанализирована суточная изменчивость коэффициентов аэрозольного ослабления в видимом и ИК - диапазонах длин волн для тех же трех сезонов года. В дымках весной и осенью наиболее выражена изменчивость коэффициентов аэрозольного ослабления в суточном цикле отмечается только в видимом диапазоне длин волн, а в летних дымках во всем диапазоне длин волн от 0.44 до 4 мкм. Обсуждены физические механизмы, формирующие суточную изменчивость аэрозольного ослабления в условиях аридного района.

В [25] проведен анализ архивных данных по спектральной прозрачности атмосферы и направленным коэффициентам светорассеяния в Юго-Восточном Казахстане. Выделены три основные группы данных, соответствующие устойчивости оптических параметров атмосферы, постепенному увеличению мутности с уменьшением атмосферной массы и скачкообразным вариациям АОТ. При анализе наблюдательных данных авторы учитывают эффекты поглощения света, многократного рассеяния и отражения радиации от подстилающей поверхности. В [28] обсуждаются характеристики пространственно-временной изменчивости АОТ и влагосодержания атмосферы в Дальневосточном регионе по данным многолетних наземных (AERONET) и спутниковых (MODIS) наблюдений. Максимальные значения т(0.5мкм)=0.38 наблюдаются в мае. Выявлены и сопоставлены особенности синоптических квазипериодических вариаций в различных пунктах измерения.

В многолетних измерениях прозрачности атмосферы в диапазоне 0.37-4 мкм в [31] изучались закономерности дневного изменения характеристик АОТ и влагосодержания атмосферы в г.Томске, что позволило авторам определить количественные характеристики среднего дневного хода спектральных АОТ и параметров Ангстрема для различных атмосферных условий и предложить эмпирическую модель дневного хода АОТ атмосферы, основанную на использовании среднедневных значений параметров Ангстрема.

В работе [31] на основе многолетних наблюдений в г.Томске (с 1995 г., в диапазоне спектра 0,37-4 мкм) и других районах азиатской части России (2003-2008 гг.) прослежен годовой ход спектральной аэрозольной оптической толщи (АОТ) атмосферы. Показано, что максимумы АОТ наблюдаются в апреле (0,19 в области 0,5 мкм) и в июле, локальный минимум в июне (менее 0,16) и минимальные значения осенью (0,12). Показатель Ангстрема выше в теплый период (максимум в июле) и ниже -зимой. Отмечена близость сезонной изменчивости аэрозольного замутнения в трех районах Сибири, и предложен средний для Сибири годовой ход характеристик АОТ атмосферы. Приведены средние величины оптических и микрофизических характеристик аэрозоля атмосферной толщи для характерных периодов внутригодовой изменчивости АОТ.

По результатам измерений на аэрозольной станции ИОА СО РАН (г. Томск) в 1997 - 2008 гг., изучена сезонная изменчивость суточного хода массовой концентрации сухой основы субмикронного аэрозоля и сажи в приземном слое [51]. Установлено, что форма суточных ходов аэрозоля и сажи одинакова для всех сезонов года и содержит утренний и вечерний максимумы, ночной и дневной минимумы. Максимумы в суточном ходе концентрации аэрозоля сближаются в зимние и раздвигаются в летние периоды.

В статье [48] исследовано влияние города на аэрозольные характеристики атмосферы. Измерения, проводившиеся на аэрозольной станции в городе Томске и в обсерватории «Фоновая», в 60 км от города. Весной и осенью показали, что концентрации аэрозоля в городе выше в 1.7 раз в весенний период и в 1.1 раза осенью, а сажи в 2 раза и в 1.8 раз, соответственно. Максимальное различие (в 3 раза) наблюдается в период вечерне-ночного максимума.

Устойчивость формы суточного хода содержания сажи в различные сезоны года является показателем устойчивой суточной динамики коэффициента аэрозольного поглощения в видимой области спектра. Некоторые отличия суточного хода концентраций аэрозоля и сажи позволяют предположить присутствие определенной доли сажи в виде смеси. В безоблачной атмосфере отчетливо проявляются все экстремумы суточных ходов аэрозоля и сажи, однако в сплошной облачности суточные ходы сглаживаются. При этом утренний максимум аэрозоля становится статистически не значимым в различные сезоны года.

Функция распределения частиц по размерам связана с составом аэрозольных частиц, изменяющимся за счет коагуляции, конденсации и гетерогенных реакций [57-59]. Комплексные исследования состава, дисперсности и других свойств пылевого аэрозоля были проведены в ходе советско-американского эксперимента по изучению аридного аэрозоля [60]. Самолетные измерения аэрозольного рассеяния в ходе этого эксперимента и сейчас остаются единственными исследованиями такого рода, проведенными в Таджикистане [12]. При высокой прозрачности атмосферы основными компонентами аэрозольного вещества являются сульфат аммония, сажа и нитраты, при пылевых бурях (ПБ) - карбонаты и силикаты почвенного происхождения. Кроме того в пыли много кварца и щелочных элементов. ФРРЧ атмосферного аэрозоля восстанавливались по данным измерений индикатрис яркости солнечного ореола. При пылевой мгле (ПМ) при очень широком распределении размеров частиц образуется мода в области 3 мкм.

Исследование динамики аэродисперсных систем проводится, как правило, в лабораторных условиях, ограничиваясь случаями осаждения пылевого аэрозоля по закону Стокса или наблюдая движение тяжелых сальтирующих частиц у поверхности почвы [93-96]. Теоретический анализ с использованием методов газовой динамики проводится, как правило, для аэродисперсных систем с высокими скоростями и концентрациями частиц [97-100]. Оба этих случая практически не могут реализоваться для микронных и субмикронных частиц пылевого аэрозоля, которые движутся в воздухе ламинарно, но могут осаждаться очень быстро, либо, напротив, не осаждаться длительное время. Достаточно хорошо теоретически изучен в настоящее время механизм тепловых конвективных процессов в атмосфере [101-103].

Измерение параметров атмосферного аэрозоля на станциях сети AERONET

Динамика изменения среднемесячных значений параметра Ангстрема (рис.3.10б) оказалась более сложной, чем соответствующая динамика АОТ (рис.2.3). Параметр Ангстрема позволяет судить о соотношении вклада субмикронных и грубодисперсных частиц в аэрозольное ослабление. Значения, близкие к нулю, означают преобладание крупных частиц, в случае, когда А 1, велика доля мелкодисперсных частиц. Высокая доля мелких частиц в зимнее и весеннее время и высокая доля крупных частиц летом и осенью, в период множественных пылевых эпизодов, ещё, не означает, что эти события происходят единообразно из года в год. Как видно на рис.10, в январе-феврале наблюдается минимум содержания водяного пара и максимум параметра Ангстрема, то есть преобладает субмикронная фракция частиц. Скорее всего, максимум параметра Ангстрема в этот период связан с выбросами четырех ТЭЦ и отопительных систем населения в зимнее время. В июне-августе наблюдаются высокие значения содержания водяного пара и минимальные значения параметра Ангстрема, что означает преобладание в атмосфере крупнодисперсных частиц, в том числе за счет трансграничного переноса пыли из сопредельных государств.

Определены статистические параметры параметра Ангстрема, изменяющегося в интервале 0.47 – 1.58. Среднее значение составляет 0.887, стандартное квадратичное отклонение =0.056, а коэффициент вариации VА = 0.063.

Между изменением среднемесячных значений параметра Ангстрема и влагосодержания воздуха имеется обратная корреляция, что отчетливо видно на рис.3.10, коэффициент корреляции концентрации водяного пара с параметром Ангстрема составляет r= -0.77. Содержание водяного пара всегда имеет максимум летом и минимум – зимой, эта особенность повторяется для всего периода наблюдений. Значения параметра Ангстрема имеют максимум зимой и минимум летом, что связано с преобладанием крупных частиц летом и осенью в период вторжения пылевой мглы. Зимой и весной атмосфера относительно чистая и преобладает субмикронная фракция частиц, что приводит к максимальным значениям параметра Ангстрема. Среднесезонные значения параметра Ангстрема для разных лет даны на рис.3.17.

Среднегодовые значения параметра Ангстрема и содержания водяного пара представлены на рис.3.11. За исключением 2011 г. среднегодовые значения влагосодержания воздуха для периода 2010-2013 годы близки друг другу. Годовое изменение содержания водяного пара имеет минимум в 2011 году. Рис.3.11. Нормированные среднегодовые значения содержания водяного пара (w) и параметра Ангстрема (A).

Изменение среднегодового значения параметра Ангстрема имеет максимум в 2011 году с монотонным спадом в оба направления. Это означает, что в 2011 году в атмосфере было меньше пыли, чем в другие годы исследований. На рис.3.11 можно видеть, что среднегодовые значения влагосодержания и параметра Ангстрема изменяются практически в противофазе: когда один параметр увеличивается, то другой уменьшается, и наоборот. Чем меньше влажность, тем более крупные частицы находятся в аэрозоле, тем выше параметр Ангстрема. Конденсация водяного пара на крупных частицах приводит к их быстрому вымыванию из атмосферы. Та же закономерность проявляется и при сопоставлении среднемесячных значений параметра Ангстрема и влагосодержании воздуха за 2012 и 2013 годы (рис.3.10). Чем выше влажность, тем ниже параметр Ангстрема. Чем более влажный сезон, тем крупнее частицы аэрозоля.

Интересное поведение имеют корреляции АОТ с содержанием водяного пара и с параметром Ангстрема для различных длин волн (в УФ, видимой и ближней ИК - области спектра), представленные на рис.3.12. АОТ имеет положительную корреляцию с содержанием водяного пара и отрицательную корреляцию с параметром Ангстрема. Наблюдаются противофазные изменения корреляционных зависимостей. Коэффициент корреляции АОТ на длине волны 500 нм с содержанием водяного пара составляет r= 0.508, а с параметром Ангстрема r= -0.603. Это можно наблюдать даже по изменению среднемесячных значений изучаемых величин (рис.3.10). Сезонные факторы при этом определяются, прежде всего, температурой воздуха.

Водяной пар – это важнейшая газовая составляющая атмосферы, которая влияет на динамику природных дисперсных систем. Аэрозольные частицы являются зародышами для образования водяных капель, обводнение частиц меняет как их размеры, так и оптические и химические свойства. В динамике пылевого аэрозоля быстрее всего отражаются изменения содержания водяного пара.

На станциях сети AERONET сильная полоса поглощения водяного пара 0.94 мкм, используется для определения полного содержания водяного пара в атмосфере. Влагосодержание столба атмосферы приводится в виде толщины осажденного слоя водяного пара, и измеряется в сантиметрах. Для повышения надежности результаты отдельных измерений предварительно усреднялись по часовым промежуткам времени. При увеличении температуры на каждые 10С возможное содержание водяного пара в воздухе почти удваивается. При пылевой мгле также происходит рост содержания водяного пара в атмосфере. Способность водяного пара задерживать солнечное излучение также возрастает, что приводит к дополнительному повышению температуры, но облачность возрастает очень слабо, так что этот фактор не может вызвать сильного увеличения отражения солнечной энергии облаками и изменения теплового баланса.

На рис.3.13 представлены результаты измерений содержания водяного пара для различной запыленности воздуха: для дня с фоновой запыленностью (пылевая дымка), для ясного дня (после осаждения пыли) и при сильной пылевой мгле. Дневной ход содержания водяного пара (рис.3.13) во многом повторяет ход АОТ в соответствующие дни (рис.2.3). Причиной этого, в частности, может быть и наличие в восстановленных значениях W некоторого вклада от аэрозольного ослабления, поскольку ход АОТ в запыленном воздухе на всех длинах волн очень близок (рис.2.2), в том числе, и на длине волны водяного пара =940 нм. Ход W при пылевой дымке имеет широкий дневной минимум, как и во многих результатах других авторов.

Вариации показателя поглощения аэрозольных частиц

Эффект двойной диффузии в запылённой атмосфере позволяет объяснить наблюдаемые оптические и микрофизические свойства пылевого аэрозоля. Для этого следует выявить достаточно полно изученные эффекты двойной диффузии в динамике природных дисперсных систем. Понимание физической природы происходящих явлений позволяет правильно интерпретировать результаты измерений свойств пылевого аэрозоля, в частности, полученных на станции AERONET.

Чем больше размер частиц, чем больше градиент концентрации частиц, тем быстрее они осаждаются. Однако за счет более высокого коэффициента диффузии субмикронная фракция частиц вовлекается в конвективное осаждение более крупных частиц, причем происходит коагуляция в сдвиговом потоке [2]. Этот механизм может объяснить уменьшение мелкой фракции частиц во время пылевых вторжений (рис.3.1, 3.2). Появление минимумов в дневном ходе АОТ (рис.2.3, 2.4), очевидно, обусловлено ускорением осаждения пылевого аэрозоля в слое приземной инверсии. В чистой атмосфере наблюдается уменьшение АОТ за счет уменьшения поглощения света мелкодисперсным аэрозолем утром и вечером, что соответствует утренней и дневной приземной инверсии. Для более крупного фонового аэрозоля широкий минимум АОТ обусловлен также и уменьшением поглощения частицами, в том числе и за счет их коагуляции.

Уменьшение влагосодержания в середине дня в условиях фоновой запыленности (рис.3.13в, 3.14а, 3.19а), очевидно, связано с конденсацией водяного пара в остывающем воздухе, находящемся в нисходящих конвективных ячейках. Обводненные частицы и капли воды коагулируют и осаждаются, унося аэрозоль и водяной пар из атмосферы. Механизм переконденсации [2, 11, 96] приводит к тому, что крупные частицы-капли увеличиваются, а содержание водяного пара и мелких капель уменьшается. Вследствие этого в середине дня при слабой пылевой дымке может наблюдается минимум как относительной влажности у поверхности земли [8], так и содержания водяного пара в столбе атмосферы.

В сухом воздухе или в ненасыщенном водяном паре увеличение размеров частиц в конвективных ячейках происходит в основном, видимо за счет коагуляции частиц, концентрация которых повышается в центре ячеек, где скорость течения наибольшая (как и при течении в трубах). В насыщенном воздухе, по мере роста бидиффузионных конвективных ячеек вниз, в более холодную область, могут возникнуть условия насыщенности водяного пара при охлаждении запыленного воздуха, поскольку влагосодержание запыленного воздуха значительно выше, (см. рис.6). Тогда водяной пар будет конденсироваться на частицах аэрозоля. Слипание обводненных частиц может происходить уже по более эффективному механизму коалесценции, происходящему за счет уменьшения поверхностного натяжения, который характерен для капель воды и обеспечивает рост капель дождя и тумана [11]. Подтверждением тому, видимо, служит то, что пылевые эпизоды часто завершаются коротким дождем, даже в самый сухой летний период.

Соответствует описываемой модели и дневной ход влагосодержания, полученный на станции AERONET (рис.3.13), который, в основном, повторяет ход АОТ. Уменьшение влагосодержания в середине дня в условиях фоновой запыленности (пылевая дымка) [13], очевидно, связано с конденсацией водяного пара в остывающем воздухе в нисходящих конвективных ячейках (рис.6в). Капли воды и обводненные частицы, коагулируя и коалесцируя, осаждаются, унося аэрозоль и водяной пар из атмосферы. При нарушении условий для двойной диффузии (исчезает приземная температурная инверсия), конвективные ячейки распадаются, когда воздух согревается, и конденсированная вода начинает испаряться, – влагосодержание вновь начинает возрастать. В ходе пылевых эпизодов может нарушаться другое условие двойной диффузии – исчезает вертикальный градиент концентрации пыли, поскольку пылевое облако достаточно однородно по высоте. При подавлении процессов двойной диффузии дневные минимумы АОТ и влагосодержания исчезают.

Пылевые вторжения происходят с юга Таджикистана, где более высока температура воздуха, а значит, выше его влагосодержание, поэтому частицы пылевого аэрозоля приходят с повышенной увлажненностью. Поскольку в запыленном воздухе остается больше тепла, то вода испаряется и влагосодержание повышается. Формирование однородного градиента концентрации также происходит по механизму двойной диффузии, поскольку каждый кусочек запыленного облака, даже высотой в 1 см, для которого выполняются условия двойной диффузии, будет оседать быстрее, чем его окружение. Хотя скорость гравитационного осаждения частиц аэрозоля мала, но ячейки осаждающейся пыли всё равно выходят за пределы той области, где первоначально возникли «пылевые пальцы». Поэтому область существования нестабильной стратификации распространяется как вверх, так и вниз от начала «пальца», лишь бы температура была стабильно стратифицирована.

Описанная модель конвективного осаждения аэрозоля показывает, что разрушение приземной температурной инверсии происходит не только снизу, за счет прогрева поверхности почвы, но и сверху, за счет «пылевых пальцев». При этом поток тепла из слоя над инверсией обеспечивает значительную часть повышения приземной температуры воздуха в ночное время [129-131]. По этой же причине, инверсия в свободной атмосфере, располагающаяся на некоторой высоте над поверхностью и часто служащая границей для распространения аэрозольных частиц вверх, исполняет это, не только нарушая тепловую конвекцию вверх, но и создавая поток бидиффузионной конвекции вниз при неустойчивом распределении концентрации аэрозоля по высоте. Градиенты температуры в инверсиях в свободной атмосфере значительно ниже, чем в приземной инверсии. Это создает в них условия для образования хорошо перемешанных «пальцевых» диффузионных слоев [10], которые «замораживают» инверсионный слой, не позволяя ему опускаться или разрушаться, а также делают его естественным препятствием для распространения аэрозоля вверх.

Динамика изменения параметра Ангстрема

Подчеркнем еще раз, что сдвиг на более позднее время последствий мощной утренней инверсии и образование широкого дневного минимума АОТ и концентрации приземного аэрозоля обусловлены именно инертностью достаточно крупных частиц. Эти частицы, опускаясь в более холодные слои воздуха в сформировавшихся на верхней границе инверсионного слоя конвективных ячейках, коагулируют, и на них конденсируется водяной пар.

Подтверждением тому, по-видимому, могут послужить результаты измерения дневного хода содержания озона в запыленном воздухе (рис.4.5). В этом случае одновременно могут действовать три диффузионных процесса: термодиффузия, диффузия озона и аэрозоля. Многокомпонентные диффузионные явления возникают, например, в случае солевых растворах с растворенным углекислым газом [141]. Содержание озона, обладающего гораздо меньшей инертностью, существенно повышается в предутренние часы, когда образуется приземная инверсия, а затем резко падает. Можно предположить, что за счет образования бидиффузионных конвективных ячеек практически весь озон из инверсионного слоя высотой более 600 метров достигает поверхности Земли, и содержание приземного озона падает почти до нуля, поскольку генерация озона утром в запыленном воздухе существенно замедлена. И только потом, при возрастании солнечной радиации и росте температуры воздуха за счет фотохимических реакций содержание озона вновь возрастает. Запыленность атмосферы приводит к подавлению конвективных процессов, и снижению генерации озона за счет понижения температуры воздуха и солнечной радиации. Возможно также усиление стока озона на частицах аэрозоля в конвективных ячейках [142].

Распространение пылевого аэрозоля, находящегося в диффузионных слоях, по горизонтали в направлении градиента концентрации происходит, возможно, кроме перемещения со сменой воздушных масс, также и по бидиффузионному механизму, аналогичному термохалинной интрузии (когда изоконцентрационные горизонтальные слои расползаются на той же высоте) в солевых растворах [17-19, 113]. Даже при постоянной массовой концентрации аэрозоля этот процесс может протекать за счет отличия коэффициентов диффузии крупных и мелких частиц. Экспериментально эти явления в атмосфере не наблюдались с высокой степенью достоверности, в частности, из-за сложности одновременного высокоточного измерения температуры воздуха и концентрации пыли. Однако заключение, что во время пыльных бурь турбулентное перемешивание обеспечивает однородность аэрозоля в горизонтальном направлении, говорит, скорее всего, о перемешивании (stirring, mixing) именно по механизму двойной диффузии, который, как показано в океанологии, во многих случаях эффективнее, чем сдвиговая (shear) турбулентность. Описанная выше модель динамических процессов в аэродисперсных системах полностью применима и к водным аэродисперсным системам, стратифицированным по температуре и концентрации водяных капель. Устойчивость и однородность облачных слоев, в одном случае, и образование водяных струй ливневого дождя в конвективных ячейках типа «соляных пальцев» в другом – являются, очевидно, проявлениями эффекта двойной диффузии. Поэтому как при теоретическом, так и экспериментальном изучении всех явлений в стратифицированной атмосфере следует учитывать этот факт.

Оценочный расчет параметров задачи дает условия возникновения бидиффузионной конвективной неустойчивости в аэродисперсных системах. Известные уже закономерности двойной диффузии позволяют объяснить изменения аэрозольных дисперсных систем. Установление физического механизма явлений, происходящих в инверсионном температурном слое атмосферы, дает возможность оценивать параметры соответствующих динамических процессов, а также вести их мониторинг, например, по данным AERONET.

Основным результатом диссертации является создание на основе анализа экспериментальных данных, полученных при участии автора, и теоретических представлений о гидродинамической неустойчивости в двухфазных системах, модели, описывающей динамику природных аэродисперсных систем. Выявлены и описаны закономерности изменения измеряемых на станции AERONET параметров пылевого аэрозоля, а также предложена физическая интерпретация экспериментальных параметров с помощью эффектов двойной диффузии.

Научные результаты и выводы, отражающие наиболее существенные положения диссертационной работы, состоят в следующем.

1. Исследована динамика параметров природного пылевого аэрозоля путем измерений вариации АОТ, влагосодержания и параметра Ангстрема при различной запыленности атмосферы на станции AERONET. При ПВ дневной ход АОТ отражает процессы перемешивания и осаждения пыли. С ростом доли крупнодисперсной фракции АОТ возрастает, а параметр Ангстрема уменьшается.

2. Анализ изменения показателя поглощения k аэрозоля, восстанавливаемого из данных AERONET при различной концентрации и дисперсном составе пыли, показал, что этот параметр имеет качественный характер и отличается от истинного показателя поглощения вещества аэрозольных частиц.

3.Установлено, что эффект аэрозольного охлаждения атмосферы обусловлен увеличением рассеяния света на крупных частицах и уменьшением количества поглощающих субмикронных частиц за счет их коагуляции и осаждения вместе с более крупными частицами в конвективных ячейках типа «пылевых пальцев». АОР аэрозоля с ростом запыленности изменяется от 0.03 до 1. Отношение АОТ экстинкции к АОТ поглощения в фоновой атмосфере в ближней ИК области спектра составляет 7-9, а в УФ области – 7.3-7.5. При ПВ это отношение составляет 42-46 в ближней ИК и 12-13 в УФ - области спектра.

4. Установлено, что динамика пылевого облака в горной долине обеспечивается механизмом эффекта двойной диффузии при вкладах противоположного знака в плотность дисперсной системы от градиентов температуры воздуха и концентрации частиц.

5. Показано, что уменьшение влагосодержания при пылевой дымке в первой половине дня обусловлено конденсацией водяного пара в конвективных ячейках, образующихся в приземной инверсии по механизму двойной диффузии. Содержание водяного пара в атмосфере в период пылевой мглы увеличивается до двух раз. Летом влагосодержание в 2.3 - 3.6 раза больше, чем зимой.

6. Исчезновение в атмосфере при ПВ субмикронных частиц аэрозоля обусловлено их коагуляцией в условиях сдвигового течения при осаждении по механизму двойной диффузии в приземном слое температурной инверсии.

7. Динамические процессы в природных аэродисперсных системах, в том числе определяющие устойчивость и однородность облачных слоев, образование струй дождя, являются проявлениями эффектов двойной диффузии. Образование горизонтальных диффузионных слоев и быстрое перемешивание аэрозоля происходит при нормальной стратификации воздуха, а эффект «соляных пальцев» и быстрое осаждение пыли реализуется в случае приземной инверсии и инверсий в свободной атмосфере.