Большая часть информации о климатических эффектах аэрозоля, которой мы располагаем в настоящее время, получена с помощью математических моделей различной степени сложности. Первые замкнутые термодинамические модели глобального климата появились, как известно, в 60-е годы в работах К.Я. Кондратьева и ряда зарубежных ученых. За ними последовали одномерные радиационно-конвективные модели, а затем трехмерные модели общей циркуляции атмосферы, описывающих временной ход параметров атмосферы. Интерес к радиационным и климатическим эффектам атмосферного аэрозоля наиболее сильно проявился в начале 70-х годов, и поэтому закономерным было использование только что созданных моделей для их исследования. В настоящей главе подводятся основные итоги этих исследований, а также исследований в области диагностики климата, которые относятся к проблеме аэрозоля. Эти вопросы нашли освещение в ряде недавних обзоров. Современные модели, по-видимому, позволяют оценить климатические эффекты глобальных возмущений радиационного режима с точностью примерно до множителя 2.

2.1. АЭРОЗОЛЬ КАК ЭЛЕМЕНТ КЛИМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Аэрозоль как элемент климатической системы играет по крайней мере двоякую роль, во-первых, непосредственно воздействуя на условия переноса радиации в атмосфере, а, во-вторых, изменяя протяженность, микроструктуру и радиационные свойства облачности. Поглощая солнечную и тепловые радиацию, аэрозоль обуславливает нагревание тех областей атмосферы, где он локализован. Изменяя радиационный баланс на уровне верхней границы атмосферы, аэрозоль воздействует на тепловой баланс климатической системы в целом. Эти радиационные возмущения могут приводить к вариациям температуры атмосферы и земной поверхности, а вслед за тем к изменениям других параметров климата.

Моделирование оптического состояния атмосферы как рассеивающей среды сводится к моделированию свойств (непосредственно оптических, либо химических и микрофизических) ее диспергированного компонента. В связи с бурным развитием экспериментальных исследований и теоретических концепций в области изучения атмосферного аэрозоля в последние годы радикально изменились представления об атмосферном аэрозоле, его происхождении, химическом и дисперсном составе, механизмах трансформации и распределения в атмосфере [1,2,5,6]. Многообразие погодных условий и процессов генерации частиц приводит к тому, что аэрозоль подвержен значительным постранственно-временным вариациям. Понимание этого факта привело к выводу о необходимости моделирования аэрозоля не как набора инертных минеральных частиц с неизменными свойствами, а как существенно нестационарной совокупности, возникающей в результате несогласованных изменений нескольких фракций, формирующихся в ходе независимых процессов и вносящих различный вклад в оптику атмосферы [1,2].

При моделировании климатических эффектов тропосферного аэрозоля используются модели всех существующих на сегодня типов: энергобалансовые, радиационно-конвективные и модели общей циркуляции атмосферы. В обычных условиях большая часть атмосферного аэрозоля находится в тропосфере, а его оптическая толщина составляет в среднем 0.125. Данные наблюдений в средних широтах и в арктических районах показали, что заметный вклад в общее содержание аэрозоля вносит антропогенный источник.

Чисто рассеивающий аэрозоль увеличивает альбедо атмосферы, уменьшая таким образом долю радиации, достигающей земной поверхности. При наличии аэрозольного поглощения радиации имеет место прямая «подкачка» энергии в атмосферу. Таким образом возникает «антипарниковый» эффект, когда атмосфера избыточно нагревается, а поверхность охлаждается. Однако поскольку поглощающий аэрозоль является инфракрасным излучателем, одновременно должно иметь место и обратное воздействие - усиление парникового эффекта атмосферы. Общий эффект присутствия поглощающего и рассеивающего радиацию аэрозоля в атмосфере зависит от соотношения между коэффициентами поглощения в коротковолновом и инфракрасном диапазонах, а также от альбедо подстилающей поверхности, высоты солнца и условий облачности. Согласно модельным результатам, вклад фонового тропосферного аэрозоля естественного происхождения в снижение средней глобальной температуры поверхности составляет 1 - 3 К. Антропогенный аэрозоль отличается более интенсивным поглощением радиации, и дальнейшее увеличение его содержания должно привести к уменьшению альбедо безоблачных районов планеты, а значит - к повышению температуры. Рост антропогенных аэрозольных загрязнений происходит в глобальном масштабе достаточно медленно и постепенно, так что его эффекты, по-видимому, маскируются климатическими шумами, связанными с действием в тропосфере радиационных вынуждающих сил иного рода.

Следует отметить, что результаты моделирования лобальных климатических эффектов тропосферного аэрозоля до настоящего времени остаются невалидированными по данным прямых наблюдений. Такая валидация осложняется тем, что мы не располагаем замкнутым набором данных, описывающих связь современного климата с фоновым аэрозолем.

Результаты моделирования климатических эффектов стратосферного аэрозоля (в основном сульфатов вулканического происхождения) также свидетельствует о том, что эти эффекты значительны. Уж первые попытки такого моделирования оказались достаточно успешными в том смысле, что они, по крайней мере частично, были подтверждены данными наблюдений. В отличие от ситуации, имеющей место в тропосфере, изменения концентрации стратосферного аэрозоля отличаются резкостью, значительностью и глобальными масштабами. И модельные расчеты, и данные наблюдений указывают, что крупнейшие вулканические извержения, имевшие место в нынешнем столетии, приводили к временному падению средней глобальной температуры поверхности в пределах нескольких десятых градусов Кельвина [2].

Кроме того, данные расчетов и наблюдений подтвердили, что такие изменения температуры имеют место и в стратосфере, причем они происходят быстрее, имеют большую амплитуду и противоположный знак по сравнению с тропосферной реакцией. Определенный, хотя и скромный, успех подобных модельных расчетов вселил некоторую уверенность в том, что модели климата можно использовать и для оценки климатических эффектов диоксида углерода и других малых газовых составляющих. Исторические и палеоклиматические со всей определенностью указывают на то, что вулканический аэрозоль действительно влияет на климат.

Результаты моделирования специфических климатических эффектов таких типов атмосферного аэрозоля, как дым, вызванные возможным ядерным конфликтом, пыль от падения крупных метеоритов, выбросы сверхзвуковой авиации и транспортных космических кораблей, носят достаточно неопределенный характер. Дополнительная сложность заключается в том, что исследования климатических эффектов стратосферного и тропосферного аэрозоля, как правило, опираются на постулированные данные о физических свойствах и общем содержании аэрозоля, близкие к результатам наблюдений, тогда как при моделировании климатических последствий ядерной войны приходится, по необходимости описывать в рвмках модели механизмы формирования, коагуляции, отложения и вымывания вещества, попавшего в атмосферу. К сожалению, современный уровень понимания процессов преврвщений и переноса даже обычного фонового тропосферного аэрозоля далеко не достаточен.