CC BY
166
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН ___________________2007, том 50, №4____________
ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ
УДК 551.576, 551.521.3
Б.И.Назаров, В.А.Маслов, С.Ф.Абдуллаев О ВЛИЯНИИ ПЫЛЕВОГО АЭРОЗОЛЯ НА ТЕМПЕРАТУРУ ВОЗДУХА
(Представлено членом-корреспондентом АН Республики Таджикистан Х. Х. Муминовым 11.05.2007г.)
В атмосфере аридной зоны аэрозоль в основном генерируется пылевыми бурями и состоит преимущественно из пылевых частиц минерального происхождения. Частицы с диаметром ё<1мкм(мелкодисперсная фракция) могут распространяться воздушным потоком достаточно далеко от источника возникновения и долгое время оставаться в атмосфере. В зависимости от концентрации пыли, ее высотного профиля, времени суток и длительности пребывания пыли в атмосфере она может оказывать определённое влияние на температуру воздуха у земной поверхности.
Частицы с размерами меньше микрометра, которые обычно и определяют степень непрозрачности атмосферы при пыльных бурях и при пыльной дымке, поглощают солнечное излучение в видимой области спектра сильнее, чем тепловое [1,2]. Поэтому в запыленной атмосфере днем происходит понижение температуры земной поверхности, а ночью - некоторое повышение по сравнению с нормальными условиями, так как тепловое излучение поверхности будет частично задерживаться запыленной атмосферой и нагревать воздух.
Как отмечено в [1], метеорологические эффекты пыльных бурь изучены гораздо полнее на Марсе, где они достигают глобальных размеров и продолжаются многие недели, чем на Земле. Во время пылевых бурь атмосфера Марса может разогреваться на 20-30°К из-за поглощения пылью солнечной радиации, интенсивность которой у поверхности падает в несколько раз, а сама поверхность остывает в среднем на 10-25°К.
Пыльные бури в земной атмосфере сравнительно кратковременны (обычно 1 -2 дня) и локальны. Однако известно, что пыль Сахары влияет на климат пустыни и Атлантики, куда пассаты часто выносят миллионы тонн пыли, достигающей иногда Америки. В работах [3,4] описано падение на несколько градусов температуры днем с одновременным уменьшением суммарной солнечной радиации, приходящей к подстилающей поверхности, на 20-30% при переносе облаков пыли из Сахары в Нигерию. Заметное поглощение солнечного излучения пустынным аэрозолем отмечено также в [5,6].
При мощных пылевых бурях аэрозоль в атмосфере приводит к охлаждению воздуха. Это явление обычно называется антипарниковым эффектом. Среднедневная температура запыленной атмосферы уменьшается на 6-8°С, с амплитудными значениями 12-16°С. Средние ночные значения температуры повышаются на 1.5-2°С, с амплитудными значениями 6-8°С (рис.1). Пылевой аэрозоль более прозрачен в ИК-области, чем в видимой области, соотношение оптических толщин составляет Т0.55/Т102 = 1.2 - 3.2 [2]. При пылевых бурях солнечный
свет поглощается пылью в атмосфере и происходит дневное охлаждение запыленной атмосферы.
Т(К) С
36
32 28 24 20 16 12 8
16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 1Х.1989
Рис. 1. Изменение температуры приземного слоя воздуха в г. Душанбе при изменении запыленности воздуха.
Поглощение частиц в инфракрасном диапазоне особенно важно в области окна прозрачности 8-13 мкм, где основные атмосферные газы прозрачны. Это как раз та область длин волн, где функция распределения Планка теплового излучения имеет максимум для обычных земных температур. Поэтому уход тепла в космическое пространство из-за теплового излучения почвы уменьшается из-за наличия частиц, имеющих полосы сильного поглощения в этом спектральном диапазоне. Теплоотдача от нагретых мелкодисперсных частиц к окружающему воздуху вызывает нагрев запыленной атмосферы. При этом практически вся энергия от поглощенного частицами солнечного и теплового излучения преобразуется в нагрев воздуха. Ночью тепло, поглощенное пылевыми частицами, передается воздуху и нагревает его. В итоге суммарная суточная температура воздуха запыленной атмосферы оказывается ниже, чем в чистой атмосфере.
В пылевой дымке концентрация аэрозоля невысока и атмосфера более прозрачна для солнечного излучения. Мелкодисперсные частицы верхней части инверсионного слоя, изолированные от прямого теплообмена с поверхностью Земли, поглощают тепловое излучение почвы и прямую солнечную радиацию. Это компенсирует охлаждение воздуха из-за погло-
Рис. 2. Зависимость сдвига среднедневной температуры воздуха от концентрации пылевого аэрозоля.
щения прямой солнечной радиации. При этом дневная температура воздуха понижается на 2 -30С, а ночная повышается на 3-5°С. Следовательно, можно говорить о вкладе аэрозолей в
парниковый эффект.
Частицы аэрозоля могут участвовать в двух явлениях, приводящих к противоположным изменениям температуры. Можно определить критические параметры, определяющие переход от одного эффекта к другому. На рис.2. изображена зависимость среднедневных температур воздуха в запылённой и чистой атмосфере от соответствующей концентрации пыли. Отрезок прямой выше оси абсцисс соответствует парниковому эффекту и наличию в атмосфере пылевой дымки. Кривая ниже оси абсцисс соответствует антипар-никовому эффекту в период пылевой бури. Пересечение с осью абсцисс на почти линейном участке позволяет определить критическое значение концентрации, соответствующее переходу от парникового к антипарниковому эффекту - 750 мкг/м .
На рис.3 изображена интенсивность прямой солнечной радиации. Для концентраций пыли, характерных для пылевой бури, эта экспоненциальная кривая практически не определена - прибор «не видит» Солнца. При малых концентрациях аэрозоля (ме-
3 «-*
нее 160 мкг/м ) пылевой аэрозоль, который практически всегда есть в атмосфере, не даёт вклада в парниковый эффект, поскольку уровень теплопередачи от нагретых частиц оказывается на уровне тепловых шумов воздуха.
Рис. 3. Зависимость интенсивности прямой солнечной радиации на поверхности почвы от концентрации аэрозоля.
Чтобы выяснить роль пылевого аэрозоля в долговременном изменении температуры воздуха, необходимо проанализировать вклады аэрозоля в парниковый и антипарниковый эффекты. Такую возможность предоставляют регулярно проводившиеся в течение десятилетий измерения температуры воздуха на различных метеорологических станциях Таджикистана. Ход среднегодовой температуры оказывается различным для точек измерения, расположенных на различной высоте. На рис. 4 изображено повышение среднегодовой температуры за 100 лет на высотах от 426 м (Курган-Тюбе) до 4260 м (ледник Федченко). Чем выше над уровнем моря точка наблюдения, тем менее сказывается эффект потепления климата!
В условиях аридной зоны, где находится Таджикистан, в воздухе постоянно находятся частицы пылевого аэрозоля с фоновым значением около 100 мкг/м . Чем больше высота точки наблюдения, тем меньше концентрация фонового аэрозоля и аэрозоля пыльных бурь. Хотя верхняя граница пыльных бурь в условиях Таджикистана достигает 4-5 км, на высокогорных наземных станциях метеорологические изменения в период пыльной бури несущественны (рис.4.).
Как уже установлено выше, пылевой аэрозоль в малых концентрациях создаёт парниковый эффект и обеспечивает основную долю повышения среднегодовой температуры воздуха. Вклад в потепление климата могут давать также парниковые газы в слое воздуха между верхней и нижней точками измерения. Но если эффект поглощения парниковыми газами является глобальным, распределённым по всей атмосфере, то влияние на потепление климата от пылевого аэрозоля - локально, связано только с данной местностью.
3 ^
При пылевых бурях (при концентрациях более 750 мкг/м ) пылевой аэрозоль аридной зоны приводит к антипарниковому эффекту. При пылевой дымке (при концентрациях менее 750 мкг/м ) и постоянном присутствии аэрозольных частиц в атмосфере пылевые частицы поглощают солнечный свет и тепловое излучение подстилающей поверхности Земли. Поглощая, как и парниковые газы в окне прозрачности 8-13 мкм и препятствуя уходу теплового излучения почвы за пределы атмосферы, аэрозоль даёт вклад в парниковый эффект.
2 ДТ."с 1,8 1,6 1,4 1,2 1
0,8 0,6 0,4 0,2 0---------
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Ь,м
Рис. 4. Зависимость повышения среднегодовой температуры воздуха в Таджикистане за 100 лет от высоты точки наблюдения.
Эти явления очень существенно влияют на климат, на экологию, на здоровье людей. В частности, при подавлении вихревых потоков в запыленных слоях атмосферы образуются застойные явления (пылевая дымка). Образование слоя пылевой дымки понижает освещенность почвы и угнетающе влияет на растительность [1].
Физико-технический институт им. С.У. Умарова Поступило 11.05.2007 г.
АН Республики Таджикистан
ЛИТЕРАТУРА
1. Golitsyn G.S., Shukurov A.Kh., Abdullaev S.F., Nazarov B.I. - Joint Soviet-American experiment on arid aerosol. St.Petersburg: Hydrometeoizdat, 1993, p.67-78.
2. Shukurov Kh., Nazarov B.I., Abdullaev S.F., Pirogov S.V.- Joint Soviet-American Experiment on arid aerosol. St.Petersburg: Hydrometeoizdat, 1993, p.83-88.
3. Brinkman A.W., Mc Gregor .- J. Roy. Met. Soc. 1983, vol.109, p.831
4. Zurek R.W. - J.Caruso, 1982, vol. 50, N2, p.288.
5. Glitzy G.S. - J. Environment, 1986, vol.28, N8, p44.
6. Gesso R.D. et all.- J. Geophys. Res.,1985, vol.290, ND7, p12937.
Б.И.Назаров, В.А.Маслов, С.Ф.Абдуллоев РОЧ,ЕЪ БА ТАЪСИРИ АЭРОЗОЛИ ЧАНГЙ БА ^АРОРАТИ ^АВО
Натичах,ои омузиши тагийрёбии хдрорати х,аво дар муддати чанголудшавии атмосфера дар минтакди хушк дида шудааст. ^имати критикии консентрасияи аэрозол мукаррар карда шудааст. Таъсири бардавоми аэрозоли чангй ба иклим таджик карда шудааст.
B.I.Nazarov, V.A.Maslov, S.F.Abdullaev ABOUT INFLUENCE OF A DUSTY AEROSOL ON A TEMPERATURE OF AIR
Results of supervision on change of temperature of air during the periods of a dusty atmosphere in arid zone are described. Critical value of concentration of an aerosol is established. Longterm influence of dust aerosol on a climate was analyzed.
