Поиск - новости науки и техники

Дело о саже. Определен самый злостный загрязнитель атмосферы.

Тема глобального потепления не сходит с печатных и электронных страниц средств массовой информации, популярна у политиков, общественных деятелей и даже участников различных шоу. Не все ученые согласны с тем, что это действительно происходит, но влияния результатов человеческой деятельности на изменение климата не отрицает никто. Считается, что причина этого – воздействие на атмосферу углекислого газа, в частности того, что выбрасывается промышленными предприятиями. Но и в этом вопросе нет единого мнения. Оказывается, есть основания отдать пальму первенства… аэрозольной саже. В любом случае, специалисты уверены: за ней нужен глаз да глаз. Поставить под контроль распространение частичек этого вещества помогут работы старшего научного сотрудника отдела теплофизики и поверхностных явлений Уральского федерального университета (УрФУ) им. первого Президента России Б.Н.Ельцина Виктора ­ГРЯЗИНА. Его исследование, цель которого – создание программного комплекса для моделирования процессов переноса стратосферного аэрозоля, поддержано грантом Президента РФ. О глобальном значении проблемы и вариантах ее решения молодой ученый рассказал корреспонденту “Поиска”.

– Физика атмосферных аэрозолей – одно из самых актуальных и востребованных сегодня направлений науки, – объясняет Виктор Иванович. – Такие аэрозоли играют принципиальную роль в быстропротекающих климатических процессах, их можно считать важнейшим климатообразующим фактором. Все в принципе знают, что такое аэрозоли, но не лишне привести и их научное определение. Это дисперсная система, состоящая из газообразной дисперсионной среды и твердой или жидкой дисперсной фазы. Короче говоря, это взвесь твердых или жидких частиц в газе. 
Даже самый чистый атмосферный воздух в отдельных районах планеты (например, в Антарктиде или на больших высотах в горах) всегда содержит не менее 100 взвешенных частиц в одном квадратном сантиметре. Человек погружен в аэрозоль, дышит им и своей деятельностью непрерывно создает его. Примеров, как естественных, так и антропогенных, можно привести много: туман, пыль и дым различной природы, облачные системы в атмосфере, облака вулканических извержений, смог над городами. Аэрозольные частицы определяют многие свойства газовых сред, в том числе важнейшего для природы и человека атмо­сферного воздуха.
Поэтому-то так актуальны исследования физических и химических процессов с атмо­сферным аэрозолем. Иногда даже ничтожное количество частиц может радикально изменить свойства окружающего газа. Например, концентрация так называемых ядер конденсации в атмосферном воздухе не превышает концентрации атомов редкого инертного газа – ксенона. Но именно их наличие определяет возможность образования облаков и осадков, они – необходимое условие для цикла воды в атмосфере. Прозрачность атмосферы, которая регулирует радиационный баланс Земли и определяет климат планеты, во многом зависит от концентрации аэрозольных частиц в воздухе.
– Почему и куда они переносятся? Как происходит этот процесс?
– Специалисты в области физики атмосферы и климатологии убеждены, что сейчас интенсивно идут как глобальные, так и региональные климатические изменения. Это понимание и тревогу разделяют политики, предпринимающие определенные шаги для предотвращения и разрешения этой проблемы (например, в рамках Киотского протокола), а также общественность.
Атмосферный аэрозоль активно участвует в перераспределении потоков излучения, формирующих радиационный баланс как атмосферы, так и планеты в целом (показано на рисунке). К настоящему моменту достоверно установлена его ключевая роль в климатообразующих процессах, которая проявляется не только эпизодически при крупных вулканических извержениях. Регулярно возрастает антропогенная составляющая, как следствие процессов горения органического топлива и сжигания биомассы. И если, например, сульфатный аэрозоль рассеивает излучение, то сажа поглощает его, оказывая заметное влияние на радиационные процессы.
Эффекты упорядоченного движения аэрозольных частиц наиболее отчетливо проявляются в стратосфере: возрастание температуры с высотой делает ее термически и механически устойчивой. В таких условиях выражены индивидуальные транспортные свойства частиц, которые в тропосфере частично или полностью подавляются сильной конвекцией и турбулентным переносом. Это проявляется в быстропротекающем загрязнении стратосферы сажевым аэрозолем, поступающим от двигателей авиатранспорта и при горении топлива и биомассы. Интенсивно поглощая излучение практически во всем диапазоне длин волн, он может вносить существенный вклад в величину радиационного возмущающего воздействия и, тем самым, участвовать в изменении климата. Становится понятно, что без знания характеристик вертикального переноса страто­сферного аэрозоля не обойтись при разработках геоинженерных методик стабилизации климата и оценке их эффективности.
– Что вы делаете в этом направлении?
– Наши исследования имеют целью изучение процессов поглощения излучения, теплообмена с газом и движения частиц естественного и антропогенного аэрозоля различной структуры и формы в поле атмосферной радиации и метеополях ветра и температуры в стратосфере. Это делается для выяснения роли и значимости таких процессов в пространственно-временном распределении частиц при изменениях радиационного возмущающего воздействия и возрастающего аэрозольного загрязнения средней атмосферы (это слой, включающий в себя стратосферу и мезосферу, 10-85 километров).
Динамика атмосферных аэрозолей – традиционное и быстро развивающееся направление физики атмосферных аэрозолей. Но многие вопросы, касающиеся экологических и климатических аспектов проблемы, оставались в тени прикладных направлений. Один из таких вопросов – взаимодействие достаточно малоинтенсивного коротковолнового солнечного излучения и уходящего теплового излучения Земли с атмосферным аэрозолем и в особенности с хорошо поглощающими излучение частицами.
Основное внимание разработчики обычно уделяли созданию так называемых “химических” стратосферных моделей для газовых радиационно-активных примесей и аэрозолей, которые затем включаются как блоки в модели глобальной циркуляции атмосферы. Слабое звено таких методик и моделей – не всегда корректный учет (или его отсутствие вообще) динамических, транспортных свойств индивидуальных аэрозольных частиц различных типов. Это можно реализовать только при наличии адекватных микрофизических моделей и их тщательной экспериментальной и наблюдательной проверке. Именно такой путь решения данной проблемы и заложен в наших исследованиях. Мы собираемся провести комплексное моделирование микрофизических и динамических свойств аэрозолей для условий больших высот и при наличии излучения. Такой подход, в конечном счете, позволит представить надежные оценки ключевых параметров для климатологических моделей. То есть наши исследования лежат в русле современных тенденций физики атмосферного аэрозоля и физики средней атмосферы. Ожидаемые результаты должны продемонстрировать эффективность “микрофизического” подхода к описанию транспортных свойств аэрозоля на высотах средней атмосферы.
– Как ваши исследования будут использоваться в прикладных направлениях?
– Накопленный научный материал и опыт работы лаборатории физики аэрозолей Научно-исследовательского института физики и прикладной математики УрФУ в данном направлении позволил нам разработать унифицированный программный комплекс для расчетов микрофизических и оптических параметров, а также характеристик движения аэрозольных частиц в страто­сфере – в поле атмосферной радиации, температуры и ветра. Это существенно облегчит рутинные расчеты и позволит более гибко варьировать различные параметры аэрозольных частиц (например, фрактало-подобных), обрабатывать результаты экспериментальных исследований, решать широкий спектр задач, связанных с атмосферными приложениями. В результате это даст возможность моделировать и анализировать движение аэрозольных частиц для выявления основных механизмов переноса и возможностей стимулирования этих процессов, поможет управлять ими в зависимости от газокинетических, аккомодационных и теплофизических свойств исследуемой системы.
Наша конечная цель – выйти на климатологический анализ и результаты воздействия сажевого аэрозоля в стратосфере. На сегодня оценки радиационного возмущающего воздействия от сажевого аэрозоля в стратосфере крайне немногочисленны и противоречивы. Именно эту ситуацию хотелось бы исправить.
Важность влияния на климат сажевого стратосферного аэрозоля была не очевидна широкому кругу научной и политической общественности. В 1990-е годы появился Киотский протокол, который стал первым глобальным соглашением об охране окружающей среды, основанным на рыночном механизме регулирования. Он был создан для снижения выбросов парниковых газов на планете к 2008-2012 годам на 5,2% по сравнению с 1990-м. Большинство индустриально развитых стран поддерживают Киотский протокол, за исключением Соединенных Штатов Америки, которые отказались его ратифицировать.
Для выполнения обязательств в начале 2000-х в Европе появились законы, которые стимулируют использование дизельного топлива вместо бензина. Но они оказали медвежью услугу экологии планеты. Выяснилось, что сжигание дизельного топлива еще больше способствует глобальному потеплению. Автомобили, работающие на нем, сокращают расход топлива на 25-35% и выделяют меньше углекислого газа, чем автомобили на бензине. Но также они выдают в 25-400 раз больше частиц сажи по массе.
Ключевую роль в понимании этого вопроса сыграли результаты моделирования, проведенного профессором Марком Джекобсоном. Они показали, что контроль выбросов сажи в атмосферу, их уменьшение могут более эффективно замедлить глобальное потепление, чем снижение концентрации углекислого газа. Ученый также отмечает, что Киотский протокол даже не рассматривает сажу как загрязнитель атмосферы и стимулятор глобального потепления.
Налоговые законы, принятые во всех странах ЕС, кроме Великобритании, одобряли применение дизельного топлива, таким образом подстегивая глобальное потепление. Существует гипотеза, что это могло стать причиной серьезных климатических изменений, которые заметны в последние годы в Европе. Их следствие, например, участившиеся сильные наводнения, которые не отмечались уже больше 100 лет.
Беседу вел 
Василий ЯНЧИЛИН
Иллюстрации предоставлены В.Грязиным

 

На нижней иллюстрации: Радиационный баланс земной атмосферы (из отчета Всемирной метеорологической организации за 2003 г.)

Нет комментариев