stringtranslate.com

Ядра конденсации облаков

Аэрозольное загрязнение над северной Индией и Бангладеш ( спутниковый снимок НАСА)

Ядра конденсации облаков ( CCN ), также известные как семена облаков , представляют собой небольшие частицы , обычно размером 0,2  мкм , или одну сотую размера облачной капли. [1] CCN представляют собой уникальную разновидность аэрозолей в атмосфере, на которых конденсируется водяной пар . Это может повлиять на радиационные свойства облаков и всей атмосферы. [2] Для перехода воды из пара в жидкость необходима негазообразная поверхность ; этот процесс называется конденсацией .

В атмосфере Земли эта поверхность представляет собой крошечные твердые или жидкие частицы, называемые CCN. Когда CCN отсутствуют, водяной пар можно переохладить до температуры около -13 ° C (9 ° F) в течение 5–6 часов, прежде чем спонтанно образуются капли. Это основа камеры Вильсона для обнаружения субатомных частиц. [3]

Концепция CCN используется при засеве облаков , который пытается стимулировать выпадение осадков путем засеивания воздуха ядрами конденсации. Было также высказано предположение, что создание таких ядер можно использовать для осветления морских облаков — метода климатической инженерии . [4] Некоторые природные явления окружающей среды, такие как предложенный в гипотезе CLAW , также возникают в результате взаимодействия между естественным образом образующимися CCN и образованием облаков.

Характеристики

Размер

Типичная дождевая капля имеет диаметр около 2 мм, типичная облачная капля — порядка 0,02 мм, а типичное ядро ​​конденсации облаков ( аэрозоль ) — порядка 0,0001 мм или 0,1 мкм или больше в диаметре. [1] Число ядер конденсации облаков в воздухе можно измерить в диапазоне от 100 до 1000 на см 3 . [1] Общая масса CCN, выброшенных в атмосферу, оценивается в2 × 10 12  кг за год. [1]

Состав

Существует множество различных типов атмосферных частиц , которые могут действовать как CCN. Частицы могут состоять из пыли или глины , сажи или черного углерода от луговых или лесных пожаров, морской соли от брызг океанских волн, сажи от фабричных дымовых труб или двигателей внутреннего сгорания, сульфата от вулканической активности, фитопланктона или окисления диоксида серы и вторичных органическое вещество, образующееся в результате окисления летучих органических соединений . [1] Способность этих различных типов частиц образовывать облачные капли варьируется в зависимости от их размера, а также их точного состава, поскольку гигроскопические свойства этих различных компонентов сильно различаются. Например, сульфат и морская соль легко поглощают воду, тогда как сажа, органический углерод и минеральные частицы этого не делают. Это еще более усложняется тем фактом, что многие химические соединения могут быть смешаны внутри частиц (в частности, сульфат и органический углерод). Кроме того, хотя некоторые частицы (например, сажа и минералы) не образуют хорошего CCN, они действуют как ядра льда в более холодных частях атмосферы. [2]

Избыток

Количество и тип CCN могут влиять на количество осадков, время жизни [5] и радиационные свойства облаков и их время жизни. В конечном итоге это влияет на изменение климата . [4] Исследование моделирования под руководством Марсии Бейкер показало, что источники и поглотители уравновешиваются за счет коагуляции и слияния , что приводит к стабильному уровню CCN в атмосфере. [6] [7] Существует также предположение, что изменение солнечной активности может влиять на свойства облаков через CCN и, следовательно, влиять на климат . [8]

Воздушные измерения

Воздушные измерения этих отдельных смешанных аэрозолей, которые могут образовывать CCN на площадке ЗГП, проводились с использованием исследовательского самолета. Исследование CCN, проведенное Кулкарни и др. в 2023 году, описывает сложность моделирования концентраций CCN.

Приложения

Засев облаков

Засев облаков — это процесс, при котором мелкие частицы добавляются в атмосферу, вызывая образование облаков и выпадение осадков. Это было сделано путем рассеивания солей с помощью воздушных или наземных методов. [9] Были исследованы и другие методы, такие как использование лазерных импульсов для возбуждения молекул в атмосфере, [10] и совсем недавно, в 2021 году, эмиссия электрического заряда с помощью дронов. [11] Эффективность этих методов непостоянна. Многие исследования не заметили статистически значимой разницы в количестве осадков, в то время как другие заметили. [ нужна цитата ] Засев облаков может также произойти в результате естественных процессов, таких как лесные пожары, которые выбрасывают в атмосферу мелкие частицы, которые могут действовать как ядра. [12]

Морские облака светлеют

Осветление морских облаков — это метод климатической инженерии, который включает в себя введение мелких частиц в облака для повышения их отражательной способности или альбедо . [13] Целью этого метода является контроль количества солнечного света, достигающего поверхности океана, в надежде снизить температуру поверхности за счет радиационного воздействия . [14] Многие методы включают создание небольших капель морской воды для доставки частиц морской соли в вышележащие облака. [15] [16]

Осложнения могут возникнуть, когда химически активный хлор и бром из морской соли вступают в реакцию с существующими молекулами в атмосфере. Было доказано, что они уменьшают содержание озона в атмосфере; тот же эффект снижает содержание гидроксида, что коррелирует с увеличением продолжительности жизни метана, парникового газа [17] .

Цветение фитопланктона в Северном море и Скагерраке – НАСА

Связь с фитопланктоном и климатом

В статье 1987 года в журнале Nature было обнаружено, что глобальный климат может возникать по принципу обратной связи из-за взаимосвязи между CCN, поведением облаков, регулирующим температуру, и океаническим фитопланктоном. [18] С тех пор это явление стало называться гипотезой CLAW, в честь авторов оригинального исследования. Распространенным CCN над океанами являются сульфатные аэрозоли. Эти аэрозоли образуются из диметилсульфида (ДМС), вырабатываемого водорослями, обнаруженными в морской воде. [18] Крупное цветение водорослей , которое наблюдается в таких районах, как Южно-Китайское море, может внести значительное количество DMS в окружающую атмосферу, что приводит к увеличению образования облаков. [19] [18] Поскольку активность фитопланктона зависит от температуры, эта петля отрицательной обратной связи может действовать как форма регулирования климата.В книге «Месть Геи» , написанной Джеймсом Лавлоком, автором исследования 1987 года, предлагается альтернативная связь между температурой океана и размером популяции фитопланктона. Это было названо гипотезой анти-CLAW. В этом сценарии стратификация океанов приводит к тому, что богатая питательными веществами холодная вода оказывается в ловушке под более теплой водой, где больше всего солнечного света для фотосинтеза. [20] Это подавляет рост фитопланктона, что приводит к уменьшению их популяции и количества сульфатов CCN, которые они производят, с повышением температуры. Таким образом, это взаимодействие снижает альбедо облаков за счет уменьшения образования облаков, вызванных CCN, и увеличивает солнечное излучение, которое позволяет достичь поверхности океана, что приводит к возникновению петли положительной обратной связи. [20]

Вулканический пепел и выбросы газа из вулкана Павлов на Аляске — НАСА

Из вулканов

Вулканы при извержениях выбрасывают в атмосферу значительное количество микроскопических частиц газа и пепла, которые становятся атмосферными аэрозолями. [21] Увеличивая количество аэрозольных частиц посредством процессов преобразования газа в частицы, содержимое этих извержений может затем влиять на концентрации потенциальных ядер конденсации облаков (CCN) и зародышеобразователей льда (INP) , что, в свою очередь, влияет на облака. свойств и приводит к изменениям местного или регионального климата. [22]

Из этих газов при извержениях вулканов чаще всего встречаются диоксид серы, углекислый газ и водяной пар. [23] Хотя водяной пар и диоксид углерода CCN естественным образом присутствуют в атмосфере в изобилии, увеличение содержания CCN диоксида серы может повлиять на климат, вызывая глобальное похолодание . [24] Почти 9,2 Тг диоксида серы ( SO 2 ) выбрасывается вулканами ежегодно. [22] Этот диоксид серы преобразуется в серную кислоту , которая быстро конденсируется в стратосфере с образованием мелких сульфатных аэрозолей. [24] Нижние слои атмосферы Земли, или тропосфера, охлаждаются в результате увеличения способности аэрозолей отражать солнечную радиацию обратно в космос.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abcde «Формирование дымки, тумана и облаков: ядра конденсации» . Проверено 25 ноября 2014 г.
  2. ^ Аб Хадсон, Джеймс Г. (1 апреля 1993 г.). «Облачные ядра конденсации». Журнал прикладной метеорологии и климатологии . 32 (4): 596–607. Бибкод : 1993JApMe..32..596H. doi : 10.1175/1520-0450(1993)032<0596:CCN>2.0.CO;2 . ISSN  1520-0450.
  3. ^ Национальный исследовательский совет. Отдел исследований Земли и жизни, Национальный исследовательский совет. Совет по атмосферным наукам и климату, Национальный исследовательский совет. Совет по океаническим исследованиям (2015). Климатическое вмешательство: отражение солнечного света для охлаждения Земли. Вашингтон, округ Колумбия, ISBN 978-0-309-31483-1. ОКЛК  914166140.{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка )
  4. ^ аб Т., Хоутон, Дж. (2001). Изменение климата 2001 г. научная основа. Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-80767-0. OCLC  1295485860.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  5. ^ Хаин, АП; БенМоше, Н.; Покровский А. (1 июня 2008 г.). «Факторы, определяющие влияние аэрозолей на приземные осадки из облаков: попытка классификации». Журнал атмосферных наук . 65 (6): 1721–1748. Бибкод : 2008JAtS...65.1721K. дои : 10.1175/2007jas2515.1 . S2CID  53991050.
  6. ^ Бейкер, Марсия Б.; Чарльсон, Роберт Дж. (1990). «Бистабильность концентраций CCN и термодинамика в пограничном слое над облаками». Природа . 345 (6271): 142–145. Бибкод : 1990Natur.345..142B. дои : 10.1038/345142a0. ISSN  1476-4687. S2CID  34623897.
  7. ^ Бейкер, МБ (1 января 1993 г.). «Изменчивость концентраций ядер конденсации облаков в пограничном слое над морскими облаками». Теллус Б: Химическая и физическая метеорология . 45 (5): 458–472. Бибкод : 1993TellB..45..458B. дои : 10.3402/tellusb.v45i5.15742 .
  8. ^ Ю, Фанцюнь; Ло, Ган (01 апреля 2014 г.). «Влияние солнечных изменений на образование частиц и ядра конденсации облаков». Письма об экологических исследованиях . 9 (4): 045004. Бибкод : 2014ERL.....9d5004Y. дои : 10.1088/1748-9326/9/4/045004 . ISSN  1748-9326. S2CID  121900557.
  9. ^ Воннегут, Б.; Чессен, Генри (26 ноября 1971 г.). «Зародышеобразование льда соосажденными йодидом и бромидом серебра». Наука . 174 (4012): 945–946. Бибкод : 1971Sci...174..945В. дои : 10.1126/science.174.4012.945. ISSN  0036-8075. PMID  17773193. S2CID  37459080.
  10. ^ «Лазер создает облака над Германией» . Новый учёный . 2 мая 2010 г. Архивировано из оригинала 5 декабря 2010 г. Проверено 5 декабря 2022 г.
  11. ^ «ОАЭ проведут испытания дронов, разрушающих облака, чтобы увеличить количество осадков» . Новости BBC . 17 марта 2021 г. Проверено 5 декабря 2022 г.
  12. ^ Барри, Кевин Р.; Хилл, Томас CJ; и другие. (16 февраля 2021 г.). «Наблюдения за частицами, образующими ледяные ядра, в свободной тропосфере в результате лесных пожаров на западе США». Журнал геофизических исследований: Атмосфера . 126 (3). Бибкод : 2021JGRD..12633752B. дои : 10.1029/2020JD033752. ISSN  2169-897X. S2CID  233962401.
  13. ^ Альм, Ларс; Джонс, Энди; Стьерн, Камилла В.; Мури, Хелен; Кравиц, Бен; Кристьянссон, Йон Эгилл (6 ноября 2017 г.). «Осветление морских облаков – так же эффективно и без облаков». Химия и физика атмосферы . 17 (21): 13071–13087. Бибкод : 2017ACP....1713071A. дои : 10.5194/acp-17-13071-2017 . hdl : 10852/59113 . ISSN  1680-7324.
  14. ^ Межправительственная группа экспертов по изменению климата (редактор), «Антропогенное и естественное радиационное воздействие, страницы 705–740», Изменение климата, 2013 г. - Основы физических наук , Кембридж: Cambridge University Press, стр. 705–740, doi : 10.1017/cbo9781107415324. 019 , получено 5 декабря 2022 г.
  15. ^ Эванс, JRG; Страйд, EPJ; Эдирисингхе, MJ; Эндрюс, диджей; Саймонс, Р.Р. (6 июля 2010 г.). «Может ли океаническая пена ограничить глобальное потепление?». Климатические исследования . 42 (2): 155–160. Бибкод : 2010ClRes..42..155E. дои : 10.3354/cr00885 . ISSN  0936-577X.
  16. ^ Баррерас, Ф.; Амаведа, Х.; Лозано, А. (июнь 2002 г.). «Переходное высокочастотное ультразвуковое распыление воды». Эксперименты с жидкостями . 33 (3): 405–413. Бибкод : 2002ExFl...33..405B. дои : 10.1007/s00348-002-0456-1. ISSN  0723-4864. S2CID  122323760.
  17. ^ Горовиц, Ханна М.; Холмс, Кристофер; Райт, Алисия; Шервен, Томас; Ван, Сюань; Эванс, Мэт; Хуан, Цзяюэ; Джагле, Лятт; Чен, Цяньцзе; Чжай, Шутинг; Александр, Бекки (28 февраля 2020 г.). «Влияние выбросов аэрозолей морской соли на осветление морских облаков на химический состав атмосферы: последствия для радиационного воздействия». Письма о геофизических исследованиях . 47 (4): e2019GL085838. Бибкод : 2020GeoRL..4785838H. дои : 10.1029/2019GL085838. ISSN  0094-8276. ПМЦ 7375039 . ПМИД  32713977. 
  18. ^ abc Чарльсон, Роберт Дж.; Лавлок, Джеймс Э.; Андреэ, Мейнрат О.; Уоррен, Стивен Г. (1987). «Океанический фитопланктон, атмосферная сера, альбедо облаков и климат». Природа . 326 (6114): 655–661. Бибкод : 1987Natur.326..655C. дои : 10.1038/326655a0. ISSN  1476-4687. S2CID  4321239.
  19. ^ "Серия достижений морской экологии 268:31" (PDF) . int-res.com . Проверено 21 апреля 2018 г.
  20. ^ ab Лавлок, Джеймс (2007). Месть Геи: почему Земля сопротивляется – и как мы еще можем спасти человечество. Лондон: Пингвин. ISBN 978-0-14-102597-1. ОСЛК  72867986.
  21. ^ «Ключевые факты об извержениях вулканов | Вулканы» . www.cdc.gov . Проверено 5 декабря 2022 г.
  22. ^ аб Аргавани, Сомайе; Роза, Клеманс; Бэнсон, Сандра; Планш, Селин; Селлегри, Карин (04 марта 2021 г.). «Влияние использования новой параметризации нуклеации в модели WRF-Chem на скорость образования кластеров и концентрацию частиц в пассивном вулканическом шлейфе». Тезисы докладов Генеральной Ассамблеи Эгу . Бибкод : 2021EGUGA..2312058A. doi : 10.5194/egusphere-egu21-12058 . S2CID  236762909.
  23. ^ «Какие газы выбрасывают Килауэа и другие действующие вулканы? | Геологическая служба США» . www.usgs.gov . Проверено 5 декабря 2022 г.
  24. ^ ab «Вулканы могут повлиять на климат | Геологическая служба США». www.usgs.gov . Проверено 5 декабря 2022 г.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки