Влияние солепылепереноса на осадкообразование в Приаралье Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2009, том 15, № 3 (39), с. 26-33

=————— СИСТЕМНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ -

УДК 551.587

ВЛИЯНИЕ СОЛЕПЫЛЕПЕРЕНОСА НА ОСАДКООБРАЗОВАНИЕ В ПРИАРАЛЬЕ

© 2009 г. Б.С. Тлеумуратова

Институт социально-экономических проблем Приаралья Каракалпакского отделения Академии наук Республики Узбекистан Республика Узбекистан, 700009 Нукус, пр. Бердаха, д. 41, E-mail: nukus@aknuk.uzsci.net

Реферат. Рассматривается влияние выноса солей с осушенного дна Аральского моря на процессы осадкообразования в Южном Приаралье. Представлены результаты численных экспериментов с математическими моделями атмосферного переноса солевого аэрозоля и его воздействия на микрофизические процессы в облаках. Полученные результаты согласуются с данными наблюдений и доказывают существенность солевого аэрозоля с постаквальной суши как климатообразующего фактора.

Ключевые слова: усыхание Арала, вынос солей, осадкообразование, математическое моделирование.

В настоящее время 3/4 бывшей акватории Аральского моря являются источником выноса солей на прилегающие территории. Для постаквальной суши характерна высокая эродируемость - от 60 до 620 т/км2 для корковых солончаков и от 440 до 2800 т/км2 для пухлых солончаков, что способствует изменению состава атмосферной пыли в сторону значительного (до 70%) увеличения доли растворимых солей (Толкачева, 2000).

Ветровой перенос солей способствует не только засолению почв, но и является фактором изменения климатических характеристик Южного Приаралья. Как известно, увеличение концентрации аэрозоля1 в воздухе влияет на кинетику и динамику атмосферных процессов.

При этом различается прямое воздействие аэрозолей на изменения радиационного режима, как совокупности частиц, поглощающих и/или рассеивающих и непрямое - путем изменения количества и альбедо облаков. Аэрозольный эффект можно рассматривать как последовательность процессов, связанных различными промежуточными переменными, такими как масса аэрозолей, концентрация ядер конденсации, концентрация зародышей льда, оптическая толщина облаков и т.д. Эффективность аэрозольных частиц как ядер конденсации зависит от их размера и гигроскопичности. Частицы атмосферного аэрозоля либо гидрофобны (и, следовательно, не влияют на процессы конденсации), либо водонерастворимы, но гидрофильны, что позволяет таким частицам быть смачиваемыми и становиться ядрами конденсации при больших уровнях пересыщения, или же эти частицы содержат водорастворимые компоненты и, таким образом, активируются при меньших пересыщениях. В последнем случае время жизни частицы в облаке достаточно для достижения критического радиуса. Было обнаружено, что только частицы с водорастворимыми компонентами имеют значение для косвенного влияния на климатические процессы (Kulmala et all., 1996). Наиболее распространенными водорастворимыми аэрозольными частицами являются сульфаты и хлорид натрия, являющиеся, в частности, превалирующей фракцией в солепылевом потоке с осушенного дна Аральского моря.

1 Аэрозоль - мелкие (от 103 до 10-6 мкм) частицы какого-либо вещества в атмосфере.

Зависимость числа капель в облаке от количества ядер конденсации нелинейна. Следствием этого является достаточно сильное влияние природных и антропогенных аэрозолей, являющихся ядрами конденсации, на процессы в облачном слое даже при их относительно небольших количествах. Например, Хан (Han et all., 1998) показал, что эффект относительно больших концентраций морских солей такой же, как воздействие меньших концентраций антропогенных сульфатов.

Связь между увеличением загрязненности атмосферы, а значит и ядер конденсации, и усилением облако- и осадкообразования установлена многочисленными исследованиями аэрозольных климатических эффектов, как натурными, так и модельными (Кондратьев, 1991). Так, результаты аэрозольно-радиационных измерений (Биненко и др., 1982), выполненных в Приаралье в 1979-1982 гг. над морем и осушенной территорией во время солепесчаных выносов, показали значительные изменения в распределении составляющих радиационного и гидрологического баланса системы подстилающая поверхность -атмосфера. Натурные исследования (Boucher, Lohmann, 1995; Wetzel, Stowe, 1999 и др.) выявили различие между микроструктурами загрязненных и чистых облаков и доказали связь между сезонными вариациями концентрации ядер конденсации и эффективным радиусом. Математическое моделирование основывается на представлении активности ядер конденсации с физико-химической точки зрения и вычисления аэродинамических и термодинамических параметров облака (Twomey, 1980; Nakajima et all., 2001; Rosenfeld, 2000 и др.). Исследования с использованием моделей доказывают значимость модуляции осадкообразования аэрозолями и привели к рассмотрению различных процессов, которые дают вклады в воздействие аэрозолей на облачный покров Земли.

В целом результаты эмпирических и модельных методов сравнимы по порядку величины и составляют 200-400 капель в кубическом сантиметре для объемной концентрации сульфатов 2 мкг/м3.

В данной работе для исследования вклада солевого аэрозоля с постаквальной суши Аральского моря в процессы осадкообразования применяется математическое моделирование. Нами разработаны две модели, одна из которых описывает процесс ветрового выноса солей (Тлеумуратова, 2004), другая - процессы осадкообразования. Ввиду лимитов на размер статьи мы ограничимся изложением лишь второй модели.

Для расчета дополнительной (к фоновой) счетной концентрации ядер конденсации CN используется формула

ACN (х, y, z ) = C( x, y, z)/(pad3) (1)

где C(x, y, z)- концентрация сульфатов в атмосфере, вычисленная по модели ветрового переноса аэрозоля; pa и d - соответственно плотность и размер частиц аэрозоля.

Реализация осадков в основном зависит от пересыщения s=(es2- es)/ es, т.е. превышения упругости насыщенного пара над каплями чистой воды и раствора по отношению к упругости es над плоской поверхностью чистой воды. Упругость насыщенного пара над частицей капли равна

e о = e

s 2 s

Í1 _ 6m4 Mw + 2a ^ v 4nPwMsr3 Rp PwrT

(2)

Здесь вц - парциальное давление пара в облаке; рк - плотность воды; тч - масса растворенного вещества (сульфатной микрочастицы); Мц и М№ - молекулярные массы сульфата натрия и воды; а =7.65 10-2 н/м - коэффициент поверхностного натяжения.

Известно, что гигантские ядра конденсации активируются при незначительных

пересыщениях (меньше 0.1%). Число активных ядер конденсации в единице объема выражается эмпирической формулой

Щ(х, у, г) =^Сщ (3)

где ^ - пересыщение, к - константа.

Процесс гетерогенной конденсации описывается следующей системой уравнений С^ошеу, 1980):

дТ д „ дТ Ь

— = — Кг— +—т, д дг дг ср

дО д ^ д0

— = — Кг — - т, д^ дг дг

дЩ д г дЩк дПД

—- = — Кг —---- + т (4)

дх дг дг дг

Здесь Кг - коэффициент турбулентной диффузии; О - удельная влажность воздуха; Т -температура воздуха; Щ- весовая концентрация капель; Пд - гравитационный поток капельно-жидкой влаги; т -скорость конденсации; Кк - уровень конденсации; Ь - удельная теплота конденсации; ср - удельная теплоемкость воздуха.

Коэффициент турбулентности Кг определяется эмпирической формулой (Тлеумуратова, 2004):

. к2И1^1 + 15Б

К(г) =-1-

1п(г1 /г0)

где Б - параметр Будыко, характеризующий стратификацию атмосферы, и1 - скорость ветра на уровне 71=1 м, к - постоянная Кармана.

Массовая доля насыщенного пара связана с температурой и давлением р известным соотношением (Матвеев, 1991)

О = 0.622 ^ Р

Выражения для Пд и т можно записать в виде

,4

т = | Р(г ) / (г )дг, (6)

0

где ^(г) - гравитационная скорость капли радиуса г, Р(г) - поток пара к капле радиуса г, /(г) - функция распределения капель по размерам, р - плотность воды.

Функцию распределения капель по размерам можно аппроксимировать согласно Хргиану (Хргиан, 1986), следующим выражением:

/ (г) = Сг2 ехр(-/г3), I = 4пЩ 0 /ЗУ (1 + р1) (7)

где У - общий объем капель в единице объема, Щ0 - начальное число капель, р=0.5к Щ0. Поток пара к капле радиуса г определяется по формуле (Хргиан, 1986):

Р(г) = 4П>0(р -р ) (8)

где Б - коэффициент диффузии, р0 - плотность пара в облаке, р0б, - плотность

насыщающего пара над каплей.

Уровень конденсации определяется по формуле (Хргиан, 1986):

К =-с1в /0 (9)

г 4 3

Пд={ (-прг >(г )/(г )дг, (5)

0

где /о - относительная влажность воздуха, со - коэффициент, зависящий от температуры воздуха.

Система уравнений (4) решается при следующих начальных и граничных условиях: =0: Т=То(г), д=О0(г), Ык= Ыо(г);

г=ик: Т=ВД, Ык= ЖО;

на верхней границе ставится условие полубесконечной среды.

Для численной реализации (4) используется чисто неявная консервативная разностная схема:

^(Я - Уя ) = ^(^/2 - #„+1/2) + Рп , ^+1/2 =К„+1/2 УЦУ+1 , т п п пп

П п гш+1/2 гш-1/2, К п+1 /2

1 гп+1

^ г

п J

- т

г=г + —, 2

К г, г) _

1 г+т ^п+1/2

Рп =— Г ёг Г ёг/(г, г). (10)

п г гп-1/2

Для первого уравнения системы (4) у=Т, /(г, г)=-^ш . Для второго и третьего уравнений

дП

соответственноy=Q, /(г, г)=ш и у=Ык, /(г, г)=--— + ш.

дя

Преобладание диагональных членов матрицы системы (10) обеспечивает единственность разностного решения и устойчивость прогонки.

Полученные результаты, как средние отклонения в годовом количестве осадков, вызванных солевым аэрозолем с постаквальной суши Аральского моря, представлены на рисунке 1. Существенная неравномерность поля метеопараметра обусловлена суперпозицией реализаций модели для различных лет указанного десятилетия, в которых наблюдались существенные вариации концентрации солевого аэрозоля в атмосфере.

Для верификации представленной математической модели использовались данные стандартных метеорологических наблюдений в 1960-1990гг.

Наличие и других факторов, вызвавших наблюдающиеся с начала 60-х годов прошлого столетия климатические изменения в Приаралье, усложняет определение вклада сульфатного аэрозоля в модуляции количества осадков. Такими факторами являются изменения в общей циркуляции атмосферы и синоптических процессах Средней Азии, глобальное потепление, резкие ландшафтные изменения в результате усыхания Аральского моря. Так как данные натурных наблюдений и измерений характеризуют лишь результирующий эффект нескольких факторов, количественная оценка вклада того или иного фактора в суммарный эффект зачастую является весьма сложной задачей. Решением этой проблемы может быть сопоставление особенностей поля пространственного и временного распределения характеристик воздействующего фактора и соответствующего поля метеорологических характеристик. При этом перенос и распределение сульфатного аэрозоля в атмосфере (рис. 2) моделируются с помощью стационарной модели (Тлеумуратова, 2004), отклонения в количестве осадков вычисляются по вышеприведенной модели, а наблюдаемое поле отклонений количества осадков формируется по данным стандартных метеорологических наблюдений за соответствующий период.

Изменение тех или иных метеопараметров могут быть вызваны астрономическими, глобальными и локальными факторами. В пределах нескольких сотен километров поле отклонений под воздействием астрономических и глобальных факторов является относительно однородным. Поле отклонений под воздействием локальных факторов

(орографическая неоднородность местности, резкая смена ландшафтов, наличие локальных энергетических и материальных источников, нарушение экологического равновесия, антропогенное изменение водного режима региона) может иметь особенности, проявляемые существенными изгибами изолиний.

25

20

15

10

12.60 -- 14.00

11.20 - - 12.60

8.400 - - 11.20

8.400 - - 8.400

7.000 - - 8.400

5.600 - - 7.000

4.200 - - 5.600

1.400 - - 4.200

1.400 - - 1.400

0 -- 1.400

Рис. 1. Вклад солевого аэрозоля с постаквальной суши Аральского моря в 1981-1990 гг. в годовое количество осадков (мм). Fig. 1. Contribution of aerosol salt from the postaquatic land of Aral sea to year amount of deposits (in mm) in 1981-1990.

В качестве примера рассмотрим поле отклонений количества осадков за теплый период (апрель-октябрь) между десятилетиями 1951-1960 и 1981-1990. На рисунке 3 (Субботина, Чанышева, 2006) явно выделяются две особенности - в районе Аральского моря (I) и южнее, за его пределами (II). Если бы разность в количестве осадков была обусловлена лишь происходящей сменой циркуляционных эпох в Средней Азии, отклонения были бы более равномерны, по крайней мере, по всему Приаралью в соответствии с масштабами атмосферных циркуляционных процессов. Однако, изолинии отклонений на рисунке 3 свидетельствуют о наличии локальных факторов возмущения поля отклонений.

Следовательно, обе особенности обусловлены воздействием возникших за этот период локальных факторов: первая - резким сокращением водного зеркала Аральского моря, вторая - аэрозольным эффектом. Особенность I, проявляющаяся в уменьшении осадков, объясняется сменой подстилающей поверхности - воды на сушу - и, как следствие, уменьшением объема испаряемой влаги и прекращением поступления морского аэрозоля в атмосферу, который, как известно, служит сильнейшим катализатором в осадкообразовании.

И если это бесспорно, то причина возникновения второй особенности требует доказательств. Во-первых, методом исключения убедимся в отсутствии других, кроме увеличения концентрации солевого аэрозоля, факторов в данном регионе. В самом деле, эффект усыхания моря исключается, поскольку он отрицательный. По этой же причине

5

0

исключается эффект сокращения дельты Амударьи. Эффект оазиса исключается ввиду его присутствия и в докризисный период. Что касается системы сбросных озер, то они появились после 1990г. Во-вторых, область максимального загрязнения атмосферы на уровне конденсации солевым аэрозолем с постаквальной суши Аральского моря (рис. 2) полностью совпадает с областью особенности II. И, наконец, в-третьих, мы наблюдаем синхронность возникновения и усиления аэрозольного фактора с произошедшими в этом периоде отклонениями в количестве осадков. Следовательно, на основании синхронности причинно-следственных событий, пространственного совпадения и отсутствии других локальных факторов можно говорить о существовании и единственности фактора загрязнения атмосферы солевым аэрозолем.

72.00 64.00 56.00 48.00 40.00 32.00 24.00 16.00 8.000 0 -- 8

-- 80.00 -- 72.00 -- 64.00 -- 56.00 -- 48.00 -- 40.00 -- 32.00 -- 24.00 -- 16.00 000

Рис. 2. Концентрация солевого аэрозоля с постаквальной суши Аральского моря на уровне конденсации (мкг/м3). Fig. 2. Concentration of aerosol salt from the postaquatic land of Aral sea on condensation level (in mkg/m3).

На основе исследований закономерностей распространения и распределения аэрозоля в атмосфере и модельных расчетов (Тлеумуратова, 2004) было получено, что с высотой максимум концентрации удаляется от источника. Таким образом, на уровне конденсации (14 км) максимум концентрации аэрозоля находится на расстоянии около 70-100 км от источника, т.е. как раз над второй особенностью поля отклонений количества осадков. Здесь происходит максимальная кумуляция сульфатного аэрозоля, частицы которого, как известно, являются преимущественной материальной субстанцией ядер конденсации.

В итоге можно сделать обоснованный вывод, что возникшее в результате усыхания Аральского моря новое явление - вынос солей с осушенного дна - способствует локальному увеличению количества осадков. Цифровое выражение вклада солевого аэрозоля в увеличение количества осадков по данным, приведенным в работе (Субботина, Чанышева

2006), можно вывести следующим образом (рис. 3). Воздействие крупномасштабных факторов на количество осадков в Приаралье можно оценить как среднее по региону значение отклонений (5 мм), и принять его за фоновое значение отклонений количества осадков в этом регионе. Изолинии второй особенности на рисунке 3 равны 20 мм, значит, аэрозольный эффект составляет +15 мм. Таким же образом можно вычислить вклад фактора первой особенности - усыхания Аральского моря, как -10 мм.

Как видим, результаты реализации представленной математической модели хорошо согласуются с данными наблюдений.

Рис. 3. Разность количества осадков (мм) за теплый период между десятилетиями 1951-1960 гг. и 1981-1990 гг. (Субботина, Чанышева, 2006). Fig. 3. Difference of rainfall amounts (mm) for the warm period between 1951-1960 and 1981-1990 (Субботина, Чанышева, 2006).

Воздействие аэрозолей на облака проявляется не только в непосредственном изменении концентрации капель, но также сильно связано с динамикой процесса выпадения осадков и неравновесными отклонениями от фазовой диаграммы водяного пара, продолжительностью существования индивидуального облака и географическим распространением облачности. Предполагаемый механизм заключается в следующем. Активация большего количества аэрозольных частиц ограничена размером капли, которого она может достигнуть при фиксированной скорости охлаждения. Тем самым количество капель, которые достигли достаточно большого размера, и способны инициировать процесс коагуляции снижается, и интенсивность осадкообразования также затухает. При такой задержке осадков исчезает основной сток для капель в облаке и, тем самым, время существования облака может быть повышено. Впервые глобальное значение этого процесса оценили Лиу и Ченг в 1989 (Liou et all., 1989). Таким образом, существует критическая концентрация ядер конденсации, зависящая от физико-химических свойств частиц аэрозоля, определяющая перелом в воздействии аэрозоля: увеличение количества осадков сменяется на увеличение продолжительности облачности, влекущее увеличение температуры воздуха.

Вообще говоря, неуклонное увеличение количества пасмурных дней является более сильной тенденцией изменения климата Приаралья, нежели увеличение количества осадков (Субботина, Чанышева, 2006). Увеличивающееся число пасмурных дней в Приаралье также объясняется наряду с факторами глобального потепления и сменой циркуляционных эпох, как фоновых, локальным фактором - кумуляцией солевого аэрозоля над этим регионом.

Как видим, аэрозольный эффект весьма существен для локальных изменений климата в Приаралье.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Биненко В.И., Иванов В.А., Лебединов В.Г. 1982. Аэрозольно-радиационные измерения в

Приаралье // Труды Главной геофизической обсерватории. Вып. 462. С. 37-43. Кондратьев К.Я. 1991. Климат и аэрозоль. Л.: Гидрометеоиздат. 541 с.

Матвеев Л. Т. 1991. Теория общей циркуляции атмосферы и климата Земли. Л.:

Гидрометеоиздат. 296 с. Субботина О.И., Чанышева С.Г. 2006. Климат Приаралья. Ташкент: НИГМИ. 170 с. Тлеумуратова Б. С. 2004. Математическое моделирование переноса аэрозоля в нижних слоях

атмосферы. Дисс... канд. физ.-мат. наук. Ташкент. 138 с. Толкачева Г. А. 2000. Научно-методические основы мониторинга атмосферных выпадений в

Среднеазиатском регионе. Ташкент. 204 с. Хргиан А.Х. 1986. Физика атмосферы. М.: Изд. МГУ. 328 с.

Boucher O., Lohmann U. 1995. The sulphate-CCN-cloud albedo effect - A sensitivity study with

two general circulation models // Tellus. Vol. B47. pp. 281-300. Han Q., Rossow W.B., Chou J., Welch R.M. 1998. Global variation of column droplet

concentration in low-level clouds // Geophysics results letters. Vol. 25. pp. 1419-1422. Kulmala M., Korhonen P., Vesala T., Hansson H.-C., Noone K., Svenningsson B. 1996. The effect

of hygroscopicity on cloud droplet formation // Tellus. Vol. 48. pp. 34-36. Liou, K.-N. and S.-C. Cheng. 1989. Role of cloud microphysical processes in climate: an assessment from a one-dimensional perspective // Journal of geophysics results. Vol. 94. pp. 8599-9607.

Nakajima T., Higurashi A., Kawamoto K., Penner J.E. 2001. A possible correlation between satellite-derived cloud and aerosol microphysical parameters // Geophysics results letters. № 5. pр. 1114-1135.

Rosenfeld D. 2000. Suppression of rain and snow by urban and industrial air pollution //Science. Vol. 287. pp. 1793-1796.

Twomey S.A. 1980. Cloud nucleation in the atmosphere and the influence of nucleus concentration

levels in atmospheric physics // Journal of physical chemistry. Vol. 84. pp. 1459-1463. Wetzel M., Stowe L.L. 1999. Satellite-observed patterns in the relationship of aerosol optical thickness to stratus cloud microphysics and shortwave radiative forcing // Journal of geophysics results. Vol. 104. pp. 287-299.

SALT AEROSOL INFLUENCE ON RAINFALL IN THE ARAL SEA REGION

© 2009. B.S. Tleumuratova

Institute of social-economic problems of Aral sea region of Karakalpak branch of Uzbek Academy of sciences Uzbekistan, Karakalpakstan, 700009 Nukus, Berdakhprospekt 41, E-mail: nukus@aknuk.uzsci.net

Abstracts. Influence of salts carrying out from the drained bottom of Aral sea on processes of rainfall in the Southern Aral sea region is considered. Results of numerical experiments with mathematical models of aerosol salt carry and its influence on microphysical processes in clouds are presented. The obtained results are in good agreement with the observed ones and prove importance of aerosol salts role from the postaquatic land as climate-forming factor.

Keywords: Aral sea drying, salt carrying, rainfall (deposit formation), mathematical modeling.