Влияние городского антропогенного аэрозоля на микрофизические характеристики атмосферы

ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ

РАБОТА БАКАЛАВРА

Анализ влияния антропогенных аэрозолей на

физические параметры атмосферы

Санкт-Петербург

1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..................................................................................................3

1. Антропогенный аэрозоль.......................................................................4

1.1. Физико-химические свойства антропогенного аэрозоля................4

1.1.1. Сажа....................................................................................................5

1.1.2. Пепел..................................................................................................8

1.2 Влияние антропогенных аэрозолей на физические

процессы..............................................................................................16

1.2.1. Изменение климата городов..........................................................16

1.2.2. Особенности фазовых переходов воды в загрязненной

атмосфере........................................................................................17

2. Климатические эффекты аэрозолей...................................................21

2.1. Влияние аэрозоля на физические параметры атмосферы.........22

2.2. Аэрозоль как элемент климатической системы............................24

2.3. Радиационные эффекты аэрозоля..................................................26

2.4. Локальные эффекты городского тропосферного аэрозоля........31

2.5. Влияние аэрозоля на облачность...................................................32

2.6. Расчет зависимостей физических параметров атмосферы от

массовой концентрации антропогенного аэрозоля

Заключение...........................................................................................35

Список использованной литературы.................................................38

Приложение...........................................................................................39

ВВЕДЕНИЕ

Проблему влияния аэрозоля на климат можно без преувеличения назвать центральной и наиболее сложной из всего комплекса проблем “аэрозоли и климат”. Дело в том, что антропогенные аэрозоли наиболее разнообразны по структуре и своим физико-химическим свойствам, а их вклад в общее содержание атмосферного аэрозоля постоянно растет и может быть резко увеличен.

В прошлом климат Земли изменялся много раз без воздействия или при малом воздействии антропогенных источников. Поэтому возника-ет вопрос: может ли оказать воздействие на климат присутствие в атмо-сфере аэрозоля вообще и антропогенного в частности. Отмечалось, что глобальные выбросы антропогенного аэрозоля в настоящее время доста-точно велики. Так, среднегодовой выброс аэрозоля из естественных ис-точников составляет 2312 млн. т, а из антропогенных-296 млн. т, что со-ставляет соответственно 88.5 и 11.5% от общего среднегодового количе-ства генерируемого аэрозоля.

При оценке потенциального влияния антропогенного аэрозоля важ-но сознавать, что его образование ограничено промышленными центрами, расположенными в основном в Северной Америке, Европе, Японии и на части территории Австралии. Таким образом, 296 млн. т антропогенного аэрозоля образуется над площадью, равной примерно 2.5% поверхности Земли. Для сравнения отметим, что эта же территория продуцирует 58 млн. т аэрозоля естественного происхождения, т. е. лишь 20% от антро-погееного аэрозоля. Эта относительно высокая концентрация антропоген-ного аэрозоля над относительно маленькой площадью позволяет предпо-ложить возможность локального, вполне вероятно что и регионального, воздействия на климат. Например, в большом количестве работ рассмат-ривается влияние больших промышленных центров на процесс облакооб-разования, влияние промышленности на термический режим атмосферы, изменение прозрачности атмосферы в результате хозяйственной деятель-ности человека. Известно, что изменение аэрозольной оптической толщи-ны со временем в стратосфере после вулканических извержений, а в тропосфере от промышленных загрязнений и пылевых бурь могут вызы-вать климатические изменения.

Непоглощающий аэрозоль увеличивает альбедо атмосферы и, следовательно уменьшает количество солнечной радиации, достигающей поверхности Земли. Если аэрозоль поглощает в коротковолновой области спектра, то поглощенная энергия солнечного излучения передается атмо-сфере. Это приводит к нагреванию атмосферы и охлаждению подстилаю-щей поверхности. Если аэрозоль поглощает и соответственно испускает энергию в инфракрасной области спектра, то это приводит к противопо-ложному результату, т. е. энергия выводится из тропосферы, что приво-дит к охлаждению воздуха и усилению парникового эффекта у поверхно-сти Земли. Общий эффект зависит от соотношения коэффициентов по-глощения в видимой и инфракрасной области, а также от альбедо по-верхности. Изменение радиационных потоков в аэрозольной атмосфере приводит к изменению ее температурной стратификации, а также к изме-нению температуры земной поверхности.

Те же механизмы, что приводят к изменению температурного ре-жима поверхности и атмосферы, могут влиять на точность определения температуры поверхности моря и суши из космоса, и на возникновение и поведение воздушных потоков, включая развитие струйных течений на низких высотах. Эти факторы сказываются также на точность местного и регионального прогноза погоды. Наличие сильных полос поглощения в атмосферном “окне” 8 -12 мкм для аэрозоля аридного происхождения мо-жет привести к уменьшению температуры подстилающей поверхности, ко-торое достигает нескольких кельвинов.

Влияние аэрозоля на климат наиболее ощутимо в промышленных районах вследствие того, что воздействие его на радиационные потоки приводит к нагреванию атмосферы и стабилизации конвективных процес-сов. Так, в одной из работ американских ученых на базе западных рай-онов США, показано, что присутствие аэрозоля может привести к усиле-нию температурных инверсий и тем самым к накоплению промышленного выброса.

С помощью аэрозолей можно воздействовать на атмосферные процессы. Наука о воздействии на атмосферные процессы становится одной из важнейших, чему способствуют следующие обстоятельства. Ураганы, гро-зы, град, катастрофические ливни, туманы, нарушение экологического режима различных слоев атмосферы, обледенение и электрическое поражение лета-тельных аппаратов, наземных и морских объектов и другие опасные природ-ные явления наносят ощутимый урон народному хозяйству. Поэтому исследу-ются возможности прогнозировать эти явления и предотвращать их. Вместе с тем, искусственные воздействия,способствующие улучшению погодных усло-вий , могут оказаться эффективным средством повышения урожаев, улучше-ния видимости, ослабления катастрофических явлений и т. п.

Представление о том, в какой мере человек может управлять атмо-сферными процессами, периодически менялось со временем. На сегодняшний день теоретически разработаны методы управления облаками, перераспреде-ления и интенсификации осадков, борьбы с градом, рассеяния облаков и ту-манов, воздействия на ураганы и антициклоны, преднамеренного и непредна-меренного нарушения равновесия в ионосфере и озоносфере. Но на практике наиболее применительными из них являются методы воздействия на облака и осадки и искусственного рассеяния и создания туманов [7].

1. АНТРОПОГЕННЫЙ АЭРОЗОЛЬ

1.1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АНТРОПОГЕННЫХ

АЭРОЗОЛЕЙ

Концентрация в атмосфере аэрозольных частиц антропогенного происхождения зависит в первую очередь от интенсивности генерации и времени их существования. Время жизни частиц определяется как разме-рами, так и другими их физико-химическими свойствами, а также высотой слоя атмосферы, в который они первоначально введены. В приземном слое частицы, радиус которых превышает 10 мкм, осаждаются на земную поверхность через несколько часов после поступления в атмосферу. Час-тицы субмикронного размера обладают высокой подвижностью и в ре-зультате интенсивного броуновского движения и коагуляции достаточно быстро укрупняются, образуя моду малых частиц. Эта мода аэрозольных частиц может находиться в воздухе достаточно длительное