2.3. РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ АЭРОЗОЛЕЙ

На важность вклада аэрозольно-радиационных эффектов в энергетику тропосферы указали результаты целого ряда комплексных натурных экспериментов последних 10-15 лет, которые были предприняты на национальной и международной основе. В ходе их осуществления на одно из центральных мест выдвинулась задача изучения влияния аэрозоля ( особенно аэрозольного поглощения ) на перераспределение радиационной энергии в системе атмосфера-подстилающая поверхность. Так, одним из результатов Комплексного энергитического эксперимента явилось доказательство аэрозольной природы «остаточного» поглощения коротковолновой радиации в атмосфере и получение прямых оценок этого поглощения, о чем свидетельствуют ряд трудов К. Я. Кондратьева.

В ходе проведения Атлантического тропического эксперимента ПИГАП оказалось, что смещение максимума радиационного нагревания в среднюю тропосферу в присутствии большого количества поглощающего радиацию пылевого аэрозоля, выносимого из Сахары, создает условия, которые способствуют длительному существованию подобных выносов, и превращают их в фактор, оказывающий влияние на радиационный режим всей северной части тропической Атлантики от африканского до американского побережья.

Подобные крупномасштабные и систематические пылевые эпизоды в тропосфере могут быть связаны и с рядом других районов земного шара: пустынями Ближнего и Среднего Востока, Центральной Азии, Индостана, Америки, Австралии, а также с промышленными районами Европы и Северной Америки ( антропогенные загрязнения ). Вместе с тем общий радиационный эффект пылевого слоя остается во многом неопределенным. Ряд исследователей указывает на то, что на средних уровнях в тропосфере нагревание солнечным излучением, вероятно, может значительно превышать длинноволновое выхолаживание; другие полагают, что длинноволновое выхолаживание может компенсировать коротковолновое нагревание, если рассматривать весь 24-часовой период. Тропосферный аэрозоль, безусловно, оказывает заметное воздействие на локальный климат, особенно в таких экстремальных условиях , как пылевые бури и промышленные загрязнения. В связи с этим встает вопрос о влиянии тропосферного аэрозоля на климат планеты в целом.

Описание физико-химических характеристик тропосферного аэрозоля сложно в силу его большой пространственно-временной изменчивости и наличия многих локальных источников. Удовлетворительные попытки такого описания предприняты лишь в самое последнее время К. Я. Кондратьевым, М. А. Прокофьевым, Н. И. Москаленко, М. В. Танташевым, В. Ф. Терзи, С. Я. Скворцовой и др. Оценка эффектов взаимодействия тропосферного аэрозоля с солнечным излучением - сложная проблема теории радиационного переноса, при решении которой необходимо принимать во внимание явления, связанные с многократным рассеянием, тонкие особенности микрофизической структуры и взаимодействие процессов молекулярного и аэрозольного рассеяния.

При численном моделировании общей циркуляции атмосферы наличие в тропосфере фонового природного аэрозоля обычно не учитывается. Вместе с тем расчеты показывают, что аэрозоль обусловливает уменьшение коротковолнового баланса на уровне подстилающей поверхности на 5.0 Вт/м2, а на уровне верхней границы атмосферы - на 3.5 Вт/м2, т. е. вызывает примерно такие же по величине ( но противоположные по знаку ) радиационные возмущения, что и удвоение концентрации СО2.

Потенциальные климатические эффекты тропосферного аэрозоля отличаются рядом особенностей. Во-первых, тропосферные аэрозоли сосредоточены главным образом у поверхности и излучают в ИК диапазоне при температуре лишь немногим меньше температуры подстилающей поверхности. Поэтому можно ожидать, что их взаимодействие с ИК радиацией менее важно, чем для стратосферного аэрозоля, хотя этот вопрос и требует еще дополнительного исследования. Во-вторых, из-за короткого времени жизни в тропосфере ( порядка 1 недели) наблюдаются большие пространственные вариации поля концентрации, а также резкая изменчивость состава тропосферных аэрозолей. Таким образом, хотя и важно оценить их глобальное воздействие, региональные эффекты тропосферных аэрозолей могут быть более существенными. Ряд исследований, посвященных оценке изменений осредненной температуры земной поверхности за счет тропосферного аэрозоля, выявил ее существенную зависимость ( вплоть до знака эффекта) от rm и tа, которые могут варьировать в широких пределах.

Исследования глобального климатического эффекта тропосферных аэрозолей в значительной степени сводятся к проведению модельных экспериментов, поскольку глобальный фоновый аэрозоль отличается высокой степенью устойчивости.

В последнее время уже предпринят ряд работ по оценке влияния тропосферного аэрозоля на циркуляцию атмосферы и климат с использованием энергобалансовых и радиационно-конвективных моделей, в которых глобальный аэрозоль моделируется тем или иным образом.

История исследований радиационных эффектов тропосферного аэрозоля в моделях общей циркуляции атмосферы насчитывает всего несколько лет. Несмотря на отмеченные выше проблемы, эти эксперименты уже дали статистически значимые результаты, свидетельствующие о важности аэрозольных эффектов.

Важным моментом, в частности, является то, что, согласно оценкам, реакция климата на аэрозоль лишь слабо зависит от специфики вертикального распределения аэрозоля ( это справедливо, однако, лишь в том случае, когда влияние аэрозоля на перенос длинноволновой радиации несущественно). Сопоставление оценок воздействия на климат аэрозоля и эквивалентных изменений солнечной постоянной привело к выводу, что главную роль играют не природа первоначального возмущения, а обусловленные обратными связями последующие изменения климата.

Поскольку тропосферный аэрозоль отличается малым временем жизни, а климатическая система к тому же медленно реагирует на многие радиационные возмущения, даже крупномасштабный выброс тропосферных аэрозолей ( как, например, при извержении вулкана Сен-Хеленс) может иметь пренебрежимо малый глобальный климатический эффект.

Первые работы по исследованию эффекта фонового тропосферного аэрозоля на климат с помощью радиационно-конвективных моделей были затруднены неопределенностями в оптических свойствах аэрозоля. В результате тщательного исследования была построена первая рабочая модель глобального осреднения оптических характеристик тропосферного аэрозоля, пригодная для моделирования климата. Эти авторы определили глобальную среднюю оптическую толщину атмосферного аэрозоля на уровне 0,125. Важным моментом было также то, что они продемонстрировали: фоновый тропосферный аэрозоль в значительной степени состоит из сульфата аммония, частиц базальтов и высохших морских брызг. Его альбедо однократного рассеяния w0 превышает 0.9. Несколько зарубежных ученых использовали эту модель для рсчетов с помощью радиационно-конвективной модели климата. Введение фонового аэрозоля приводит к понижению температуры поверхности 1.3 К ( рис. 2), причем при малых значениях tа зависимость от нее температуры носит почти линейный характер. При данном значении tа и распределении аэрозоля по высоте, соответствующем современному, изменение альбедо однократного рассеяния w0 также приводит к линейным изменениям температуры поверхности.