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 водяного 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, например, предложенные в гипотезе CLAW, также возникают в результате взаимодействия между естественным образом образующимися CCN и образованием облаков.
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]
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]
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 этих отдельных смешанных аэрозолей, которые могут образовывать CCN на площадке ЗГП, проводились с использованием исследовательского самолета. Исследование CCN, проведенное Кулкарни и др., 2023 г., описывает сложность моделирования концентраций CCN.
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]
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] .
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]
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] Ежегодно вулканы выбрасывают почти 9,2 Тг диоксида серы ( SO 2 ). [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.
{{cite book}}
: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )