В связи с изложенными обстоятельствами результаты моделирования эффектов мощных аэрозольных выбросов не только страдают недостатками, характерными для климатических исследований, но и отягощены неопределенностями, связанными с приблизительностью описания физических превращений аэрозольного вещества в атмосфере.

Вероятно, наиболее сильное радиационное воздействие аэрозолей на климат связано с той ролью, которую они играют в формировании облачности.

Взаимодействуя с облачностью, аэрозольные частицы, во-первых, служат ядрами конденсации, способствуя возникновению большого числа мелких капель, а, во-вторых, находясь в каплях и между ними, изменяют радиационные свойства облаков. Изменяя вертикальный профиль температуры, аэрозоль может влиять на такие условия формирования облачности, как потоки влаги, приходящие на уровень конденсации, высота этого уровня и т. д.

Те частицы, которые могут играть роль ядер конденсации в облачности, являются продуктами атмосферных фотохимических процессов и, в меньшей степени, - испарения морских брызг. Они чрезвычайно сильно влияют на основные физические характеристики водных облаков, которые в свою очередь в значительной мере определяют радиационный баланс планеты. Небольшие изменения количества облачных ядер конденсации не должны приводить к радикальным изменениям климата. Вместе с тем полное их исчезновение, безусловно, привело бы к таким изменениям: облачность в этом случае могла бы формироваться лишь за счет конденсации водяного пара из нерастворимых частиц аэрозоля ( т. е. при относительной влажности примерно 130% ) или на ионах ( при относительной влажности 300-400% ).

2.2. МОДЕЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ АТМОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ

Первым этапом учета воздействия аэрозоля на климат является построение моделей свойств аэрозоля. Разработке моделей атмосферного аэрозоля в последние годы уделялось много внимания в работах К. Я. Кондратьева и ряда зарубежных ученых. Большинство предлагаемых моделей могут быть разбиты на следующие типы:

а) тропосферные, стратосферные и верхней атмосферы,

б) различной размерности,

в) синтетические.

Авторы простейших моделей глобального (как правило стратосферного) аэрозоля обычно доводят моделирование до определения оптических характеристик, рассчитываемых в приближении сферичности и однородности частиц по формулам Ми. Лишь в небольшом числе работ сделаны попытки учесть эффекты несферичности и неоднородности частиц. Количественная оценка возможных изменений свойств модельного аэрозоля в результате этих эффектов, а также учет соответствующих характеристик в моделях глобального аэрозоля остаются делом будущего.

Большая часть выполненных до настоящего времени исследований возможных климатических эффектов аэрозоля относилась, за исключением проблемы городских и промышленных загрязнений, к глобальному масштабу. Однако такой подход адекватен лишь для некоторых типов аэрозоля. Аэрозоли генерируются в некоторых районах и переносятся, а также преобразуются в атмосфере за счет гидродинамических и физико-химических процессов. за счет воздействия местных источников и стоков аэрозоля воздушная масса обедняется одними типами аэрозоля и обогащается другими. Естественно ожидать, что характер циркуляции атмосферы существенно влияет не только на химический состав и плотность аэрозоля в воздушном потоке, но и на его вертикальную структуру, особенно в условиях смешанных воздушных масс.

В отдельных случаях поле концентрации аэрозоля обладает трехмерно неоднородной структурой, связанной с характером вертикальных турбулентных движений и особенностями конденсационных процессов в атмосфере. Иначе говоря, атмосферные аэрозоли существенно гетерогенны. В любой точке пространства - времени атмосферная смесь аэрозолей зависит от расстояния до районов генерации и предшествовавших погодных условий, которые сопровождали аэрозоль в пути. Ясно поэтому, что необходимо знание гораздо большего числа статистических характеристик аэрозоля, нежели просто глобальное отношение смеси и годовой ход, для того чтобы пытаться моделировать его воздействие на климат.

Уже в первых работах по моделированию климатических эффектов глобального аэрозоля таких ученых как К. Я. Кондратьев, В. И. Биненко, О. П. Петренчук было продемонстрировано, что в зависимости от соотношения между аэрозольным поглощением и рассеянием и от альбедо поверхности количество радиационной энергии, получаемой планетой, может как увеличиваться, так и уменьшаться.

Радиационные эффекты аэрозоля определяются в основном альбедо однократного рассеяния (w0), асимметрией индикатрисы рассеяния (g), средним размером частиц rm, оптической толщиной в видимой области спектра tа, альбедо подстилающей поверхности Аs и атмосферы Аа. Применительно к условиям стратосферы этот список параметров может быть значительно сокращен с учетом глобального характера распределения стратосферного аэрозоля.

В ранних исследованиях климатических эффектов аэрозоля были выделены следующие основные механизмы его воздействия на радиационное поле в системе Земля-атмосфера.

1. Рассеяние солнечной радиации в заднюю полусферу на частицах аэрозоля, за счет чего возрастает планетарное альбедо и понижается температура поверхности. Если слой аэрозоля располагается над поверхностью с высокими отражательными свойствами, то может проявляться эффект задержки уходящего излучения и, таким образом, общее альбедо будет снижаться. Планетарное альбедо может также слегка уменьшаться или увеличиваться из-за того, что в ходе рассеяния на аэрозолях несколько изменяется угол падения солнечных лучей и в результате изменяется длина их оптического пути в атмосфере.

2. Поглощение солнечной радиации некоторыми типами аэрозольных частиц может быть достаточно сильным и компенсировать выхолаживание, обусловленное обратным рассеянием. Степень проявления обоих эффектов зависит от наличия и свойств облачности.

Рис.1

3. Поглощение и переизлучение аэрозолем теплового излучения земной поверхности приводит к усилению парникового эффекта и нагреванию планеты. Согласно теории Ми, при типичном распределении частиц по размерам оптические толщины атмосферного аэрозоля в инфракрасной области спектра меньше соответствующих значений в коротковолновом диапазоне примерно на порядок величины. Поэтому можно считать, что в большинстве случаев доминирующую роль играют эффекты, связанные с солнечной радиацией. Климатические эффекты, связанные с рассеянием теплового излучения земной поверхности на частицах аэрозоля, вероятно, малы.

На (рис. 1) представлены результаты расчетов коротковолнового радиационного эффекта аэрозоля, Рассчитанного с помощью простой двухслойной модели «поверхность-аэрозоль». Аэрозоль может вызывать как нагревание, так и охлаждение системы, и при малой оптической толщине зависимость эффекта от ее значения носит почти линейный характер. Согласно ( рис.1) общий эффект аэрозоля в коротковолновой области может быть охарактеризован с помощью значений его оптической толщины tа, альбедо однократного рассеяния w0 ( т. е. доли радиации, рассеянной, а не поглощенной в каждом акте), доли радиации, рассеянной в заднюю полусферу w0b, и альбедо поверхности Аs. Здесь b есть момент аэрозольной индикатрисы рассеяния p (m, m‘) (m - косинус угла падения солнечного излучения на частицу). Климатически и радиационно значимые изменения химического состава, содержания атмосферного аэрозоля и др. проявляются в соответствующих изменениях значений tа, b и w0. Для описания взаимодействия аэрозоля с другими составляющими атмосферы, расчета его эффекта в инфракрасном диапазоне и получения в конце концов распределения температуры необходима более сложная модель, чем та, которая представлена на (рис. 1). Такая модель может быть построена в рамках радиационно-конвективного подхода.