34675

Прямий аерозольний вплив аерозолів на клімат. Непрямий аерозольний ефект впливу на клімат

Лекция

Экология и защита окружающей среды

Вивчення впливу аерозолів збільшення вмісту яких в значній мірі теж повязане з діяльністю людини розпочалося лише в 1990х роках. Тому існує ще досить багато невизначеностей щодо кліматоформуючої ролі аерозолів. На відміну від парникових газів які досить рівномірно розподілені в атмосфері завдяки довготривалому перемішуванню час перебування деяких з них в атмосфері може досягати 100 років розподіл аерозолів дуже нерівномірний.

Украинкский

2013-09-08

259.5 KB

5 чел.

Прямий аерозольний вплив аерозолів на клімат

Непрямий аерозольний ефект впливу на клімат

Аналіз сучасного стану теорії клімату, а також результати робіт, що посвячені оцінці ролі аерозолю як кліматоутворюючого чинника , свідчать про важливу роль аерозольно-радіаційних ефектів.

Про вплив антропогенних парникових газів на клімат стало відомо вже досить давно і декілька десятиліть ця проблема стоїть в центрі уваги вчених. Вивчення впливу аерозолів, збільшення вмісту яких в значній мірі теж пов’язане з діяльністю людини, розпочалося лише в 1990-х роках. Тому існує ще досить багато невизначеностей щодо кліматоформуючої ролі аерозолів.

На відміну від парникових газів, які досить рівномірно розподілені в атмосфері завдяки довготривалому перемішуванню (час перебування деяких з них в атмосфері може досягати 100 років), розподіл аерозолів дуже нерівномірний. Час перебування їх в атмосфері дуже короткий, тому найбільші концентрації їх спостерігаються навколо джерел викидів. На розподіл аерозолів впливає також циркуляція атмосфери: регіональна і локальна циркуляція дуже ускладнює загальні закономірності розподілу аерорзолей, а, отже, ускладнює і вивчення їх кліматичного ефекту.

Tab. 2: Кліматичні ефекти аерозолів 

Назва

Прямий вплив

Вплив на верхню межу атмосфери

Вплив на приземний шар атмосфери

Прямий ефект

Відбиття радіації, часткове поглинання

Охолодження,
частковий підігрів

Охолодження

Опосередкований ефект

Конденсація води, утворення хмар,
Льодових та змішаних хмар

Охолодження,
частковий підігрів

Охолодження,
частковий підігрів

Напівпрямий ефект

Поглинання  та руйнування хмар

Підігрів

Підігрів

Аерозоль як елемент кліматичної системи відіграє подвійну роль, по-перше, безпосередньо впливаючи на умови переносу радіації в атмосфері, а по-друге, змінюючи протяжність, мікроструктуру і радіаційні властивості хмарності. Поглинаючи сонячну і теплову радіацію, аерозоль обумовлює нагрівання тих областей атмосфери, де він локалізований. Змінюючи радіаційний баланс на рівні верхньої межі атмосфери, аерозоль впливає на тепловий баланс кліматичної системи в цілому. Ці радіаційні збурення можуть призводити до варіацій температури атмосфери і земної поверхні, а потім і до змін інших параметрів клімату [1].

Аерозольні частинки мають властивість збільшувати альбедо атмосфери, зменшуючи таким чином частку радіації, яка досягає земної поверхні. При наявності аерозольного поглинання радіації має місце пряма "підкачка" енергії в атмосферу. Таким чином винакає "антипарниковий" ефект, коли атмосфера нагрівається, а поверхня охолоджується. Однак, так як поглинальний аерозоль є інфрачервоним випромінювачем, одночасно повинна спостерігатись і зворотня дія – посилення парникового ефекту атмосфери. Загальний ефект присутності поглинаючого і розсіюючого радіацію аерозоля в атмосфері залежить від співвідношення між коефіціентами поглинання в короткохвильовому і інфрачервоному діапазонах, а також від альбедо підстильної поверхні, висоти сонця і умов хмарності. Антропогенний аерозоль характеризується більш інтенсивним, ніж природний, поглинанням радіації [11], і подальше збільшення його вмісту повинно призвести до зменшення альбедо безхмарних районів планети, а, отже, - до збільшення температури [1; 9].

5.1. Прямий радіаційний  ефект аерозолей

Радіаційний форсинг аерозолів визначається як різниця між кількістю радіації на верхній межі атмосфери в сучасний та доіндустріальний  період. Оцінка прямого впливу аерозолів на радіаційний баланс дає досить широкі


Abb. 8:
Прямий радіаційний  ефект аерозолів

Прямий вплив аерозолів на формування клімату полягає в зміні радіаційного балансу на рівні верхньої межі атмосфери. З одного боку аерозолі збільшують альбедо атмосфери, зменшуючи таким чином частку радіації, яка досягає земної поверхні. В результаті цього може відбуватися охолодження приземних шарів атмосфери.

МГЕЗК оцінює зміну радіаційного балансу, спричиненого впливом аерозолів за період від початку індустріалізації такими величинами: - 0,4 Вт/м2 для сульфатних аерозолів та -0,2 Вт/м2  для органічних аерозолів – продуктів спалювання біомаси, - 0,1 Вт/м2 для органічних аерозолів – продуктів спалювання викопних видів палива14

Це означає. що

 

Антропогенні аерозолі (в першу чергу, сульфати, органічний вуглець, чорний вуглець, нітрати і пил) спільно спричиняють охолоджуючий ефект, з сумарним випромінювальним ефектом -0.5 [- 0.9 ... – 0.1] Вт/м2 та непрямим ефектом альбедо хмар -0.7 [-1.8 ... – 0.3] Вт/м2. Завдяки вдосконале- ним супутниковим та наземним дослідженням in

situ та вдосконаленому моделюванню, ці ефекти наразі краще зрозумілі, ніж в період написання  Третьої оціночної доповіді ІРСС. Аерозолі також впливають на тривалість періоду існування хмар та опади. {2.4, 2.9, 7.5}


Abb. 8a: Прямий вплив сульфатних аерозолів на радіаційний баланс (порівняння 1990 з 185016a 


Abb. 9: Die direkte Störung der Strahlungsbilanz durch anthropogene Aerosole
20

5.2. Непрямий аерозольний ефект

Модельні розрахунки показали, що збільшення радіаційного форсингу на верхній межі атмосфери на 1 W/м2 призводить до підвищення температури повітря в приземному шарі атмосфери на 0,5-0,8 oC.

З 2,4 W/м2 додаткової радіації, яка, починаючи з 1750 р. за оцінками МГЕЗК  (рис. 1 (SPM-2) сформувалася завдяки парниковому ефекту від довгоживучих парникових газів CO2, CH4, N2O та FCKW, 0,4 W/м2 поглинається океаном. 2 W/м2, які залишаються, можуть спричинити потепління від 1 до 1,6 oC. Проте цього не відбувається: реальне потепління оцінюється величиною 0,6 - 0,7 oC.  Цілком очевидно, що за цю різницю (0,4 – 0,9 oC)  відповідає аерозольна компонента земної атмосфери, яка за даними тієї ж МГЕЗК [Зміна клімату 2007: фізична наукова база] зменшує потік радіації на 1 W/м2.

За даними Метеорологічного інституту Макса Планка (м Гамбург, Німеччина) завдяки аерозолям з 1860р.  по1985 р. середня глобальна температура приземного шару атмосфери зменшилася на 0,9 oC.

Значення аерозолів на формування глобального клімату можна оцінити і таким чином: якби не вплив аерозолів, то сумарне потепління завдяки парниковому ефекту вже зараз могло б досягти 1,7oC. Зміна ж середньої глобальної температури навіть на 1oC може мати великі негативні екологічні наслідки, адже цього досить для зміщення ізотерм на земній поверхні на 260 км, що приведе до зміни природних умов у багатьох регіонах світу.

Рис.11. Зміна середньої приземної температури з урахуванням впливу аерозолів (прямий і опосередкований ефект) на радіаційний режим  в порівнянні із  її значенням  в доіндустріальний період. Результати розрахунків за моделлю Метеорологічного інституту Макса Планка (м Гамбург, Німеччина) [28. verändert nach Feichter,J., E. Roeckner, U. Lohmann, and B. Liepert (2004): Nonlinear Aspects of the Climate Response to Greenhouse Gas and Aerosol Forcing, Journal of Climate 17, 2384-2398а]

Рис. 11 показує, що вплив аерозолів  проявляється в глобальному масштабі і виражається у зменшенні температур. Температурний ефект  аерозолів залежить від їх просторового розподілу:  він найсильніше проявляється в північній півкулі; над континентами він більший, ніж над океаном.

Помітний прояв цього впливу на території Сибіру та в полярних зонах. Значну роль у цьому відіграє фактор альбедо снігового покриву, формуванню і поширенню якого в свою чергу сприяє охолодження приземного шару повітря  за рахунок аерозольного ефекту. Сніговий покрив чудово відбиває сонячну радіацію і сприяє подальшому охолодженню повітря.

На  малозабруднених  океанічних просторах Південної півкулі вплив аерозолів на клімат має найменші значення.

На усіх географічних широтах посилення глобального потепління над континентами, що викликане впливом парникових газів, набагато перевищує „охолоджуючий” ефект аерозолів (рис.12).


Рис. 12: Результати моделювання впливу парникових газів (верхня крива), аерозолів (нижня крива) та одночасного впливу парникових газів і аерозолів(середня крива) на зміну температури повітря над континентами в порівнянні з її значенням в доіндустріальний період (0 oC). [29. verändert nach Feichter,J., E. Roeckner, U. Lohmann, and B. Liepert (2004): Nonlinear Aspects of the Climate Response to Greenhouse Gas and Aerosol Forcing, Journal of Climate 17, 2384-2398]

Підвищення середньої глобальної температури приземного шару атмосфери в ХХ столітті в дві стадії ( до і в 40-і роки та починаючи з 70-х років) свідчить, що до цього причетні не тільки парникові гази та аерозолі, а й інші чинники, такі, наприклад, як коливання сонячної активності, вулканічна діяльність, тощо.

Хід температури в останні десятиріччя чітко обумовлений з одного боку впливом парникових газів, з іншого -  аерозолів. Враховуючи природні фактори впливу на клімат виникає дивний парадокс: з одного боку глобальна температура стабільно зростає, а з іншого – численні метеорологічні станції по всьому світу реєстрували зменшення припливу сонячної радіації на земну поверхню з 1960-х по 1980-і роки на 7 W2 або в середньому для земної кулі на  4%.

Пояснення можна знайти в зростанні викидів антропогенних парникових газів та пов'язаним із ним, з одного боку, зростанням вмісту водяної пари в атмосфері, а з іншого боку – збільшенням вмісту антропогенних аерозолів в атмосфері та пов’язаним з ним збільшенням хмарності (покриття хмарами?). [30. Liepert, B.G., J. Feichter, U. Lohmann, E. Roeckner: Can aerosols spin down the water cycle in a warmer and moister world?, Geophys. Res. Lett., 31, No. 6, doi: L0620710.1029/2003GL019060].

Аерозолі послаблюють безпосередньо надходження сонячної радіації у вільній від хмар атмосфері та опосередковано через їх вплив на хмароутворення.

До цього слід додати, що аерозолі, сприяючи охолодженню земної поверхні та частково потеплінню в середній тропосфері, змінюють вертикальний температурний профіль. Це може внести певні зміни в гідрологічний цикл.


Рис. 13:  Глобальний широтний розподіл сонячної радіації на земній поверхні в 1958р. і в 1992 р. [32. Trenberth, K.E., A. Dai, R.M. Rasmussen, and D.B. Parsons (2003): The Changing Character of Precipitation, pBulletin of the American Meteorological Society 84, 1205-1217]

Загальноприйнято вважати, що гідрологічний цикл внаслідок глобального потепління спричиненого зростанням вмісту парникових газів значно інтенсифікувався [32. Trenberth, K.E., A. Dai, R.M. Rasmussen, and D.B. Parsons (2003): The Changing Character of Precipitation, pBulletin of the American Meteorological Society 84, 1205-1217]. Майже усі кліматичні моделі показують, що нагрівання земної поверхні на 1oC сприяє збільшенню випаровування, особливо з поверхні океану, та збільшенню атмосферних опадів на 2-3%.

Особливо збільшується випаровування коли пружність водяної пари нагрітої атмосфери збільшується. Спостереження, проведені в останні 50 років, загалом підтверджують ці модельні розрахунки (за виключенням окремих регіонів, де випаровування не збільшується). Можливим поясненням цього може бути зменшення сонячної радіації через збільшення хмарності. або вмісту аерозолів в атмосфері.

Модельні розрахунки підтверджують такі зв’язки [34. Liepert, B.G., J. Feichter, U. Lohmann, E. Roeckner: Can aerosols spin down the water cycle in a warmer and moister world? Geophys. Res. Lett., 31, No. 6, doi: L0620710.1029/2003GL019060  ]: збільшення  хмарності та  вмісту аерозолів в атмосфері в останні десятиліття за даними моделювання призводить до зменшення притоку сонячної радіації на земну поверхню на величину 5,2 (над континентами) і  на 3,8 W2 (глобальна величина).

Аерозолі протидіють впливу парникових газів на випаровування та опади. По-перше, вони уповільнюють (зменшують) випадання опадів завдяки їхньому впливу на формування розміру крапель.

По-друге, зменшується випаровування через аерозольне „перехоплення” потоку сонячної радіації і, як наслідок, відбувається зменшення кількості опадів.

По-третє, нагрівання нижньої атмосфери завдяки поглинанню сонячної радіації аерозолями, перш за все частинками сажі, зменшує вертикальний температурний градієнт (уповільнюється зниження температури з висотою) а це ослаблює підйом теплого насиченого водяною парою повітря і  уповільнює процеси опадоутворення.

Нагрівання нижньої атмосфери, знову ж таки завдяки частинкам сажі,  теж приводить до зменшення хмарності та опадів35.  Цей ефект, поки що не був підтверджений метеорологічними спостереженнями, проте модельні розрахунки свідчать про дуже чіткий звязок.

Останні модельні розрахунки показали,36 що зміна величини випаровування та кількості опадів за рахунок аерозольного ефекту може бути більшою, ніж за рахунок парникового ефекту. Гідрологічний цикл реагує на зміну вмісту аерозолів втричі сильніше, ніж на зміну концентрації парникових газів.

Під час глобального потепління гідрологічний цикл інтенсифікується, але вплив аерозолей на радіаційний потік, що надходить на поверхню землі є достатнім для того, щоб пригальмувати його. Це проявляється, в першу чергу, у зменшенні опадів, особливо помітному над регіонами з високим аерозольним навантаженням. Оскільки опади є основним механізмом видалення аерозолів з атмосфери, то їх зменшення приводить до підвищення концентрації аерозолів. Крім того, охолодження земної поверхні завдяки аерозольному ефекту стабілізує нижній шар атмосфери і зменшує конвекцію. Отже, на регіональному рівні роль аерозольного чинника на формування клімату може бути ефективнішим, ніж  роль парникових газів, які мають більше значення для глобальних кліматичних процесів.

Прикладом може бути зменшення опадів в окремих регіонах, особливо над континентами в низьких широтах.

Антропогенний аерозольний ефект сильно залежить від стану клімату. За однакових емісій концентрація аерозолів в атмосфері для умов клімату з парниковим ефектом нижча, ніж для клімату без парникового підігріву. Через парниковий підігрів кількість аерозолів в атмосфері зменшується. Причиною є коротший час перебування аерозолів в атмосфері, обумовлений посиленням опадів і, відповідно, вимиванням аерозолів.

В більш холодному кліматі спостерігається послаблення гідрологічного циклу, що повязано з довшим часом перебування аерозолів і, відповідно, їх більшим просторовим поширенням.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

26872. Концевой мозг 6.84 KB
  Отделяется от обонятельного мозга базальной пограничной бороздой sulcus basalis. Комиссурапъные волокна соединяют участки коры в разные полушариях и образуют самую большую спайку мозга мозолистое тело corpus coltosum . Проекционные волокна соединяют участки коры с разными отделами головного и спинного мозга. В ней заключён желудочек ventriculus bulbi olfactorii являющийся продолжением бокового желудочка мозга.
26873. Промежуточный мозг 4.51 KB
  Состоит из зрительных бугров третьего мозгового желудочка и сосудистого сплетения с покрышкой третьего мозгового желудочка. Отделены от хвостатых ядер пограничной полоской stria terminalis а от четверохолмия поперечной Бороздой а друг от друга ямкой зрительных бугров прикрытой сосудистой покрышкой третьего мозгового желудочка. От перекреста зрительных нервов chiasma opticus начинаются зрительные тракты tractus optici которые подходят к зрительным буграм. Третий мозговой желудочек ventriculus tertius лежит между...
26874. Средний мозг 2.9 KB
  Средний мозг mesencephalon состоит из ножек большого мозга покрышки ножек или чепца пластинки четверохолмия и мозгового водопровода. Ножки большого мозга pedunculi cerebri в виде двух толстых валиков лежат впереди мозгового моста. Покрышка ножек или чепец tegmentum pedunculi помещается в центре мозга между ножками большого мозга и четверохолмием. Пластинка четверохолмия lamina quadrigemina представляет дорсальную часть мозга.
26875. Задний мозг 3.96 KB
  Задний мозг metencephalon состоит из мозжечка cerebellum и мозгового варолиева моста pons cerebri Varoli . Между ними остаётся глубокая щель верхушка шатра fastigium являющаяся дорсальным отделом четвертого мозгового желудочка. Построен из серого и белого мозгового вещества. Построен он из белого мозгового вещества по периферии и серого в виде ядер.
26876. Продолговатый мозг 4.44 KB
  От начала пирамид отходит VI пара отводящий черепномозговых нервов. От перекреста XII пара подъязычный; от боковой поверхности продолговатого мозга отходят: пары нервов лицевой слуховой языкоглоточный блуждающий и добавочный. На нём выступает лицевой холмик colliculus facialis где сосредоточены ядра отводящего и лицевого нервов. Позади лицевого холмика расположено поле подъязычного нерва area hypoglossi а латерапьнее от него находится серое крыло alia cinerea в котором лежат ядра...
26877. Желудочки головного мозга 5 KB
  Желудочки головного мозга. К желудочкам головного мозга относятся: Боковые желудочки ventriculi laterales telencephalon; Боковые желудочки головного мозга лат. ventriculi laterales полости в головном мозге содержащие ликвор наиболее крупные в желудочковой системе головного мозга. Третий желудочек ventriculus tertius diencephalon; Третий желудочек мозга ventriculus tertiusнаходится между зрительными буграми имеет кольцевидную форму так как в него прорастает промежуточная масса зрительных бугровmassa intermedia thalami.
26878. Оболочки и сосуды головного и спинного мозга 4.04 KB
  Оболочки и сосуды головного и спинного мозга Головной и спинной мозг окружен тремя мозговыми оболочками meninges. В области большого затылочного отверстия оболочки головного мозга переходят в оболочки спинного мозга. 4 показаны оболочки головного мозга. Твердая оболочка спинного мозга отделена от внутренней поверхности позвоночного канала от надкостницы позвоночного канала надоболочечным эпидуральным пространством.
26879. Общие закономерности строения и ветвления спинномозговых нервов 5.94 KB
  Спинномозговые нервы от спинного мозга отходят метамерно в соответствии с делением костной основы и подразделяются на шейные грудные поясничные крестцовые и хвостовые. Черепномозговые нервы отходят от продолговатого с XII по V пару и среднего мозга IV и III пары. Черепномозговые нервы отходят преимущественно одним корнем соответствующим дорсальному или вентральному корешку спинномозгового нерва. Строение Спинномозговые или спинальные нервы 31 пара берут начало в спинном мозге и выходят из него между соседними позвонками почти по...
26880. Грудные спинномозговые нервы. Плечевое сплетение 3.12 KB
  Грудные спинномозговые нервы. Основные нервы Дорсальный нерв лопатки тп. dorsalisscapulae Надлопаточный нерв п. suprascapularrs Подлопаточные нервы шї.