ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Пространственное распределение химический состав и микроструктура стратосферного аэрозоле из "Атмосферный аэрозоль" Основу аэрозольного радиозонда (АР) составляет двухканальный фотоэлектрический счетчик частиц, который позволяет измерять концентрацию двух фракций частиц диаметром более 0,3 и 0,5 мкм путем забора воздуха при помощи насоса со скоростью л/мин. Для устранения загрязнения от оболочки радиозонда счетчик подвешен на расстоянии 90 м от оболочки. Измерения производились при подъеме и парашютном спуске АР. При малой концентрации аэрозоля в стратосфере (около 1 частицы диаметром больше 0,3 мкм на 1 см ) скорость счета частиц в стратосфере составляла 10 импульсов в секунду. Аэрозольный радиозонд, масса которого составляет 9 кг, поднимается до высоты около 27 км со скоростью 0,3 км/мин (спуск происходит со скоростью 0,5 км/мин). [c.62] Определение концентрации аэрозоля на каждом уровне производится путем осреднения данных регистрации 500 отдельных частиц. Вертикальный профиль суммарной концентрации частиц диаметром больше 0,3 мкм может быть построен по 100 точкам с разрешением по высоте около 250 м. Ошибка измерений концентрации составляет около 5 %. В некоторых случаях осуществлялся совместный запуск АР с импактором, что дало возможность определить химический состав частиц, которые в нижней стратосфере представляли собой преимущественно капли концентрированного водного раствора серной кислоты. Поэтому при калибровке АР принимался показатель преломления непоглощающих частиц, равный 1,40. [c.62] Уже первые измерения при помощи РЯК обнаружили очень сложный вертикальный профиль концентрации ЯК, существенно изменяющейся даже на расстоянии 50 м. Сопоставление результатов одновременного запуска аэрозольного радиозонда для частиц радиусом больше 0,3 мкм и РЯК 19 декабря 1973 г. в Ларами (штат Вайоминг, США) выявило существенное различие вертикальных профилей концентрации частиц. Так, например, РЯК не дает относительного максимума концентрации вблизи уровня 100 гПа, четко зафиксированного АР. В слое между тропопаузой и уровнем 100 гПа зависимости концентрации от высоты по данным РЯК и АР противоположны, как это и должно быть, если исходить из того, что ЯК имеют тропосферное, а крупные частицы — стратосферное происхождение. [c.63] Сравнение данных нескольких запусков РЯК в Ларами свидетельствует о том, что вертикальные профили ЯК довольно стабильны в стратосфере и очень изменчивы в тропосфере. Анализ профилей отношения смеси для ЯК указывает на вероятность существования их источника в верхней тропосфере, который, по-видимому, связан с трассами реактивных самолетов. Оценки количества аэрозоля, продуцируемого самолетами, подтверждают это предположение. Концентрация антропогенных ЯК должна составлять около 1000 см 3 ЧТО соответствует данным наблюдений. [c.63] В связи с этим следует полагать, что появление стратосферной сверхзвуковой авиации и вызванное ею сильное увеличение концентрации ЯК в стратосфере должно вызвать уменьшение концентрации оптически активных крупных частиц аэрозоля ввиду возросшего числа малых частиц — центров конденсации. Вероятно, сильнее всего эффект ЯК может проявиться в непреднамеренных воздействиях на погоду—увеличении количества облаков верхнего яруса и изменении местных осадков. С этой точки зрения мировую сеть пассажирских линий, обслуживаемых реактивными самолетами, можно рассматривать как гигантскую операцию по воздействию на облака и погоду. Следует поэтому уделить гораздо большее внимание изучению последствий выброса самолетами в верхнюю тропосферу ежегодно продуктов сжигания (примерно 10 т топлива). [c.63] Наблюдения выявили четко выраженные обширные аэрозольные слои в нижней стратосфере и верхней тропосфере, часть которых обусловлена процессами обмена между тропосферой и стратосферой, а остальные порождены вулканической активностью. Иногда эти слои простираются от Барроу (Аляска) до Панамы. [c.64] Анализ данных измерений показал, что определяемая по двум фракциям микроструктура аэрозоля почти не изменяется в глобальной стратосфере отношение концентрации частиц двух фракций (с диаметром более 0,3 и 0,5 мкм) составляет 4—5 [177, 181]. Максимум суммарной концентрации обычно располагается на высотах 22—26 км в экваториальном поясе, снижаясь параллельно тропопаузе до 17—18 км в полярных районах (рис. 1.15). В слое максимума отношение смеси для аэрозоля составляет 8—10 частиц на миллиграмм воздуха, что эквивалентно отношению смеси по массе, равному примерно 1,3-10 . На уровне тропопаузы отношение смеси может, в зависимости от времени года, уменьшаться до 1 —10 раз. Максимум концентрации частиц расположен на 4 км ниже максимума отношения смеси, причем максимальная концентрация варьирует в пределах 0,5—1,5 см з. [c.65] Хотя долгопериодные изменения содержания аэрозоля малы, на высотах менее 20 км все же наблюдается заметный годовой ход с максимумом зимой, минимумом летом при амплитуде около 10 частиц/см для всей толш,и стратосферы. В пересчете на всю глобальную стратосферу это приводит к величине продукции аэрозоля за год, равной 6,5-10 т. Если предположить, что аэрозоль представляет собой капли 75 7о-ного водного раствора серной кислоты и что последняя возникает за счет окисления сернистого газа, то для этого требуется 3,2 10 т сернистого газа в год. Принимая средний за год стратосферно-тропосферный обмен массы равным 75 %, можно рассчитать, что в таком случае отношение смеси сернистого газа на уровне тропопаузы должно составлять 0,4 10 . [c.65] Детальный анализ данных наблюдений пространственно-временных вариаций глобального поля концентрации стратосферного аэрозоля по результатам зондирований на 11 станциях (как.правило, один раз в два месяца), расположенных в диапазоне широт от 85° с. ш. до 90° ю. ш., показал, в частности, что, кроме слоя Юнге, наблюдаются тонкие слои аэрозоля большой горизонтальной протяженности, которые связаны либо с переносом воздуха через разрывы в тропопаузе умеренных широт, либо с вулканической активностью. [c.65] Практическое отсутствие вариаций содержания аэрозоля в слое выше 20 км указывает на то, что продолжительность суш,е-ствования аэрозоля, заброшенного на эти высоты вулканическими извержениями или иным способом, должна быть очень длительной, тогда как ниже 20 км она гораздо короче и в среднем за год составляет около шести месяцев. [c.65] Стабильность высотного аэрозоля является, по-видимому, глобальной. Так, например, вертикальные профили концентрации аэрозоля, вычисленные для Арктики с интервалом в один год, не обнаруживают изменений на высотах более 15 км, но указывают на уменьшение содержания аэрозоля в более низких слоях, аналогичное наблюдавшемуся в Ларами (штат Вайоминг). Размер частиц в тропосфере оказался при этом меньшим, чем в стратосфере. [c.66] При попытке проанализировать особенности глобального распределения аэрозоля по данным нескольких станций в северном полушарии авторы [177, 181] пришли к выводу о наличии четко выраженного минимума аэрозольного отношения смеси в слое 15—22 км в умеренных широтах, который может быть обусловлен наличием стока аэрозоля на уровне тропопаузной ловушки . Поле концентрации аэрозоля подобно полю концентрации радиоактивных компонентов. [c.66] По данным зондирований при помощи аэрозольного радиозонда (АР) в диапазоне широт от 85° с. ш. до 90° ю. ш. за период с конца 1971 г. до середины 1974 г., характеризующийся минимумом вулканической активности, Д. Хофманн, Д. Розен и др. [178, 181] выполнили анализ закономерностей глобальной пространственно-временной изменчивости содержания сульфатного аэрозоля в стратосфере и обсудили возможные источники аэрозоля (рис. 1.16). Данные наблюдений на различных станциях (Южный Полюс, Ларами, дрейфующая станция на широте 85° с. ш. и др.) показали глобальную тенденцию уменьшения содержания аэрозоля со временем. Данные наблюдений указывают на подобие пространственно-временных распределений аэрозоля в обоих полушариях. Особенности годового хода стратосферного аэрозоля, амплитуда которого составляет около 7,5 10 ча-стиц/см , объясняются изменчивостью высоты тропопаузы. [c.66] В октябре 1974 г. произошло интенсивное извержение вулкана Фуэго в Гватемале (14,5° с. ш., 96° з. д.), обусловившее выброс большого количества вулканического материала в стратосферу. По данным ежемесячных аэрозольных зондирований в Ларами в период октябрь 1974—ноябрь 1975 г. на высотах до 27 км Д. Хофманн и Д. Розен [179] проследили эволюцию поля концентрации аэрозоля в стратосфере после вулканического извержения. [c.66] Ранее полученные результаты подтверждают, что менее половины всех частиц содержат нерастворимые ядра. По-видимому, эти ядра не являются активными центрами нуклеации, стимулирующими образование частиц стратосферного аэрозоля. Более вероятно, что нуклеация обусловлена растворимыми кристаллами сульфатов или частицы образуются из газовой фазы. [c.68] Вулканический силикатный пепел не является типичным компонентом стратосферного аэрозоля, за исключением коротких периодов времени после сильных извержений. Специфической чертой рассматриваемых результатов измерений является более частое обнаружение нерастворимых ядер в частицах, но внешний вид ядер примерно такой же, как и в обычном стратосферном аэрозоле наблюдаются единичные или множественные ядра. Поэтому в целом полученные результаты сходны с предыдущими. Пробы, относящиеся к высоким и низким широтам, не обнаруживают заметных различий, но имеется тенденция повышения содержания жидкости и уменьшения числа нерастворимых ядер с высотой, которая проявляется более отчетливо в высоких широтах. Эти выводы требуют, однако, дальнейших подтверждений. [c.68] Выполненный Д. Л. Грасом [116—118] анализ проб аэрозоля, полученных при помощи импактора, установленного на реактивном самолете (высоты до 28 км), в период с января 1970 г. по февраль 1977 г., обнаружил преимущественно сернокислотный состав аэрозоля (полеты проводились в районе г. Мильдура, Австралия 34,2° ю. ш., 142° в. д.). Исключение составили данные для короткого периода полетов в январе 1972 г., когда наблюдались частицы очень разнообразной морфологии. При сопоставлении данных полетов, выполненных 2 февраля, 28 апреля и 1 июля 1977 г., было обнаружено значительное изменение структуры частиц аэрозоля, собранных на углеродную подложку (во время подъема и затененных позднее окисью кремния при лабораторном анализе. [c.68] Химический анализ данных, полученных в рассматриваемых трех полетах, показал, что сульфаты всегда являются доминирующим компонентом частиц, имеющих радиус от 0,03 до 1 мкм. По данным о концентрации частиц, полученным во время полета 12 ноября 1976 г., масса серной кислоты в столбе атмосферы 12,9—30 км сечением 1 см равна 1,1 10 кг. Для полной нейтрализации этой серной кислоты до (NN4)2804 требуется 3,7 10 кг аммиака, что эквивалентно однородному отношению смеси 2,3-10 и общей массе аммиака в глобальной стратосфере, имеющей невероятное значение, порядка 10 кг. По-видимому, рассматриваемое явление резкого изменения природы стратосферного аэрозоля является локальным. Но даже и в этом случае оно связано с выбросом в стратосферу большого количества аммиака неизвестного происхождения. Обсуждаемые результаты свидетельствуют о большой важности прямых измерений стратосферного аэрозоля, поскольку обнаруженное радикальное изменение не могло быть зафиксировано при помощи косвенных оптических методик. [c.69] Получ-енные экспериментальные данные о микроструктуре сульфатного стратосферного аэрозоля были описаны нормальнологарифмическим распределением (1.9), средние значения параметров Гш И а которого соответственно равны 0,035 мкм и 2. [c.69] В периоды вулканических извержений на субмикронную фракцию стратосферного аэрозоля может накладываться и более мелкодисперсная фракция частиц Н2504 с модальным радиусом Гт 4-10 2 мкм, представляющая собой ядра фотогазохимиче-ского превращения ЗОг в результате ионной гидратации. При отсутствии активной вулканической деятельности вклад тонкодисперсной фракции частиц в оптические свойства стратосферного аэрозоля невелик. [c.69] Вернуться к основной статье