книги из ГПНТБ / Непреднамеренные воздействия на климат. Результаты исследования влияния человека на климат [коллектив. моногр

изменение среднего глобального альбедо в зависимости от измене­ ния общего числа частиц для различных альбедо. Некоторые из их результатов приведены на рис. 8.6, где глобальное альбедо нанесено в зависимости от коэффициента мутности ß, который при принятых предложениях зависит только от общего числа частиц.

Рисунок 8.6 указывает на то, что увеличение массы частиц увеличивает глобальное альбедо и, таким образом, способствует охлаждению планеты. Этот рисунок также иллюстрирует резуль­ таты расчетов по более сложной модели, при реализации которой

А0или А

Рис. 8.6. Глобально осредненное ,

альбедо при безоблачной (До) и облачной (А) атмосфере как функ­

ция ß [96].

Для определения А используется

соотношение

А = пА обл+ (1 — п)А о,

где Д 06л — альбедо облаков, А 0—

альбедо при безоблачной, но за­ мутненной атмосфере, п — часть

неба, покрытая облаками; ЛПов — альбедо поверхности, т — показа­

тель преломления.

принимались средняя глобальная величина альбедо и среднее коли­ чество облаков над земным шаром. Случай, изученный Ямамото и Танака, наиболее реалистичен. Их вывод о том, что увеличение числа атмосферных частиц способствовало бы охлаждению пла­ неты, является весьма убедительным.

Однако следует помнить, что в этих расчетах используется предполагаемый показатель преломления; натурных же измерений показателей преломления и коэффициентов поглощения атмосфер­ ных частиц, как уже упоминалось, сделано очень мало (см. п. 8.7.1). Альтернативная проверка предположений может быть осуществлена путем измерения восходящих и нисходящих потоков солнечной ра­ диации над слоем частиц и под ним (можно также использовать источник искусственной радиации). Рисунок 8.7, любезно предостав­ ленный Робинсоном, иллюстрирует некоторые результаты этого метода. Измеренные величины коэффициентов поглощения и обрат­ ного рассеяния слоя частиц в атмосфере нанесены на диаграмму (основано на модели Атватера [1]), которая показывает для двух

188

различных величин альбедо поверхности, будет ли слой увеличивать или уменьшать глобальное альбедо. Насколько можно судить по диаграмме, частицы, образовавшиеся в результате сильного про­ мышленного загрязнения, могли бы уменьшить глобальное альбедо. Для более точного суждения необходимо дальнейшее измерение характеристик частиц.

Рис. 8.7. Связь коэффициента поглощения с ко­ эффициентом обратного рассеяния слоя частиц для двух значений альбедо поверхности [76].

1— альбедо поверхности 0,15, 2— альбедо поверхности 0,75; А — Кью, летний полдень, Б— Уолдрам, индуст­ риальная мгла.

Ямамото и Танака вычислили также понижение эффективной радиационной температуры Земли, соответствующее рассчитанному ими изменению альбедо. Результаты их расчетов показаны на рис. 8.8 в виде АТэфф- Они также использовали эмпирическую гло­ бально осредненную модель Будыко [10] для расчета соответствую­ щего изменения температуры поверхности. Результаты этих расче­ тов также нанесены на рис. 8.8 (АГПов). Их следует принимать с теми же оговорками, которые были сделаны выше относительно результатов применения эмпирических параметризованных и

189

глобально осредненных моделей (см. п. 6.4). Тем не менее они де­ монстрируют, как важно знать оптические свойства частиц, ко­ торые человек выбрасывает в атмосферу.

Рис. 8.8. Понижение эффективной радиационной температуры и температуры поверхности как функ­ ция мутности атмосферы ß [96]. Эффективная ра­ диационная температура определяется как

где S — поток солнечной радиации, А — планетар­ ное альбедо, о — постоянная Стефана—Больцмана.

Температура поверхности находится из выражения

ЧАСТИЦЫ И ИНФРАКРАСНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Эффективная радиационная температура планеты зависит только от количества поглощенной радиации. В далекой инфракрас­ ной области свойства любого вещества, которое может находиться в чистой или загрязненной атмосфере, никак не влияют на эту температуру. Однако эти же свойства непосредственно воздей­ ствуют на распределение температуры в атмосфере: частицы, воз­ можно, вносят вклад в «парниковый» эффект, приводя к нагрева­ нию поверхности и к компенсирующему охлаждению вышележащих слоев атмосферы. Действительное влияние зависит сложным обра­ зом от термической структуры атмосферы в данном конкретном

190

случае. Ряд исследователей опубликовал результаты расчетов влияния частиц на радиацию [1, 39, 46, 50, 72]; общий вывод всех работ состоит в том, что аэрозольные частицы в атмосфере влияют на поле инфракрасной радиации меньше, чем на солнечную радиацию, и что «парниковый» эффект частиц едва ли может ком­ пенсировать охлаждение поверхности, возникающее из-за ослабле­ ния солнечной радиации, за исключением районов с очень сильным промышленным загрязнением в высоких широтах.

Однако поскольку альбедо поверхности, размеры и число частиц в атмосфере сильно колеблются, глобально осредненные модели могут быть не пригодны для оценки общего влияния частиц на глобальное альбедо. Моделирование влияния частиц на радиацион­ ный баланс следует производить на более сложных моделях, учиты­ вающих распределение частиц, альбедо поверхности, облачность и приходящую солнечную радиацию над всем земным шаром

(см. п. 6.5.4).

8.7.3. Изменение свойств облаков

ОБРАЗОВАНИЕ ОБЛАКОВ

Все облачные элементы образуются путем конденсации водя­ ного пара на аэрозольных частицах. Облака могут состоять из ка­ пель воды, кристаллов льда или из смеси тех и других. Частицы отличаются друг от друга. В зависимости от процесса облакообразования одни бывают активными, другие — нет.

ВОДЯНЫЕ ОБЛАКА

Водяные облака образуются при относительной влажности воз­ духа выше 100% путем конденсации водяного пара на соответству­ ющих частицах. Поскольку конденсация уменьшает содержание водяного пара, относительная влажность не поднимается намного выше 100%- По этой причине большинство частиц в воздухе обычно не становится облачными каплями.

Точное значение относительной влажности, достигаемое в данной ситуации, зависит от степени охлаждения и от количества ядер, становящихся активными при различных значениях относительной влажности, однажды превысившей 100%. Однако число активных ядер не изменяется быстро с изменением относительной влажности, и при таких обстоятельствах можно показать, что зависимость от степени охлаждения слабая; доминирующее влияние оказывают те частицы, которые являются активными ядрами конденсации при относительной влажности меньше 101%. Величина относительной влажности 101% представляет собой верхний предел относительной влажности при наиболее реальных условиях в атмосфере. Частицы, которые оказались активными при влажности ниже 101%, опреде­ ляют число облачных капель; их называют облачными ядрами. Количество таких ядер находят путем подсчета числа капель,

191

образовавшихся в пробе воздуха определенного объема при отно­ сительной влажности 101% или ниже.

Соотношение между концентрацией облачных ядер и концентра­ цией облачных капель достаточно надежно было установлено прямым сравнением; таким образом, измеряя число ядер конденса­ ции, мы можем с некоторой уверенностью предсказать число облач­ ных капель.

СМЕШАННЫЕ ОБЛАКА

Были найдены частицы, которые обладают свойством, находясь в облачных каплях, способствовать их замерзанию; эти частицы называют ледяными ядрами. Ледяные частицы начинают образовы­ ваться в той части облака, где температура достаточно низка. Проводились интенсивные измерения ледяных ядер [5д, 4]; в настоя­ щее время обнаружено большое, пока не объясненное несоответ­ ствие между числом ледяных ядер и обычно намного большим числом ледяных частиц, находящихся в облаках [48, 11д, 62]. До тех пор пока это несоответствие не будет объяснено, нельзя пред­ сказать с уверенностью число ледяных кристаллов в облаках.

ЛЕДЯНЫЕ ОБЛАКА

Ледяные облака образуются либо путем замерзания капельно­ жидких облаков — процесс, который часто проходит настолько быстро, что может показаться мгновенным, особенно при темпера­ турах, обычно наблюдаемых на уровне перистых облаков, либо путем сублимации. Полагают, что первый процесс доминирующий, однако для суждения о перистых облаках мы не имеем даже самой элементарной информации.

Однажды образовавшись, ледяные частицы будут существовать при влажности ниже 100% (фактически будут расти) до тех пор, пока влажность не упадет ниже величины для насыщения над льдом. В табл. 8.5 приведены значения относительной влажности для насыщения над льдом при нескольких температурах. Разность между давлением водяного пара над водой и его давлением над льдом может привести к тому, что перистые облака, образовавшиеся в тонком слое, смогут развиться во всем насыщенном по отношению ко льду слое. Этот эффект вместе с широко известным влиянием перистых облаков на многие процессы в атмосфере, о чем неодно­ кратно упоминается в настоящей книге (см. п. 8.7.6), указывает на необходимость больше уделять внимания изучению перистых обла­ ков и наблюдениям за ними.

Таблица 8.5

Относительная влажность при насыщении над льдом [52]

192

ВЛИЯНИЕ ЧАСТИЦ НА СВОЙСТВА ОБЛАКОВ

Частицы могут влиять на состояние облака различными путями:

1.Добавление ядер конденсации увеличивает концентрацию капель и поэтому (при прочих равных условиях) уменьшает сред­ ний размер капель.

2.Добавление ледяных ядер увеличивает концентрацию кри­ сталлов льда в облаке при температурах ниже точки замерзания, если облако еще не полностью замерзло.

3.Добавление ядер сублимации также может способствовать росту облака в воздухе, перенасыщенном по отношению ко льду, даже если по отношению к воде он не насыщен.

4.Введение очень активных, больших растворимых частиц перед образованием облака может в принципе уменьшить содержание

водяного пара настолько, что влажность окажется очень низкой, а активных ядер конденсации станет меньше, чем их было бы без добавления таких частиц.

В настоящее время третий и четвертый из перечисленных эф­ фектов можно не принимать во внимание: третий — из-за малого количества, даже, вероятно, отсутствия ядер сублимации в атмо­

ИСКУССТВЕННОЕ ОБЛАКО И ЛЕДЯНЫЕ ЯДРА

Примеры изменения концентрации ледяных ядер при искусствен­ ных выбросах, особенно от сталелитейного производства, часто приводятся в литературе [79, 83]. Однако выводы противоречивы из-за вышеупомянутого несоответствия между концентрацией ледя­ ных частиц в облаках и измеренными концентрациями ледяных ядер. Добавление ядер замерзания, разумеется, является основой засевания переохлажденных облаков в экспериментах по вызыва­ нию дождя. Однако эти ядра могут сильно изменить микрострук­ туру облака; в облаке может оказаться очень большое число мелких жидких капель и гораздо меньшее число более крупных ледяных частиц.

Упомянутый выше эффект обнаруживали как непосредственным измерением концентрации облачных капель, так и измерениями концентрации ядер конденсации. Варнер и Туоми [89] описали слу­ чай увеличения числа ядер конденсации и облачных капель, вызван­ ного сжиганием сахарного тростника в Квинсленде. Повышенное количество ядер конденсации наблюдается в воздухе, который подвергается промышленно-городскому загрязнению. Десятикрат­ ное увеличение числа ядер конденсации на расстоянии нескольких десятков километров от источника — довольно распространенное явление, но в глобальном масштабе считается, что только несколько процентов ядер конденсации имеет искусственное происхождение [12д, 86]. Однако главный источник ядер конденсации — вероятно, образование частиц в атмосфере из газовых примесей. Поэтому

выпуск газов будет влиять на образование ядер (см. п. 8.3.3). При современном состоянии знаний трудно судить о степени косвенного влияния человека.

Систематические измерения концентрации ядер конденсации, проводимые в Австралии с конца 1968 г., не обнаружили какой-либо тенденции к ее увеличению. Период измерения все еще слишком мал, чтобы можно было заметить какие-либо другие изменения, кроме больших (больше 10% в год). Измерения в различных гео­ графических районах показывают хорошо выраженное влияние кон­ тинентов на концентрацию ядер конденсации (табл. 8.6). Но глав­ ный вклад континентов, кажется, не зависит от населения, и, в частности, непосредственно не зависит от деятельности человека.

Таблица 8.6

Типичная концентрация зародышей облачных капель (при относительной влажности 101%) [86]

Воздух над Южным океаном, характеризующийся небольшим содержанием ядер конденсации, представляется наиболее чувстви­ тельным к глобальному увеличению числа ядер конденсации. Это обстоятельство нельзя упускать из виду при составлении программ слежения за чистотой воздуха непосредственным ли взятием проб или косвенными наблюдениями (например, измерения со спутников коротковолнового альбедо или яркости облаков).

В настоящее время образование ядер конденсации в глобальном

конденсации. Это немного по сравнению, например, с 8 - ІО7 т серы, которая, по оценкам Юнге (см. п. 8.3), ежегодно поступает в атмо­ сферу в результате деятельности человека. Ясно, что даже при современных темпах выбросов в атмосфере находится более чем достаточно материалов для образования ядер конденсации.

8.7.4. Воздействия на облачный покров

Теоретически показано, что облака, содержащие много капелек малого размера, дают дождь не так легко, как облака, содержащие относительно малое число больших капель. Таким образом, увели­ чение числа ядер конденсации могло бы привести к уменьшению вероятности дождя, особенно в районах, где дождь выпадает в ос­ новном из непереохлажденных облаков и где в воздухе содержится мало ядер конденсации. Если поступление водяного пара остается постоянным, то будет увеличиваться облачный покров или толщина облаков (или то и другое). Количественная сторона вышеуказанных

194

процессов пока нам неизвестна. Предстоит выполнить еще много исследований, прежде чем мы поймем эти процессы до конца.

Другой возможный эффект загрязнения частицами имеет обратное направление: если большие растворимые частицы или ак­ тивные ядра замерзания преднамеренно или непреднамеренно вводятся в атмосферу в результате деятельности человека, то может последовать стимулирование осадков или рассеяние облаков, сопро­ вождаемое уменьшением облачного покрова. Однако очень большие растворимые частицы и активные ледяные ядра являются специаль­ ным видом частиц, они не идентичны ядрам конденсации. Много­ численные измерения неоднократно обнаруживали в загрязненных районах большие количества ядер конденсации [12д]; что же каса­ ется специальных видов частиц, то их образование в больших количествах едва ли можно связывать с общим загрязнением атмо­ сферы, во всяком случае это пока не подтверждено наблюде­ ниями [81].

Подводя итог, можно сказать, что отдельные виды загрязнения атмосферы способствуют увеличению облачного покрова. Вместе с тем при определенных условиях облачный покров в загрязненной атмосфере уменьшается. Современное состояние знаний не позво­ ляет оценить степень, с которой облачный покров изменялся или изменяется при общем увеличении загрязнения на земном шаре. Человек может искусственно, но непреднамеренно стимулировать выпадение осадков введением в облако различного рода примесей. К ним относятся: ядра замерзания, содержащиеся, например, в выбросах сталелитейных заводов; йодистое серебро или другие ис­ кусственные ядра кристаллизации, принесенные из районов, где производится преднамеренное воздействие на облака; гигантские частицы, выпущенные из промышленных или сельскохозяйственных источников загрязнения; ядра замерзания, образовавшиеся из про­ дуктов выхлопа разного рода двигателей. Полагают, что эти эф­ фекты в настоящее время не представляют серьезной проблемы. Они могут лишь привести к локальному перераспределению осад­ ков. Следовательно, нет основания ожидать в ближайшее время глобальных климатических эффектов вследствие воздействия на облачный покров.

8.7.5. Загрязнение капель

Загрязнение капель растворимыми и нерастворимыми веще­ ствами может вызвать рост поглощения коротковолновой радиации. Поскольку, согласно измерениям, поглощение облаками в видимой части спектра может быть значительным [75], очень важно выяснить вопрос о том, каким образом коротковолновая радиация может поглощаться в облаке. Вода не в состоянии обеспечить заметное по­ глощение, коэффициент поглощения чистой воды в видимой части спектра слишком мал. Было высказано предположение, что коэф­ фициент поглощения тонких пленок или малых капель, по размерам сравнимых с облачными, больше, чем коэффициент поглощения обычной воды, и что поглощение осуществляют малые частицы

(радиусом около 0,5 мкм), находящиеся внутри облачных капель [17].

Этот важный вопрос может быть решен только путем дальней­ ших измерений радиационных полей и постановки специальных ла­ бораторных исследований. В частности, необходимы лабораторные измерения коэффициента поглощения проб облачной воды, взятых как в загрязненных, так и в более чистых районах и на нескольких уровнях в атмосфере.

Хорошо известен факт, что элементы осадков содержат примеси в широком диапазоне концентраций в зависимости от водности и окружающих условий. Различие в концентрации примеси в морском тумане, с одной стороны, и в лондонском тумане — с другой, ярко иллюстрирует проблему загрязнения капель.

Примеси — газы и частицы — вводятся различными путями

вкапли тумана и облаков, а также захватываются падающими каплями дождя. Жидкая вода капель также играет роль среды,

вкоторой происходят химические реакции (см. п. 8.3.3).

Электролитическую проводимость жидкой воды зависящую от концентрации ионов в каплях, можно рассматривать как индикатор загрязнения капель. Измерения Георги [27] и Мроза [63] в дождящих и недождящих облаках, произведенные в Альпах и на хребте Таунус в ФРГ, а также в туманах Тюрингии, показали, какое коли­ чество примесей содержится в континентальных приземных туманах и вблизи основания облаков, а также как уменьшается концентра­ ция примесей с высотой. Большие значения концентрации вблизи нижней границы облака являются результатом переноса газовых примесей и аэрозолей из загрязненного пограничного слоя атмо­ сферы.

В дождевых облаках можно ожидать увеличения концентра­ ции примеси на 20—40% между основанием облака и подстилаю­ щей поверхностью вследствие захвата примеси осадками и частич­ ного их испарения во время прохождения безоблачной зоны. Результаты измерений указывают на то, что 2/з примесей, содержа­ щихся в дождевой воде у поверхности, попадают в воду во время образования облака и Ѵз — в процессе захвата примеси дождем между облаком и подстилающей поверхностью. Разумеется, это со­ отношение может значительно варьировать в зависимости от степени загрязнения приземного слоя атмосферы.

Величины концентрации сульфатов в облачной воде, измеренные

Самолетные измерения у нижней границы облаков в южной части Англии [66] обнаружили значительные количества сульфатов и других загрязнителей в одном случае (4,1 мг/л S 04 на высоте

196

1950 м, когда самолет удалялся от Бирмингема, следуя курсом по направлению ветра). Полученные результаты показывают, что мы можем считать сильно загрязненными только те облака и туманы, которые наблюдаются в районе достаточно мощных источников за­ грязнения. Чем выше располагаются облака в атмосфере, тем «чище», очевидно, они должны быть. Это находится в полном со­ ответствии с современным представлением о вертикальном распре­ делении газовых примесей и аэрозолей. Продолжение подобных экспериментов должно предусматривать забор облачной воды на различных высотах внутри облаков разных типов.

В отношении загрязнения капель органическими веществами следует обратить внимание на продолжение исследовательских ра­ бот, направленных на выяснение вопроса о механизме захвата органических поверхностных пленок с поверхности океана малень­ кими каплями и частицами морской соли, выбрасываемыми в атмо­ сферу.

8.7.6. Изменение радиационных свойств облаков

СВОЙСТВА ОБЛАКОВ

Облака играют важную роль в глобальном радиационном ба­ лансе, а следовательно, и в формировании климата (см. п. 5.2). Они оказывают сильное влияние на глобальное и локальное альбедо. Хотя глобальное альбедо поверхности обычно колеблется от 0,05 до 0,20, среднее глобальное альбедо составляет около 0,30 из-за вы­ сокой отражательной способности облаков в коротковолновой части спектра.

Облака и туманы поглощают и рассеивают видимую радиацию, поглощают, рассеивают и излучают инфракрасную радиацию. Сте­ пень влияния облаков и туманов на радиационное поле зависит от их вида, состава (вода или лед), толщины, вертикального распре­ деления и, особенно для тонких слоев, от счетной плотности и раз­ мера водяных капель и кристаллов льда, от альбедо и излучатель­ ной способности подстилающей поверхности под ними [8]. Оптически плотные облака излучают практически как абсолютно черное тело (радиационный баланс отличен от нуля только вблизи границ об­ лака). Расчеты показывают, что альбедо таких облаков не сильно зависит от оптической толщины. Введением в атмосферу дополни­ тельных количеств ядер конденсации и замерзания можно стимули­ ровать образование облаков и туманов или ускорять их развитие. Введение ядер может быть следствием как прямого, так и косвен­ ного загрязнения атмосферы человеком [14, 15, 84].

Эти общие соображения, естественно, заставляют рассматривать влияние увеличения концентрации частиц в атмосфере Земли на воз­ можное изменение оптических свойств облаков и их геометрических размеров. Вся известная в настоящее время информация о средней оптической плотности облаков приведена в отчете ИКПОС [81].

197