2.5. Влияние аэрозоля на облачность

Вероятно, наиболее значительное климатическое воздействие аэро-золей связано с той ролью, которую они играют в качестве ядер конден-сации. Оптическая толщина облака t определяется в основном содержа-нием в нем жидкой воды и распределением облачных капель по разме-рам; при уменьшении размера капель и неизменном содержании жидкой воды значение t увеличивается. В свою очередь распределение частиц по размерам сильно зависит от скорости восходящих движений в облаке и содержания облачных капель конденсации. Известно, например, что в морском воздухе, как правило, содержится на порядок меньше облачных ядер конденсации, чем в континентальном. Отсюда следует, что при дан-ном содержании жидкой воды облака над континентом должны иметь более высокие значения t и альбедо.

Следует ожидать, чо возрастание числа ядер конденсации приведет к увеличению оптической толщины и отражательной способности облаков. Однако с увеличением числа капель уменьшается их средний размер. Поскольку поглощение облачными каплями в видимой области спектра определяется, по-видимому, поглощательными характеристиками ядер кон-денсации, то сечение поглоения в расчете на единицу объема частиц остается, вероятно, неизменным, в то время как сечение рассеяния и аль-бедо однократного рассеяния уменьшаются. Исследования сложных меха-низмов взаимодействия тропосферного аэрозоля с облачностью с учетом упомянутых взаимосвязей пока не привели к однозначным выводам отно-сительно результирующего эффекта.

Расчеты с помощью радиационно-конвективной модели показали, что при глобальном удвоении числа ядер конденсации в облачности нижнего яруса температура поверхности должна понизиться на 0.9 К. Аналогичные результаты были получены для ограниченных регионов при проведении численных экспериментов ОЦА.

В зависимости от того, какой эффект преобладает - рост числа ка-пель, образовавшихся на дополнительных ядрах конденсации, или допол-нительное поглощение солнечной радиации на самих аэрозолях, содер-жащихся в облаке,- альбедо облака может или увеличиваться, или умень-шаться. Вклад прямого поглощения солнечной радиации на частицах аэро-золя в облаке может быть весьма велик. Согласно данным спутниковых наблюдений за облачностью, дальнейший рост содержани глобального аэрозоля при его современном составе должен, повидимому, привести к увеличению альбедо облачности. Существует мнение о том, что антропо-генные аэрозоли отличаются настолько сильным поглощением, что их присутсвие должно неизбежно понижать альбедо облачности. Действительно, результаты прямых измерений показали, что альбедо об-лачности с подветренной стороны от промышленного города понижается. Как справедливо отмечают многие из специалистов, занимающихся этим вопросом, необходимы новые данные комплексных натурных эксперимен-тов в этой области. Однако если хотя бы редкая глобальная сеть для слежения за оптическими свойствами атмосферного аэрозоля на сегодня существует, то никаких систематических наблюдений за ядрами конденса-ции и характеристиками облачных частиц не ведется.

Изменчивость облачных ядер конденсации может также проявляться в нарушении устойчивости облаков как коллоидных образований и соот-ветствующих изменениях климата. Способность облака к формированию осадков по механизму столкновений и слияния облачных частиц зависит от статистических параметров распределения капель по размерам. В свою очередь на это распределение влияют и микромасштабная турбулент-ность, и макромасштабные восходящие потоки, и содержание и свойства ядер конденсации. Все эти характеристики в настоящее время понятны нам не до конца.

Важную роль в изменчивости климата играют и ядра кристаллиза-ции. Как и в случае с ядрами конденсации в жидкокапельной облачности, данных непосредственных измерений здесь совершенно недостаточно. Возможно, что значительная часть ядер кристаллизации, при-сутствующих в атмосфере, имеет биогенное происхождение. Расчеты показывают, что при работе двигателей челночных космических кораблей в атмосферу может попадать большое количество оксида алюминия, так что средняя концентрация ледяных ядер конденсации в верхней атмосфере может возрасти вдвое. Согласно имеющимся данным, в некоторых районах Севе-роамериканского континента уже возросло количество перистых облаков, формирующихся в ходе растекания инверсионных следов реактивных самолетов.

Отметим, что при любом изменении температуры вблизи земли, т. е. Как при ее понижении (Т2<Т1), так и при е повышении (Т2>Т1), образуется достаточно мощная облачность, нередко распространяющаяся на всю тропосферу. При понижении температуры, помимо облачности, образуется еще и туман, нередко сливающийся с облачностью.

Объясняется это тем, что под влиянием восходящих движений (v>0) и устойчивой стратификации (при расчете g0 полагали равным 0.60С/100м) температура воздуха ан всех высотах со временем понижается, а удельное влагосодержание растет (ds/dt = - v (ds/dz); так как ds/dz < 0, а v > 0, то ds/ dt > 0). Турбулентный обмен также способствует накоплению водяного пара в тропосфере: поступивший в процессе испарения с земной поверхности пар в стратосферу не уходит, поскольку на тропопаузе поставлено условие dq/dz = 0.

Анализ многочисленных опытных данных показал, что водность в облаке зависит прежде всего от температуры. Установлена следующая зависимость средней удельной водности облака от температуры:

d0 = 0.201(Т/р)exp[17.86(1 - 258/T)],

где: d0- в г/кг, p – в гектопаскалях, Т – в кельвинах.

Если d - удельная водность облака, определенная для момента времени t , то просуммированная от нижней до верхней границы облака разность r(d- d0) будет представляять собой количество осадков, которые выпадут из облака за время t.

2.6. РАСЧЕТ ЗАВИСИМОСТЕЙ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОТ

МАССОВОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ АНТРОПОГЕННОГО АЭРОЗОЛЯ.

В последнее время выполнен ряд работ по оценке влияния антропогенных аэрозолей. Для этого использовались энергобаллансовые и радиационно- конвек-тивные модели. В них рассматривались оптические свойства антропогенных аэрозолей и зависимость параметров атмосферы от оптической толщины слоя аэрозоля. Одним из результатов исследования явилось получение зависимости температуры поверхности Т от оптической толщины аэрозоля t .

Т

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0 0.5 0.10 sbs км-1* ср-1

Рис.3 Зависимость Т от sbs .

Оптические свойства аэрозоля зависят от размеров частиц аэрозоля и их массовой концентрации. Связь между массовой концентрацией M и коефициентом рассеяния s имеет следующий вид