Влияние антропогенного аэрозоля на климат

В связи с расширением хозяйственной деятельности человека поступление в атмосферу аэрозоля антропогенного происхождения существенно возросло. Учитывая темпы роста энергетики, можно ожидать, что к 2025 г. в атмосферу за счет сжигания угля и нефти поступит 1361,7 млн. т окислов серы, причем основным вкладчиком будет уголь (принимая во внимание, что содержание серы в нефти для различных географических районов колеблется от 0,14 до 2,22%, а в угле – от 0,71 до 3,19%). Наблюдения показывают, что концентрация аэрозоля в урбанизированных районах мира в среднем около 100 мг/м³. В 1960–1972 гг. в неурбанизированных районах средняя концентрация составляла около 20 мг/м³.

Проблема атмосферного аэрозоля антропогенного происхождения исключительно актуальна. Прежде всего это связано с его вредным медико‑биологическим воздействием на окружающую среду. Мы остановимся лишь на влиянии антропогенного аэрозоля на климат. В этой проблеме важное значение приобретают следующие вопросы:

закономерности распределения аэрозолей по вертикали во времени в различных географических районах в зависимости от мощности и характеристики источников аэрозоля;

горизонтальный дальний перенос аэрозоля;

трансформация и химические превращения аэрозоля в атмосфере;

механизмы прямого влияния аэрозоля на радиационный баланс коротковолновой и длинноволновой радиации в атмосфере и количественная оценка этих механизмов;

воздействие этих механизмов (при наличии других) на климат.

В тропосфере сосредоточена в основном крупнодисперсная фракция аэрозоля, которая вымывается осадками, быстро оседает и в среднем находится во взвешенном состоянии от нескольких дней до недель, максимум месяцев. В стратосфере преобладает мелкодисперсный аэрозоль. Вследствие большой устойчивости стратосферы он может сохраняться от нескольких месяцев до 1–2 лет.

Некоторые компоненты аэрозоля, такие, как S, могут, окисляясь, превращаться в CaSO₄, а затем, соединяясь с влагой, образовывать мелкодисперсный аэрозоль, состоящий из мельчайших капелек H₂SO₄. Именно стратосферный аэрозоль представляет наибольший интерес для оценки климатических изменений.

Известно, что над тропиками в стратосфере на высотах 15–20 км и несколько выше постоянно существует естественный аэрозольный слой со средним радиусом частиц порядка 0,3 мкм, состоящий в основном из соединений S. Источник естественного аэрозоля здесь – вулканическая деятельность.

Нормальный слой стратосферного аэрозоля составляет массу (M_c ) порядка 0,2 млн. т. Количество же водяного пара в стратосфере оценивается в 2,6 млн. т, и этого количества вполне достаточно для поддержания реакции CaSO₄ с влагой.

В настоящее время массу аэрозоля (М ) принято оценивать по уменьшению приходящей прямой коротковолновой солнечной радиации (ΔT , %): для тропосферы M _т = 5·ΔT млн. т; для стратосферы M_c = 1·1ΔT млн. т. Для нормального стратосферного слоя ΔT составляет примерно 0,2%. Эта величина была вычислена теоретически с допущением, что средний радиус частиц составит 0,3 мкм, и подтверждена экспериментально путем прямых измерений оптической прозрачности атмосферы во время извержения вулкана Агунг в 1963 г. и в предшествующий период.

В нормальном состоянии рассматриваемый слой не имеет сколько‑нибудь существенного значения для климата. Для сравнения укажем, что в одном из самых чистых районов земного шара, на станции Мауна‑Лоа на Гавайских островах, на высоте 3 км при ясном небе величина ΔT в 10 раз больше и составляет 2%, а масса всего аэрозоля порядка 10 млн. т. При крупных извержениях (например, вулкана Кракатау) ΔT достигает 20%. Общая масса вносимого в тропосферу аэрозоля (М _т) при этом оценивается в 100 млн. т, а в стратосферу (М _с) ~ 20 млн. т.

Мы отмечали, что в атмосферу попадает количество S, которое в пересчете на CaSO₄ дает величину, сопоставимую с самыми мощными вулканическими извержениями. В будущем же за счет сжигания топлива ожидается поступление CaSO₄, который на порядок может превышать эту величину (около 1360 млн. т/год). При этом не совсем ясно, какая часть вносимого аэрозоля будет мелкодисперсной фракцией, попадающей в стратосферу, и как долго она будет там находиться. Но даже если десятая часть приведенной величины превратится в мелкодисперсную фракцию стратосферного аэрозоля, его влияние будет сопоставимо с влиянием крупных вулканических извержений.

Каково же суммарное воздействие стратосферного аэрозоля? Это зависит от его поглощающих и рассеивающих свойств, которые не до конца изучены. Дело в том, что мелкодисперсный аэрозоль рассеивает коротковолновую радиацию и тем самым увеличивает альбедо атмосферы. Это приводит к эффекту охлаждения атмосферы. Многие исследователи объясняют прошлые похолодания климата стратосферным аэрозолем вулканических извержений. В то же время отмечено, что при извержении вулкана Агунг в 1963 г. температура стратосферы поднялась на 3°, что указывает на существенное поглощение радиации аэрозолем, а не только на ее рассеивание.

Высказывались предложения уменьшить приходящую солнечную радиацию, внося в стратосферу S и сжигая ее там. По мнению авторов такого проекта, для того чтобы изменить ΔT на 1% (суммарная радиация при этом изменится примерно на 0,3%), необходимо образовать в стратосфере 0,6 млн. т аэрозоля (капель H₂SO₄) в расчете на одно северное полушарие. При этом в стратосфере должно быть около 0,4 млн. т H₂S, количество которого должно быть обеспечено путем; сжигания 0,2 млн. т S. Считая, что во взвешенном состоянии аэрозоль пребывает около двух лет, а не один год, нужно сжечь около 0,1 млн. т за год, что фактически возможно. (Однако имеются теоретические расчеты, показывающие, что количество потребной для достижения такого эффекта S занижено примерно на порядок.) Но вряд ли в этом есть и будет необходимость, поскольку и без того поступление аэрозоля в стратосферу превысит указанную величину.

В одной из последних работ американского климатолога Брайсона и др. на основе численных экспериментов с одной из разновидностей теплобалансовой модели показано, что одновременный учет роста CO₂ и увеличения аэрозоля дает суммарный эффект уменьшения средней температуры атмосферы. В этом случае тепличный эффект CO₂ перекрывается обратным воздействием аэрозоля.

В то же время имеются и другие оценки. Так, по данным английского климатолога Мейсена, расчеты, произведенные с наиболее современной 13‑уровенной моделью, включающей тропосферу и стратосферу, привели к противоположным результатам. Включение стратосферного слоя пыли, достаточного для задержания 4% приходящей солнечной радиации, дало локальное потепление в стратосфере до 10° С вследствие поглощения радиации пылью. Но на уровне Земли заметного эффекта не наблюдалось. Автор считает, что на основании этого вряд ли можно утверждать, что более холодные эпохи климата в прошлом были вызваны извержениями вулканов. По‑видимому, и роль аэрозоля в будущем не совсем ясна.

Так или иначе, но аэрозольный эффект не может рассматриваться изолированно от других факторов, влияющих на климат. Нельзя, в частности, не указать, что аэрозоль в тропосфере может влиять на микроструктуру облачности и осадки. Через облачность возможно изменение условий прохождения радиации в атмосфере и климата.

В стратосфере и особенно в верхней тропосфере (вблизи тропопаузы) за счет полетов самолетов увеличивается количество водяного пара. Так, при сжигании 1 кг топлива образуется около 1,2–1,4 кг водяного пара. При использовании водородного топлива на каждый килограмм сгораемого топлива будет образовываться около 8 кг водяного пара. При ожидаемом увеличении полетов самолетов к 2000 г. количество дополнительно вводимой влаги в стратосфере составит около 0,26 млн. т, т. е. около 10% количества влаги в стратосфере. Вносимая влага становится ядрами конденсации, на которые «перекачивается» вследствие разностей упругостей насыщения водяного пара надо льдом и водой влага из атмосферы. При определенных благоприятных условиях образуется перистая облачность (ее аналог – облачные следы за самолетами).

Таким образом, облачный аэрозоль антропогенного происхождения может воздействовать если не на глобальный, то на региональный климат. Так или иначе, проблема аэрозоля, и в особенности антропогенного, – одна из ключевых в современной теории климата.