Лидарные исследования атмосферного коричневого облака в Центральной Азии

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Лидарные исследования атмосферного коричневого облака в Центральной Азии

Б.Б. Чен - докт. физ.-мат. наук

Введение

Лидарная станция Теплоключенка является единственной научной станцией комплексного мониторинга тропосферного и стратосферного аэрозоля лидарным методом в центре азиатской части глобальной геоэкологической системы. Станция основана в 1987 г. и расположена на высоте свыше 2000 м над ур. м. в Центральном Тянь-Шане, в юго-восточной части высокогорного озера Иссык-Куль (42,5°N, 78,4°E). Лидарные наблюдения за Атмосферным Коричневым Облаком (АВС) ведутся на станции с января 2002 г. Основные характеристики лидарной станции и методология измерения оптических и микрофизических характеристик аэрозоля приведены в [1, 2].

1. Оптические характеристики

Прежде всего необходимо отметить, что приход АВС на регионы Центральной Азии осуществляется юго-западными потоками из районов Ближнего Востока. На рис. 1 приведены обратные траектории 4D.

Рис. 1. Обратные траектории движения воздушной частицы 4D на АТ-400 и АТ-300 гПа. 30.03.2003

Как правило, АВС наблюдается в нашем регионе в нижней тропосфере. При этом с течением времени облако может распространяться в верхнюю тропосферу до 6-9 км над уровнем станции. Это можно объяснить тем, что при подходе к горным системам Центральной Азии воздушная масса испытывает возмущающее воздействие. За счет вертикальных движений часть АВС проникает в верхнюю тропосферу, где переходит в состояние коллоидальной устойчивости. В нижней же тропосфере за счет неустойчивого состояния и наличия достаточного количества водяных паров может происходить конденсация на аэрозольных частицах, в результате чего очень часто здесь наблюдаются осадки. В нижней тропосфере в облаке преимущественно наблюдаются величины отношения обратного рассеяния R ? 10 на длине волны 532 нм и R ? 100 на 1064 нм. Такие же величины отношения обратного рассеяния зарегистрированы в облаке и верхней тропосфере. На рис. 2 в качестве примера приведены распределения величины отношения обратного рассеяния на трех длинах волн зондирования за 26.06.2003 г.

Рис. 2. Отношения обратного рассеяния на трех длинах волн зондирования

2. Микроструктура и состав

В структуре АВС как в нижней, так и в верхней тропосфере наблюдается слоистость. Как правило, внизу АВС находятся сажевые частицы, а вверху - смесь различных минеральных частиц, включающая сульфаты и нитраты. В нижнем слое АВС распределения концентрации по размерам и площади поверхности частиц определенного размера на единицу объема воздуха, как правило, являются бимодальными, в остальных вышележащих слоях - преимущественно нормальные. Это соответствует тому, что в нижнем слое АВС находится смесь сажи и минеральных частиц (с максимальными радиусами 3 мкм), а в верхнем - в основном однородный состав либо из смеси сульфатов, либо из смеси нитратов с размерами, максимум которых приходится на радиусы 0,09 и 0,05 мкм соответственно. Подобная картина в структуре состава частиц наблюдается и в АВС в верхней тропосфере. Разница заключается только в концентрациях или площади, занимаемой частицами того или иного размера в единице объема воздуха. В вертикальном разрезе облака могут чередоваться слои с содержанием смеси сажи и минеральных частиц со слоями, содержащими только минеральные частицы. На рис. 3 приведены примеры распределения частиц по размерам и вертикальная структура облака по слоям.

Рис. 3. Вертикальная структура АВС по слоям и распределения площади, занимаемой частицами, по размерам. 01.07.2003

Кроме этого, наблюдаются случаи, когда аэрозольное облако содержит только минеральные частицы и в основном тогда, когда аэрозольные частицы переносятся в регионы Центральной Азии не из Ближнего Востока, а, например, со стороны бассейна Аральского моря, Монголии и Китая.

3. Ослабление и микрофизика

Данные многоволнового лидарного зондирования показывают, что частицы Айткена и большие частицы с максимальной концентрацией с радиусом r ? 0,1 мкм в облаке вызывают наибольшее ослабление на длине волны 532 нм ( ? 0,4 км-1). Уменьшение площади частиц Айткена при одной и той же концентрации снижает ослабление. Гигантские частицы (r>1 мкм) занимают в облаке, как правило, меньшую площадь с меньшей концентрацией, соответственно они вызывают меньшее ослабление - 0,1 км-1. В случае, когда максимальный ослабляющий слой находится наверху, наблюдается чередование величины коэффициента ослабления - в нижнем слое небольшая, затем рост коэффициента в следующем слое с последующим уменьшением и увеличением затем в вышележащем слое (рис. 4).

лидарный станция аэрозоль атмосферный

Рис. 4. Распределение коэффициента ослабления в АВС. 20.03.2003

В случае, когда максимально ослабляющий слой лежит выше нижнего слоя, площадь поверхности частиц в единице объема с ростом высоты уменьшается. Выше зоны активного турбулентного обмена площадь поверхности частиц быстро уменьшается (вплоть до фонового), уменьшается и ослабление (рис. 5).

Рис. 5. Распределения коэффициента ослабления (слева) и площади поверхности частиц в единице объема в АВС. 24.03.2003

Прямая корреляция наблюдается между ослаблением и площадью поверхности частиц. При этом, когда АВС находится в нижней тропосфере, сама величина площади больше в слоях, расположенных внизу и наверху облака. Это происходит тогда, когда максимально ослабляющим является нижний слой (рис. 6).

Рис. 6. Распределения коэффициента ослабления (слева) и площади поверхности частиц в единице объема в АВС. 29.03.2003

Большие частицы (r ? 1 мкм) и частицы Айткена (r ? 0,1 мкм) с концентрациями 600 и 4500 см-3 соответственно с примерно равными площадями поверхности частиц дают максимальное ослабление в АВС, находящегося в нижней тропосфере, достигающее 0,08-0,1 км1 (рис. 4 и 7).

Рис. 7. Распределения площади поверхности частиц в единице объема. 20.03.2003

В случае, когда максимум площади поверхности занимают только частицы Айткена, то ослабление уменьшается в 2 и более раза (рис. 6 и 8).

Рис. 8. Распределения площади поверхности частиц в слое 1,1-2,1 км

в АВС 29.03.2003 (слева) и в слое 2,0-2,5 км 24.03.2003 (справа)

4. Деполяризация

Результаты измерения деполяризационного отношения в АВС свидетельствуют о следующем. В верхней тропосфере общим во всех случаях является то, что деполяризационное отношение достигает величины 0,4 и более. Это достаточно убедительно свидетельствует о существенной несферичности частиц внутри облака (рис. 9). При этом на данных высотах слой состоит из частиц близких размеров и представляет, таким образом, грубодисперсную систему, каковыми являются обычные дымы, туманы и пр. Результаты экспериментов указывают также на то, что аэрозоли с большими размерами частиц, но с малыми деполяризационными отношениями, также наблюдаются между слоями сажи и сульфатов. Это свидетельствует о том, что аэрозоли в данных слоях представляют смесь сажи и сульфатов (см., например, рис. 8).

Рис. 9. Деполяризационное отношение и отношение обратного рассеяния 20.03.2003, 24.03.2003 и 29.03.2003 (слева-направо)

В верхней тропосфере частицы, из которых состоит АВС, находятся в переохлажденном состоянии при отрицательных температурах, т.е., как указывалось выше, АВС находится в состоянии коллоидальной устойчивости, не дающем осадков. В нижней тропосфере деполяризационное отношение в АВС не превосходит 0,2, что указывает также на то, что частицы отличаются по форме от сферических.

Из изложенного выше можно сделать вывод о том, что существует корреляция следующего вида: максимум ослабления > максимум отношения деполяризации > большие концентрации и площади частиц > большие величины отношения рассеяния.

Заключение

Атмосферные Коричневые Облака (смог, туман), систематически наблюдаемые в регионе, особенно в нижней тропосфере, по микроструктуре и составу частиц подобны, приведенным в [3]. В силу специфики мезомасштабной циркуляции в горной местности (горно-долинная, бризовая и др.) и особенностей микроструктуры и состава частиц в облаке в результате переноса большого количества загрязнений, состоящих в основном из сажи и минеральных частиц, АВС могут оказывать существенное влияние на таяние ледников Центральной Азии. Наличие же АВС практически в течение всего года как в нижней, так и в верхней тропосфере, может быть причиной наблюдаемых в последние годы аномальных погодных условий в регионе. Кроме этого, оседание частиц АВС в нижней тропосфере может оказывать как прямое (за счет воздействия на дыхательные пути), так и косвенное (за счет частых и существенных изменений метеоусловий) негативное воздействие на здоровье населения. Эти выводы являются предварительными, а АВС и его прямые и косвенные эффекты требуют дальнейшего усиленного изучения.

Работа выполнена в рамках проекта KR-310 Международного научно-технического центра (МНТЦ).

Литература

1. Chen B.B., Khmelevtsov S.S., Korshunov V.A. Multiwavelength Aerosol and Raman lidar /Proc. ILRC 21. Canada, Quebec, 7-12 July 2002. -P.65-68

2. Козлов П.В., Когай Г.А., Свердлик Л.Г. К методологии калибровки сигнала обратного рассеяния при многоволновом лидарном зондировании атмосферы//Вестник КРСУ. - 2003. - Т.3. - Вып.5.

3. The Asian Brown Cloud: Climate and Other Environmental Impacts. - UNEP/DEWA/RS 02-3. - V. 3. - 2002. - 53 p.

Размещено на Allbest.ru