stringtranslate.com

Ядра конденсации облаков

Аэрозольное загрязнение над северной Индией и Бангладеш ( снимок со спутника NASA)

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 уникальный подкласс аэрозолей в атмосфере, на которых конденсируется водяной пар . Это может повлиять на радиационные свойства облаков и всей атмосферы. [2] Для перехода водяного пара в жидкое состояние требуется негазообразная поверхность ; этот процесс называется конденсацией .

В атмосфере Земли эта поверхность представлена ​​крошечными твердыми или жидкими частицами, называемыми CCN. Когда CCN отсутствуют, водяной пар может быть переохлажден 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 в засеве облаков , который пытается вызвать выпадение осадков путем засевания воздуха ядрами конденсации. Кроме того, было высказано предположение, что создание таких ядер может быть использовано для осветления морских облаков , метода климатической инженерии . [4] Некоторые природные явления окружающей среды, такие как предложенные в гипотезе CLAW, также возникают из-за взаимодействия между естественными CCN и образованием облаков.

Характеристики

Размер

Типичная капля дождя имеет диаметр около 2 мм, типичная облачная капля имеет размер порядка 0,02 мм, а типичное ядро ​​конденсации облака ( аэрозоль ) имеет диаметр порядка 0,0001 мм или 0,1 мкм или более. [1] Количество ядер конденсации облака 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 в течение года. [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 заводских дымовых труб или двигателей внутреннего сгорания, сульфата от вулканической активности, фитопланктона или окисления диоксида серы и вторичного органического вещества, образованного окислением летучих органических соединений . [1] Способность этих различных типов частиц образовывать облачные капли варьируется в зависимости от их размера, а также от 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 — нет. Это еще больше усложняется тем фактом, что многие химические виды могут быть смешаны внутри частиц (в частности, сульфат и органический углерод). Кроме того, хотя некоторые частицы (такие как сажа и минералы) не создают очень хороших CCN, они действуют как ядра льда в более холодных частях атмосферы. [2]

Избыток

Количество и тип CCN могут влиять на количество осадков, [5] время жизни и радиационные свойства облаков и их время жизни. В конечном итоге это влияет на изменение климата . [4] Исследования моделирования под руководством Марсии Бейкер показали, что источники и стоки уравновешиваются коагуляцией и коалесценцией , что приводит к стабильным уровням CCN в атмосфере. [6] [7] Также есть предположение, что солнечные колебания могут 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 SGP, были выполнены с помощью исследовательского самолета. Исследование CCN Кулкарни и др. 2023 описывает сложность моделирования концентраций CCN.

Приложения

Засев облаков

Засев облаков — это процесс, при котором в атмосферу добавляются мелкие частицы, чтобы вызвать 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, излучение электрического заряда с помощью беспилотников. [11] Эффективность этих методов не является последовательной. Многие исследования не заметили статистически значимой разницы в осадках, в то время как другие заметили. [ необходима цитата ] Засев облаков может также происходить 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 на снижение температуры поверхности посредством радиационного воздействия . [14] Многие методы включают в себя создание мелких капель морской воды для доставки частиц морской соли в вышележащие облака. [15] [16]

Осложнения могут возникнуть, когда реактивный хлор и бром из морской соли реагируют с существующими молекулами в атмосфере. Было показано, что они уменьшают озон в атмосфере; тот же эффект уменьшает гидроксид, что коррелирует с увеличением долговечности метана, парникового газа [17] .

Цветение фитопланктона в Северном море и проливе Скагеррак – NASA

Связь с фитопланктоном и климатом

В статье 1987 года в журнале Nature было обнаружено, что глобальный климат может возникать в петле обратной связи из-за взаимосвязи между CCN, температурно-регулирующим поведением облаков и океаническим фитопланктоном. [18] Это явление с тех пор называют гипотезой CLAW, в честь авторов оригинального исследования. Распространенным CCN над океанами являются сульфатные аэрозоли. Эти аэрозоли образуются из диметилсульфида ( DMS), вырабатываемого водорослями, обнаруженными в морской воде. [18] Крупные цветения водорослей , которые, как наблюдалось, усилились в таких областях, как Южно-Китайское море, могут вносить значительное количество DMS в окружающую их 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. Месть Геи , написанная Джеймсом Лавлоком, автором исследования 1987 года, предлагает альтернативную связь между температурой океана и размером популяции фитопланктона. Это было названо гипотезой анти-CLAW. В этом сценарии стратификация океанов приводит к тому, что холодная вода, богатая питательными веществами, оказывается в ловушке под более теплой водой, где солнечный свет для фотосинтеза наиболее обилен. [20] Это подавляет рост фитопланктона, что приводит к уменьшению его популяции и сульфатных CCN, которые они производят, с ростом температуры. Таким образом, это взаимодействие снижает альбедо облаков за счет уменьшения образований облаков, вызванных CCN, и увеличивает солнечную радиацию, которая может достигать поверхности океана, что приводит к возникновению петли положительной обратной связи. [20]

Выбросы вулканического пепла и газа из вулкана Павлова на Аляске — НАСА

Из вулканов

Вулканы выбрасывают в атмосферу значительное количество микроскопических частиц газа и пепла при извержении, 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 частиц, образующих зародыши льда (INP) , что, в свою очередь, влияет на свойства облаков и приводит к изменениям локального или регионального климата. [22]

Из этих газов диоксид серы, диоксид углерода и водяной пар чаще всего встречаются при извержениях вулканов. [23] Хотя водяной пар и диоксид углерода CCN естественным образом присутствуют в атмосфере в изобилии, увеличение содержания диоксида серы CCN может повлиять на климат, вызывая глобальное похолодание . [24] Ежегодно вулканы выбрасывают почти 9,2 Тг диоксида серы ( SO2 ). [22] Этот диоксид серы преобразуется в серную кислоту , которая быстро конденсируется в стратосфере, образуя мелкие сульфатные аэрозоли. [24] Нижняя атмосфера Земли, или тропосфера, охлаждается в результате возросшей способности аэрозолей отражать солнечное излучение обратно в космос.

Влияние на загрязнение воздуха

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcde "Формирование дымки, тумана и облаков: ядра конденсации" . Получено 25 ноября 2014 г.
  2. ^ ab Hudson, James G. (1993-04-01). "Ядра конденсации облаков". Журнал прикладной метеорологии и климатологии . 32 (4): 596–607. Bibcode :1993JApMe..32..596H. doi : 10.1175/1520-0450(1993)032<0596:CCN>2.0.CO;2 . ISSN  1520-0450.
  3. ^ Национальный исследовательский совет. Отделение исследований Земли и жизни, Национальный исследовательский совет. Совет по атмосферным наукам и климату, Национальный исследовательский совет. Совет по океаническим исследованиям (2015). Вмешательство в климат: отражение солнечного света для охлаждения Земли. Вашингтон, округ Колумбия ISBN 978-0-309-31483-1. OCLC  914166140.{{cite book}}: CS1 maint: location missing publisher (link)
  4. ^ ab T., Houghton, J. (2001). Изменение климата 2001: научная основа. Cambridge University Press. ISBN 0-521-80767-0. OCLC  1295485860.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  5. ^ Хаин, А. П.; БенМоше, Н.; Покровский, А. (1 июня 2008 г.). «Факторы, определяющие воздействие аэрозолей на поверхностные осадки из облаков: попытка классификации». Журнал атмосферных наук . 65 (6): 1721–1748. Bibcode : 2008JAtS...65.1721K. doi : 10.1175/2007jas2515.1 . S2CID  53991050.
  6. ^ Бейкер, Марсия Б.; Чарлсон, Роберт Дж. (1990). «Бистабильность концентраций CCN и термодинамика в пограничном слое, покрытом облаками». Nature . 345 (6271): 142–145. Bibcode :1990Natur.345..142B. doi :10.1038/345142a0. ISSN  1476-4687. S2CID  34623897.
  7. ^ Бейкер, МБ (1 января 1993 г.). «Изменчивость концентраций ядер конденсации облаков в верхнем пограничном слое морских облаков». Tellus B: Химическая и физическая метеорология . 45 (5): 458–472. Bibcode :1993TellB..45..458B. doi : 10.3402/tellusb.v45i5.15742 .
  8. ^ Юй, Фанцюнь; Ло, Ган (2014-04-01). "Влияние солнечных вариаций на образование частиц и ядер конденсации облаков". Environmental Research Letters . 9 (4): 045004. Bibcode : 2014ERL.....9d5004Y. doi : 10.1088/1748-9326/9/4/045004 . ISSN  1748-9326. S2CID  121900557.
  9. ^ Воннегут, Б.; Чессин, Генри (1971-11-26). «Зарождение льда соосажденным иодидом серебра и бромидом серебра». Science . 174 (4012): 945–946. Bibcode :1971Sci...174..945V. doi :10.1126/science.174.4012.945. ISSN  0036-8075. PMID  17773193. S2CID  37459080.
  10. ^ "Лазер создает облака над Германией". New Scientist . 2010-05-02. Архивировано из оригинала 2010-12-05 . Получено 2022-12-05 .
  11. ^ "ОАЭ испытают беспилотники, разрушающие облака, чтобы увеличить количество осадков". BBC News . 2021-03-17 . Получено 2022-12-05 .
  12. ^ Барри, Кевин Р.; Хилл, Томас К.Дж.; и др. (2021-02-16). «Наблюдения за частицами, образующими ледяные зародыши, в свободной тропосфере во время лесных пожаров на западе США». Журнал геофизических исследований: Атмосфера . 126 (3). Bibcode : 2021JGRD..12633752B. doi : 10.1029/2020JD033752. ISSN  2169-897X. S2CID  233962401.
  13. ^ Ahlm, Lars; Jones, Andy; Stjern, Camilla W.; Muri, Helene; Kravitz, Ben; Kristjánsson, Jón Egill (2017-11-06). «Осветление морских облаков – так же эффективно без облаков». Atmospheric Chemistry and Physics . 17 (21): 13071–13087. Bibcode : 2017ACP....1713071A. doi : 10.5194/acp-17-13071-2017 . hdl : 10852/59113 . ISSN  1680-7324.
  14. ↑ Межправительственная группа экспертов по изменению климата (ред.), «Антропогенное и естественное радиационное воздействие, страницы 705–740», Climate Change 2013 — The Physical Science Basis , Кембридж: Cambridge University Press, стр. 705–740, doi :10.1017/cbo9781107415324.019 , дата обращения 05.12.2022
  15. ^ Эванс, JRG; Страйд, EPJ; Эдирисингхе, MJ; Эндрюс, DJ; Саймонс, RR (2010-07-06). «Могут ли океанические пены ограничить глобальное потепление?». Climate Research . 42 (2): 155–160. Bibcode : 2010ClRes..42..155E. doi : 10.3354/cr00885 . ISSN  0936-577X.
  16. ^ Barreras, F.; Amaveda, H.; Lozano, A. (июнь 2002 г.). «Переходное высокочастотное ультразвуковое распыление воды». Experiments in Fluids . 33 (3): 405–413. Bibcode : 2002ExFl...33..405B. doi : 10.1007/s00348-002-0456-1. ISSN  0723-4864. S2CID  122323760.
  17. ^ Хоровиц, Ханна М.; Холмс, Кристофер; Райт, Алисия; Шервен, Томас; Ван, Сюань; Эванс, Мэт; Хуан, Цзяюэ; Джегле, Лиатт; Чэнь, Цяньцзе; Чжай, Шутинг; Александр, Бекки (28.02.2020). «Влияние выбросов аэрозолей морской соли на осветление морских облаков на химию атмосферы: последствия для радиационного воздействия». Geophysical Research Letters . 47 (4): e2019GL085838. Bibcode : 2020GeoRL..4785838H. doi : 10.1029/2019GL085838. ISSN  0094-8276. PMC 7375039. PMID 32713977  . 
  18. ^ abc Чарлсон, Роберт Дж.; Лавлок, Джеймс Э.; Андреа, Мейнрат О.; Уоррен, Стивен Г. (1987). «Океанский фитопланктон, атмосферная сера, альбедо облаков и климат». Nature . 326 (6114): 655–661. Bibcode :1987Natur.326..655C. doi :10.1038/326655a0. ISSN  1476-4687. S2CID  4321239.
  19. ^ "Marine Ecology Progress Series 268:31" (PDF) . int-res.com . Получено 21 апреля 2018 г. .
  20. ^ ab Lovelock, James (2007). Месть Геи: почему Земля сопротивляется — и как мы все еще можем спасти человечество. Лондон: Penguin. ISBN 978-0-14-102597-1. OCLC  72867986.
  21. ^ "Основные факты о вулканических извержениях | Вулканы". Центры по контролю и профилактике заболеваний . 25 января 2022 г. Получено 05.12.2022 .
  22. ^ ab Arghavani, Somayeh; Rose, Clémence; Banson, Sandra; Planche, Céline; Sellegri, Karine (2021-03-04). "Влияние использования новой параметризации зародышеобразования в модели WRF-Chem на скорость образования кластеров и концентрацию числа частиц в пассивном вулканическом шлейфе". Тезисы конференции Генеральной ассамблеи EGU . Bibcode : 2021EGUGA..2312058A. doi : 10.5194/egusphere-egu21-12058 . S2CID  236762909.
  23. ^ «Какие газы выделяются Килауэа и другими активными вулканами?». Геологическая служба США . Архивировано из оригинала 5 декабря 2022 г. Получено 2022-12-05 .
  24. ^ ab "Вулканы могут влиять на климат". Геологическая служба США . Получено 2022-12-05 .

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки