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

будучи полностью диссоциированным [54, 55, 56]. Таким образом, три естественных источника могут поставлять N0* в стратосферу. Эти две окиси всегда сосуществуют в дневное время [53]. В верх­ ней стратосфере N0 всегда больше, чем NO2 , но в нижней стра­ тосфере их концентрации имеют одинаковый порядок. Двуокись азота измерялась [1 ] методами инфракрасной абсорбционной спек­ троскопии в спектральной линии 3,45 мкм; верхний предел отноше­

и на самом деле она была обнаружена в стратосфере методами инфракрасной абсорбционной спектроскопии [51]. Согласно лабо­ раторной калибровке стратосферного солнечного спектра Миркрея, отношение смеси HN03 имеет порядок 5 -ІО- 9 на высоте около

2 0 км [61].

9.6.ЧАСТИЦЫ В СТРАТОСФЕРЕ

9.6.1.Природа и распределение стратосферных частиц

нием ярких закатов, наблюдавшихся по всему миру. Объяснение этого явления в книге, изданной Королевским обществом в 1889 г., основывалось на влиянии облака из попавших в верхнюю атмосферу маленьких пылевых частиц, которые распространились по всей атмосфере Земли. Кронин [18] и Митчел [50] обратились к та­ кому толкованию явлений, когда в результате извержений Агунга в 1963 г., Аву в 1966 г., Фернандино в 1968 г. и других вулканов в нижнюю стратосферу были введены вулканическая пыль и газы. В 1960 и 1961 гг. Юнге и его сотрудникам [37] одним из первых удалось получить прямые пробы стратосферных пылевых частиц при подъеме воздушных шаров. Максимальная концентрация ча­ стиц отмечена в слое 18—20 км, причем преобладали сульфатные частицы. Более поздние наблюдения путем прямого взятия проб [14] и оптических измерений с воздушных шаров [63], измерений сумеречного рассеяния [49] и лазерного зондирования подтвердили результаты Юнге и показали, что концентрация частиц в этом слое нижней стратосферы может значительно меняться в течение не­ скольких лет. После извержения Агунга наблюдалось заметное увеличение концентрации частиц; примерно 2 года закаты были гораздо ярче, они напоминали закаты после извержения Кракатау.

238

Однако недавние наблюдения с помощью лазерного локатора и прямые заборы проб выявили постепенное уменьшение концент­ рации до значений, которые были перед извержением. Пылевые облака Агунга вместе с продуктами последующих извержений вызвали 30-кратное увеличение массы частиц в 1968 г. по сравне­ нию с 1961 г. Количество фильтруемых материалов, определявше­ еся с 1968 по 1970 г. включительно Национальным центром ат­

уменьшение в 1963 г. Совершенно неожиданным оказалось то, что стратосферные частицы состоят из сульфатов. Сейчас это объяс­ няют тем, что они образуются из сернистого газа SO2 , который

в ходе фотохимических реакций с Оз и О. Образовавшийся таким путем серный ангидрид SO3 почти немедленно гидролизуется, пре­ вращаясь в серную кислоту H2 S 04. Пробы показывают, что ка­ пельки серной кислоты имеют размеры в десятые доли микрона. В капельках серной кислоты содержатся такие катионы, как аммоний и бентонит [14].

С течением времени, вероятнее всего в продолжении 2 лет, эти частицы растут путем коагуляции друг с другом, затем осажда­ ются или выносятся из стратосферы в средних и высоких широ­ тах. Оценка времени пребывания в 1—2 года основана на изуче­ нии хода распада радиоактивных веществ, введенных в нижнюю стратосферу тропиков в результате атомных испытаний. Если бы выброс частиц произошел в средних широтах, то время их суще­ ствования было бы меньше 1 года [47].

Качественно эта общая схема предполагает рост плотности частиц с высотой вплоть до максимума сульфатного слоя, по­ скольку частицы формируются и растут, когда они переносятся вверх. Согласно наблюдениям, толщина слоя частиц составляет всего 2—3 км. Столь небольшая толщина слоя пока еще не имеет удовлетворительного объяснения.

9.6.2. Влияние стратосферных частиц на температуру

Влияние сульфатных и других частиц на солнечную радиацию уже упоминалось, например, в связи с уменьшением прямой сол­ нечной радиации, наблюдавшимся в Мауна-Лоа после извержения Агунга. Такое уменьшение следовало бы ожидать, поскольку ча­ стицы рассеивают и поглощают солнечную радиацию. Общее ос­ лабление вследствие объединенного влияния рассеяния и поглоще­ ния на прямую солнечную радиацию можно измерить. После из­ вержения Агунга в 1963 г. оно составляло около 5% [25], после извержения Кракатау в 1883 г. — около 10%, а после извержения Катмай в 1912 г. было больше 20% по данным измерений во всей Европе [11]. Несмотря на имевшиеся данные, было очень трудно

240

оценить поглощение, которое вызвало нагрев стратосферного слоя. Расчеты, выполненные Ямамото и Танака [74] с использованием ряда коэффициентов поглощения и рассеяния, показали, что слой, образовавшийся в результате извержения Агунга, мог поглотить столько солнечной радиации, сколько достаточно для нагрева на

той, которая была бы при отсутствии вулканических частиц. Та­ кое изменение согласуется с повышением температуры, наблюдав­ шимся в 1963 г. на высоте 15 км и выше в тропической страто­ сфере [64, 52].

Несколько лет назад дискутировался вопрос о том, можно ли объяснить наблюденный рост температуры в стратосфере, после­ довавший после извержения Агунга, только радиационным влия­ нием частиц. Сложность в том, что в это же самое время изме­ нился характер циркуляции в стратосфере. В течение более 10 лет, предшествовавших 1963 г., зональные потоки в тропической стра­ тосфере на высотах больше 2 0 км меняли направление на про­ тивоположное каждые 26—28 месяцев. Это явление известно как «квазидвухлетнее колебание». В 1963 г. ожидаемого изменения на высоте 2 0 км не произошло, и было высказано предположение, что наблюдавшееся потепление могло быть вызвано и динамиче­ скими факторами.

Уменьшение интенсивности прямой солнечной радиации в ре­ зультате нескольких недавних больших извержений составляло от 5 до 20%. Однако ослабление солнечной радиации, достигающей поверхности Земли, было намного меньше. Будыко [11] указывает, что уменьшение суммарной радиации меньше, чем уменьшение прямой радиации, и составляет 13% от уменьшения прямой ра­ диации на экваторе и 24% в полярных районах, а в среднем по земному шару 16%. Это означает, что стратосферные чйстицы, выброшенные во время извержения Агунга,. ослабили, вероятно, солнечную радиацию у поверхности меньше чем на 1 %.

Нет сообщений об изменениях температуры у поверхности Земли после извержения Агунга. Однако намного более сильные извержения вулканов Кракатау в 1883 г. и Тамбора в 1815 г. имели более существенное, хотя и преходящее влияние на гло­ бальную поверхностную температуру. Вполне возможно, что в прошлом существовали продолжительные периоды вулканиче­ ской деятельности, в результате которой происходило заметное похолодание нижней атмосферы, вызывавшее изменение климата (см. п. 3.3.6, в частности рис. 3.4).

9.6.3.Возможные пути искусственного увеличения числа частиц

встратосфере

Существуют два пути засорения человеком стратосферного воздуха частицами: первый путь — прямое (из выхлопных труб самолетов) введение частиц или газов, из которых затем образу-

ЮТ'СЯ частицы; второй путь — изменение содержания SO2 в тропо­ сфере, которое в свою очередь может изменить сульфатный слой по мере продвижения вверх тропосферного воздуха. Мы коротко остановимся на каждом из них.

Роль высотной авиации в изменении концентрации частиц была проанализирована в отчете ИКПОС и в сжатой форме рассмот­ рена в п. 9.2 настоящей главы.

Второй путь — интенсивное выделение SO2 вследствие сжигания богатого серой угля без соответствующих мер по предотвраще­ нию выбросов серы в атмосферу. В настоящее время считается, что выбросы в атмосферу серы в виде S 02, большая часть кото­ рого становится сульфатом и лишь после этого выводится есте­ ственными процессами, составляют от 7 з до Ѵг естественного про­

происхождения, проникающее в стратосферу, может быть сущест­ венно увеличено, вероятно на 50%■ Тот факт, что сульфатный слой существовал с 1960 по 1961 г. после периода слабой вулканической деятельности, указывает на возможность существования в страто­ сфере некоторого количества сульфатных частиц (фоновый уро­ вень), образовавшихся из SO2 , введенного в атмосферу у поверх­ ности Земли. Человек может повысить этот фоновый уровень. Однако концентрация сульфатных частиц, образовавшихся вслед­ ствие деятельности человека, будет намного меньше, вероятно на один порядок величины, чем концентрации, создающиеся в резуль­ тате таких извержений, как недавние извержения Агунга и Фернандино.

9.6.4. Заключение

Постоянный слой частиц, расположенный в стратосфере между 15 и 20 км и состоящий главным образом из сульфатных частиц, весьма заметно увеличивался после каждого большого вулкани­ ческого извержения. Это увеличение уменьшало прямую солнеч­

верхней тропосферы, но его влияние, вероятно, сильно ослабевает по мере приближения к поверхности. В любом случае продолжи­ тельность существования облака от единичного извержения со­ ставляет только 1—3 года, поэтому извержения XIX в. уже не мо­ гут влиять на поверхностную температуру. Однако в прошлые периоды более значительной вулканической активности влияния на температуру вполне могли быть более устойчивыми. Вулкани­ ческие частицы в стратосфере обусловливают там рост темпе­ ратуры вследствие поглощения ими солнечной радиации.

Источником искусственных стратосферных частиц является SO2 , образующийся главным образом при сжигании угля. Из тропо-

242

сферы SO2 затем переносится в стратосферу. При малой вулкани­ ческой активности эта искусственная добавка может увеличить фоновую концентрацию атмосферных частиц примерно на 50%

к2 0 0 0 г., но это, вероятно, не столь важно для радиационного

баланса атмосферы.

9.7. ОБЩЕЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Серьезные последствия выброса даже небольших количеств искусственных примесей в стратосферу объясняются относи­ тельно большим временем пребывания примесей в стратосфере, а также важной ролью даже малых концентраций определенных примесей в фотохимии озона и балансе тепла. Стратосфера со­ держит большую часть озона, который защищает жизнь от вред­ ной для нее ультрафиолетовой радиации; для защиты биосферы достаточна концентрация озона в несколько миллионных долей. Озон также играет определенную роль в балансе тепла страто­ сферы. По этим двум важным причинам крайне необходимо объ­ яснить существующую концентрацию озона и предсказать ее воз­ можные изменения вследствие искусственных или естественных загрязнений стратосферы. В настоящее время невозможно исчер­ пывающе объяснить наблюдаемое распределение озона по трем причинам: 1 ) не все составляющие стратосферы известны; 2 ) ход некоторых химических реакций является еще не объясненным; 3) перенос озона, озонообразующих и озоноразрушающих газовых примесей пока недостаточно изучен. Никаких адекватных прогно­ зов изменений концентрации озона вследствие деятельности чело­ века нельзя составить до тех пор, пока не будут преодолены три вышеуказанных препятствия. Несмотря на высокую стоимость взятия проб газовых примесей на больших высотах, потребность в слежении за составом высоких слоев атмосферы оправдывает затраты. В некоторых случаях, видимо, придется разрабатывать новые методы измерения и создавать новое оборудование. Раз­ работка приемлемых моделей атмосферного переноса — дело труд­ ное; она может оказаться намного труднее, чем взятие проб в верхней атмосфере. Проблема стратосферных частиц заключа­ ется прежде всего в определении их числа и характеристик. По­ скольку вулканы вводят огромное количество примесей в атмо­ сферу, следующее большое извержение можно использовать как хороший эксперимент, проводимый самой природой. Организация систематического слежения за состоянием стратосферы сразу же после извержения позволит судить о возможной реакции атмо­ сферы на искусственное засорение стратосферы аэрозольными ча­ стицами. Кроме того, вместе с повседневными наблюдениями в пе­ риоды низкой вулканической деятельности это обеспечит тот фон, по которому можно судить о вкладе человека.

Облака в стратосфере — явление редкое. Без дальнейшей ин­ формации о их появлении и характера нельзя оценить роль, кото­ рую может играть стратосферная влага в развитии облаков.

9.8.РЕКОМЕНДАЦИИ

1.Мы рекомендуем слежение за компонентами верхней тропо­

сферы (выше 1 0 км) и нижней стратосферы (по крайней мере до 30 км) — водяным паром, окисями азота, окисями серы, гидрокар­ бонатами, включая метан, частицами (определяя по возможности размеры, концентрацию, химический состав и оптические характе­ ристики последних), стратосферной облачностью. Особое внима­

и серы, а также гидрокарбонатов (кроме метана), причем чув­ ствительность датчиков должна быть такова, чтобы они могли об­ наруживать концентрацию в диапазоне миллиардных долей;

в) разработке детекторов, способных обнаруживать частицы радиусом от 0 , 0 1 до 0 , 1 мкм;

г) применению спектрометров, устанавливаемых на борту ка­ кого-либо поднимающего средства (до высоты не .менее 30 км), для обнаружения и определения на разных высотах концентрации озона, водяного пара, угарного и углекислого газа, закиси азота, двуокиси азота, азотной кислоты, метана и других, еще не извест­ ных примесей.

2. Мы рекомендуем организовать специальное слежение за стратосферой, когда в результате какого-нибудь крупного извер­ жения вулкана произойдет выброс в стратосферу различного рода продуктов извержения.

3.Мы рекомендуем определять интенсивность потока ультра­ фиолетовой радиации, участвующей в озоно-кислородных реак­ циях, с точностью до 5%, чтобы подтвердить правильность рас­ четов скорости фотоокислительных процессов в стратосфере. Необходимы новые и более точные методы измерений как в страто­ сфере, так и над атмосферой.

4.Мы рекомендуем проанализировать коэффициенты скорости реакций, имитируемых в лабораторных условиях, с тем, чтобы использовать эти коэффициенты для расчетов фотохимических ре­ акций в стратосфере. Мы также рекомендуем измерять распреде­ ление по вертикали таких малых примесей, как перекись водорода

Н2 0 2, гидроперокоил Н 02, азотная кислота H N 03 и двуокись азота N 02.

5. Мы рекомендуем как можно скорее составить исследователь­ скую .программу, включающую анализ влияния продуктов выхлопа высотных самолетов на фотохимическое и динамическое равнове­ сие стратосферного озона.

6 . Мы рекомендуем предпринять теоретическое моделирование и изучение е помощью трассеров среднего переноса воздуха из тропосферы в стратосферу и изменений этого переноса.

244

9.9. Некоторые разъяснения в связи с осуществлением данных рекомендаций

Рекомендация 1 предусматривает широкую серию измерений в верхней тропосфере и стратосфере с помощью высотной авиации и воздушных шаров и дистанционной измерительной аппаратуры, устанавливаемой на них. Она предусматривает точные измерения концентрации некоторых субстанций, количество которых в атмо­ сфере находится у нижнего порога чувствительности современной измерительной аппаратуры. Для ряда составляющих атмосферы потребуется разработать новые приборы и методы измерений. Это сложная и дорогостоящая программа. Трудно оценить полную за­ трату средств, но стоимость будет высокой. Тем не менее это со­ ставит лишь малую часть средств, которые уже истрачены на раз­ витие сверхзвуковой авиации.

Рекомендация 2 предусматривает организацию таких наблюде­ ний на земле и в воздухе, которые позволят быстро увеличить число измерений в случае извержения вулкана и выброса в стратосферу продуктов такого извержения.

Рекомендация 3 предусматривает расширение современных воз­ можностей в области очень трудных абсолютных измерений уль­ трафиолетовой радиации. Необходимы сложные современные ме­ тоды, основанные на использовании самолетов и воздушных шаров. Однако потребуется не очень много летных часов. Необходи­ мое оборудование существует и может быть предоставлено в рас­ поряжение ученых. Потребуются также измерения с искусствен­ ных (а может быть, и с естественнаго) спутников. Сенсоры по мере их усовершенствования, по-видимому, будут соответствовать техническим требованиям установки на наблюдательных платфор­ мах (воздушных шарах, самолетах, спутниках и т. д.).

Рекомендации 4, 5 и 6 предусматривают довольно трудную тео­ ретическую, расчетную и лабораторную работу на высоком уровне, но выполнимую при современном уровне развития науки и тех­ ники.

245

22.D e M о r e W. B. New mechanism for OH-catalyzed chain decomposition of ozone.— J. Chemical Physics, 1967, v. 46, p. 813.

23.D ü t s c h H. U. The photochemistry of stratospheric ozone.— Quart. J. Royal Meteorol. Soc., 1968, v. 94, p. 483—497.

29.H a m p s о n J. Chemiluminescent emissions observed in the stratosphere and mesosphere.— In: Les Problemes Meteorologiques de la Stratosphere et de la Mesosphere. Ed. M. Nicolet. 1966, p. 393—440.

30.H a y s P. В., О 1 i V e r 0 J. J. Carbon dioxide and monoxide above the tropo­ sphere.— Planetary and Space Sei., 1970, v. 18, p. 1729.

246

V.27, p. 483.

47.M a r t e 1 1 E. A. Residence times and other influencing pollution of the upper

V. 59, p. 1131.

52.N e w e 1 1 R. E. Modification of stratosphere properties by trace constitient changes.— Nature, 1970, v. 227, p. 697—699.

247