Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Оценка радиационных характеристик трансформирующегося антропогенного аэрозоля

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Оценка радиационных характеристик трансформирующегося антропогенного аэрозоля"

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им М. 13 ЛОМОНОСОВА Физический факультет Кафедра физики атмосферы

На правах рукописи

УДК_

ОЦЕНКА РАДИАЦИОШВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНСФОРМИРУЮЩЕГОСЯ АНТРОПОГЕННОГО АЭРОЗОЛЯ

Специальность 04.00 23 - Физика атмосферы и гидросферы .

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель к.ф.-м.н. Кузнецов Г.И.

Москва 195 с

Работа выполнена на кафедре физики атмосферы физического факультета Московского Государственного Университета им.М.В.Ломоносова.

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук Г.И.Кузнецов Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук А.Е. Алоян доктор физико-математических наук В.И.Хворостьяиов Ведущая организация:

Институт оптики атмосферы Сибирского отделения РАН

Защита диссертации состоится " 1996г. б " ^Ч^^ас. на

заседании диссертационного совета Д. .053.05.81. по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук на физическом факультете Московского Государственного Университета им. М.В.Ломоносова по адресу: Москва, Ленинские Горы, ул.Лебедева, физический факультет. $

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ им. М.В.Ломоносова.

лан

Автореферат разослан ~ " ^ 1996г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.ф.-м.н. ] л _л В.Б.Смирнов

//

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время растет озабоченность мирового сообщества возможными негативными последствиями антропогенного загрязнения атмосферы. Особенно много внимания уделяется газовому загрязнению атмосферы. В частности, принято несколько международных конвенций по ограничению выбросов некоторых газовых компонент загрязнения атмосферы, в том числе, конвенция по парниковым газам.

Аэрозольному загрязнению атмосферы уделяется гораздо меньше внимания, хотя его корректный учет может привести к пересмотру тенденции изменения современного климата [1,2].

Микроструктура атмосферного аэрозоля и состав аэрозольных частиц определяют оптические и радиационные характеристики аэрозоля, от которых существенно зависит радиационный режим атмосферы.

Микрофизические и радиационные характеристики атмосферного аэрозоля обуславливаются совокупностью процессов переноса и перемешивания, генерации и удаления частиц из атмосферы, а также процессами внутриатмосферной трансформации частиц аэрозоля, включая процессы взаимодействия типа газ-частица и коагуляцию [3]. Принципиальное значение для атмосферного аэрозоля имеет тот факт, что он формируется под действием многих источников, которые поставляют в атмосферу аэрозоль с существенно различными физико-химическими и радиационными свойствами. Это значит, что атмосферный аэрозоль необходимо рассматривать как трансформирующуюся многокомпонентную систему или, точнее, как систему взаимодействующих между собой и с газовой фазой фракций аэрозоля. Однако до сих пор кинетическая теория многокомпонентного атмосферного аэрозоля разработана явно недостаточно. Это определяет актуальность развития кинетической теории атмосферного аэрозоля, позволяющей учитывать одновременно все основные процессы трансформации различных компонент аэрозоля, и разработки методики расчета радиационных характеристик многокомпонентного атмосферного аэрозоля сложного состава, согласованную с кинетической теорией атмосферного аэрозоля.

з

Цель работы. Целью диссертационной работы является разработка методики расчета радиационных характеристик трансформирующегося в нижней тропосфере антропогенного аэрозоля с учетом процессов внутриатмосферной трансформации.

Основные задачи. Для достижения вышеуказанной цели необходимо:

1. Получить систему уравнений, позволяющих прослеживать трансформацию микроструктуры и вещественного состава неоднородного или многокомпонентного атмосферного аэрозоля в условиях нижней тропосферы.

2. Найти приближение системы кинетических уравнений, допускающее эффективное решение задачи расчета микроструктуры и состава частиц трансформирующегося неоднородного аэрозоля.

3. Построить модель кинетики многокомпонентного антропогенного аэрозоля в нижней тропосфере.

4. Разработать эффективную методику расчета радиационных характеристик трансформирующегося аэрозоля сложного состава.

Научная новизна -работы.

1. Предложена система кинетических уравнений многокомпонентного аэрозоля, позволяющая моделировать трансформацию антропогенного аэрозоля в пограничном слое атмосферы.

2. Разработано полимодальное приближение системы кинетических уравнений неоднородного аэрозоля, позволяющее рассчитывать трансформацию его микроструктуры и вещественного состава, в том числе, с учетом возраста частиц.

3. Для некоторых модельных задач кинетики неоднородного антропогенного аэрозоля в стационарном приближении получены аналитические решения, позволяющие рассчитывать объемные доли различных веществ (например, сажи) в частицах аэрозоля и распределение веществ по спектру размеров частиц.

4. Разработана методика расчета радиационных характеристик трансформирующегося многокомпонентного антропогенного аэрозоля на основе согласованной параметризации радиационных и микрофизических характеристик аэрозоля.

5. С помощью разработанных методик получены оценки радиационных характеристик для конкретной модели антропогенного аэрозоля [4].

На защиту выносятся следующие положения и результаты диссертационной работы:

Предложенная в диссертационной работе система уравнений позволяет адекватно описать кинетику многокомпонентного атмосферного аэрозоля с учетом коагуляции и процессов превращения газ-частица, включая конденсацию водяного пара на частицах аэрозоля.

Полимодальное приближение является эффективным средством расчета микроструктуры и состава частиц трансформирующегося многокомпонентного аэрозоля, в том числе, в зависимости от времени пребывания частиц в атмосфере.

Предложенная модель кинетики аэрозоля дает возможность учитывать вариации микроструктуры и состава частиц антропогенного аэрозоля, трансформирующегося в пограничном слое атмосферы при оценке радиационных эффектов аэрозоля в моделях климата.

Представленная в диссертационной работе методика расчета радиационных характеристик многокомпонентного аэрозоля переменного состава является эффективным средством оперативного расчета радиационных характеристик трансформирующегося неоднородного аэрозоля.

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы определяется тем, что она основывается на известных фундаментальных результатах в области кинетики дисперсных систем и в области физики и оптики атмосферного аэрозоля. В частности, предложенная система кинетических уравнений для описания трансформации антропогенного многокомпонентного аэрозоля представляет собой развитие известных уравнений динамики однородного аэрозоля. Анализ опубликованных способов параметризации микроструктуры атмосферного аэрозоля позволил отдать предпочтение известному модальному приближению для моментов функции распределения частиц по размерам, и на этой основе разработать полимодальное приближение кинетики неоднородного аэрозоля. При разработке методики расчета радиационных характеристик трансформирующегося аэрозоля был использован и развит опыт решения прямых и обратных задач светорассеяния, накопленный в ИФА РАН.

Научная ценность и практическая значимость. Полученные в данной работе результаты позволяют более полно и точно учитывать все основные процессы трансформации многокомпонентного аэрозоля в задачах экологии и теории

климата, включая учет радиационных эффектов аэрозоля в моделях климата. В качестве самостоятельного блока результаты расчетов по методике можно включать в климатические модели, что продемонстрировано в приложении 2. Методика обеспечивает более высокую эффективность расчетов по сравнению с существующими подходами. Полимодальное приближение микроструктуры неоднородного аэрозоля дает возможность решать целый ряд задач атмосферной экологии, прослеживая судьбу отдельных газово-аэрозольных составляющих атмосферы. Разработанный в диссертационной работе подход к решению задач кинетики атмосферного аэрозоля также позволяет развивать кинетику аэрозольно-облачных систем и аэрозольно-газовую кинетику.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на семинарах кафедры физики атмосферы физического факультета МГУ им.М.В.Ломоносова (1993-1996гг), на 1-ой Всероссийской конференции "Проблемы управления качеством окружающей среды городов" (Москва, 1994), на Международной конференции "Проблемы управления качеством окружающей среды городов " (Москва, 1996), на конференциях молодых ученых по атмосферному озону (Москва, ИФА РАН, 1995,1996), на 1-ом и 2-ом Международных аэрозольных симпозиумах, проводимых Российским аэрозольным обществом (Москва, 1994, 1995), на конференции молодых ученых "Ломоносов-96" (Москва, МГУ, 1996), на 14-ой Международной конференции по нуклеации и атмосферному аэрозолю (Хельсинки, 1996).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в четырех статьях, а также в тезисах докладов конференций. В печать направлена одна статья. Список работ приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений, списка цитированной литературы из 108 наименований. Общий объем диссертации ^ ^ страниц машинописного текста, 17 рисунков и 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснован выбор темы диссертационной работы, ее актуальность и значимость, сформулирована цель и основные задачи, научная

новизна работы и основные положения, выносимые автором на защиту, перечислены полученные в диссертации результаты исследования.

В первых двух главах развивается и детализируется разработанная в диссертационной работе кинетическая модель многокомпонентного аэрозоля, которая позволяет прослеживать динамику изменения микроструктуры и вещественного состава многокомпонентного аэрозоля под действием процессов коагуляции, превращения газ-частица и конденсации водяного пара на частицах аэрозоля.

Первая глава ("Кинетика неоднородного аэрозоля") посвящена выводу системы уравнений кинетики неоднородного аэрозоля.

В первом параграфе обсуждается задача параметризации или аналитической аппроксимации функции распределения частиц атмосферного аэрозоля по размерам. Подробно рассматривается вопрос о параметризации микроструктуры аэрозоля с помощью логнормального распределения.

Во втором и третьем параграфах сообщаются необходимые сведения о процессах трансформации атмосферного аэрозоля, включая коагуляцию и процессы превращения газ-частица. Предложен способ учета в законах роста частиц процесса конденсации водяного пара на основе известной эмпирической закономерности. Это дает возможность отслеживать объемные доли воды и вещества сухой основы частицы при трансформации аэрозоля.

В четвертом параграфе рассматривается уравнение кинетики (динамики) однородного аэрозоля, микроструктура которого достаточно полно описывается единственной функцией распределения частиц по размерам. Уравнение кинетики однородного аэрозоля обобщено на случай трансформирующегося влажного аэрозоля с различными возможными законами роста частиц.

Для случая закона роста, обусловленного химическими процессами внутри жидкокапельной частицы, получено аналитическое решение для функции распределения частиц по размерам.

В пятом параграфе рассматривается кинетика неоднородного или многокомпонентного аэрозоля. Для условий, близких к стационарным, представлена система взаимосвязанных уравнений кинетики многокомпоненетного аэрозоля, в которой учитываются процессы превращения газ-частица, включая конденсацию водяного пара на частицах аэрозоля, и коагуляция:

а

+ Vg, (а)й =

Г<%,(<01 Г^Да)1

а SP а а Л/ а

+ £,(в). (1)

где а - радиус частицы с учетом ее возможного обводнения, gi(fl)- функции распределения частиц по размерам для различных типов аэрозоля, В,(в)- -мощности источников каждого типа аэрозоля, индексы'^р"- обозначает процессы типа газ-частица, "cg" - процесс коагуляции, "dif' - диффузия (перемешивание), "sed" - седиментация или, точнее, сухое осаждение.

В работе не учитываются адвективные и конвективные факторы, а также процессы перемешивания.

В системе уравнений (1) коагуляция делится на "внутрикомпонентную" и "межкомпонентную":

а

dgM)

а

I

dg{á)

а

(2)

Процессы превращения газ-частица могут быть описаны с помощью соотношения

а

(3)

где функции Ч'Да) характеризуют трансформацию интервала размеров частиц под действием процессов превращения газ-частица.

С целью иллюстрации дано аналитическое решение для двух функций распределения сосуществующих компонент аэрозоля, формирующегося в условиях влажной атмосферы.

Вторая глава ("Полимодальное приближение в кинетике неоднородного аэрозоля") посвящена сложной проблеме решения системы уравнений кинетики неоднородного аэрозоля.

В первом параграфе обсуждается модальное приближение в кинетике однородного аэрозоля, основанное на эмпирическом представлении микроструктуры аэрозоля суммой трех фракций, аппроксимируемых сравнительно широкими логнормальными распределениями (у>0.5-0.7).

Для описания свойств и процессов трансформации многокомпонентного аэрозоля предложено использовать полимодальное приближение. Полимодальное

приближение в кинетике многокомпонентного аэрозоля (второй параграф) основывается на представлении функций распределения отдельных компонент аэрозоля gi(а) суммами узких фракций. Для аппроксимации микроструктуры узких фракций используются логнормальные распределения. Система уравнений кинетики для функций распределения частиц по размерам подобна системе(1) с той лишь разницей, что процессы коагуляции необходимо теперь подразделять на внутрифракционные, межфракционные и межкомпонентные. Если правую и левую часть уравнений для а) проинтегрировать по диапазону размеров частиц, то получим уравнения для "полных концентраций" N5 частиц этих фракций, что приводит к существенному упрощению задачи.

Дополнительная информация о свойствах частиц трансформирующегося многокомпонентного аэрозоля извлекается (третий параграф) из уравнений для моментов, которые получаются, если исходные уравнения для умножить на ак и проинтегрировать по диапазону размеров частиц. Показано, что для определения состава частиц в полимодальном приближении многокомпонентного аэрозоля достаточно использовать, кроме системы уравнений для Иц, систему уравнений для факторов заполнения Уц.

В ряде случаев необходимо знать, как изменяется состав аэрозольной частицы в зависимости от времени ёе пребывания в атмосфере (четвертый параграф). Для решения этой задачи можно ввести понятие о "субфракциях" частиц, которые отличаются друг от друга временами их появления в атмосфере. Далее приходим к системам уравнений для и Уцк, где к - номер субфракции.

Особенностью этих систем является необходимость постоянного обновления состава уравнений, входящих в систему, поскольку частицы более "старых" субфракций постепенно уходят из атмосферы и появляются "молодые" частицы, относящиеся к "новым" субфракциям.

В качестве примера представлено аналитическое решение для зависимости состава частиц от их возраста для случая модельной двухкомпонентной дисперсной среды.

В третьей главе ("Моделирование кинетики антропогенного аэрозоля") рассматриваются конкретные модели кинетики антропогенного многокомпонентного аэрозоля, который согласно общепринятым в теории климата моделям [4], представляет собой смесь фракций сажевого, воднорастворимого и пылевого аэрозоля. Принципиальным отличием

использованного в диссертационной работе подхода является учет взаимодействия между вышеуказанными фракциями аэрозоля.

Задачи моделирования кинетики аэрозоля, представленного сажевой и пылевой компонентами, анализируются в первом параграфе. Представлены уравнения для концентраций и факторов заполнения узких фракций каждой из компонент. На конкретных примерах рассмотрена изменчивость объемной доли сажи в частицах сажепылевого аэрозоля.

Далее рассмотрена (второй параграф) кинетика двухкомпонентного воднорастворимого и сажевого аэрозоля. Для иллюстрации взаимного влияния различных процессов трансформации дано аналитическое решение в стационарном приближении модельной задачи для функции распределения частиц по размерам , в которой учитываются процессы превращения газ-частица, конденсации водяного пара и коагуляции:

где а о - начальный радиус поступающих в атмосферу частиц, В - мощность источника частиц,зависимость объема частицы от относительной влажности воздуха г,Г8- параметр, зависящий от размера сажевых частиц, времени их жизни в атмосфере и мощности источника, к - коэффициент, характеризующий скорость удаления частиц из атмосферы, А\ и А2- константы.

Получено также соотношение для объемной доли сажи в частицах саже-воднорастворимого аэрозоя в зависимости от размера частиц, что позволило рассчитать распределение массы сажи по спектру размеров частиц. На рис. 1 показаны распределения массы сажи в частицах сажеводнорастворимого аэрозоля для трех значений параметра 7, определяющего соотношение между мощностями процессов превращения газ-частица, включая конденсацию водяного пара, и коагуляции. Малые значения параметра у соответствуют большей мощности процессов превращения газ-частица при большей относительной влажности воздуха. Так, значению параметра у=0.058 соответствует случай высокой относительной влажности воздуха (>90%), а параметр у=0.5 соответствует случаю сухой атмосферы.

Очевидно, что при высокой относительной влажности воздуха усиливаются процессы конденсации паров аэрозолеобразующих соединений и коагуляции

(4)

ю

сажевых частиц с частицами воднорастворимого аэрозоля, в результате чего увеличиваются как размеры частиц, так и суммарная масса сажи в этих частицах.

Рис.1. Зависимость массы сажи от размера частицы для трех значений параметра у (отн.ед.).

В третьем параграфе представлена частная модель кинетики трехкомпонентного аэрозоля, первоначально состоящего из сажевых, воднорастворимых и пылевых аэрозольных частиц. Эта модель предназначена для демонстрации влияния кинетики на радиационные характеристики трансформирующегося многокомпонентного антропогенного аэрозоля.

В четвертой главе ("Методика расчета радиационных характеристик трансформирующегося антропогенного аэрозоля") разработана методика расчета радиационных характеристик внутренне- и внешнеперемешанного многокомпонентного аэрозоля переменного состава.

В первом параграфе приводятся сведения об оптических и радиационных характеристиках аэрозоля. Предложена методика расчета вариаций радиационных характеристик для фракций аэрозоля переменного состава, которая является развитием ранее использовавшейся в ИФА РАН методики решения прямых и обратных задач светорассеяния.

п

Предложенная методика включает расчеты производных по микрофизическим параметрам аэрозоля от осредненных по спектру длин волн радиационных характеристик аэрозоля.

Комплексный показатель преломления (второй параграф) для частиц сложного состава, образующихся в процессе трансформации, может быть выражен через рассчитываемые в задачах кинетики объемные доли составляющих аэрозольные частицы веществ и значения зависящих от длины волны света оптических констант для всех веществ, формирующих атмосферный аэрозоль.

В рассматриваемых моделях атмосферного аэрозоля, первоначально состоящего из сажевых, воднорастворимых и пылевых частиц, именно сажевая компонента определяет поглощение радиации в широком диапазоне длин волн. Поэтому важным параметром, который необходимо контролировать в процессе трансформации атмосферного аэрозоля, является объемная доля сажи во вновь образующихся смешанных частицах аэрозоля.

В третьем параграфе на конкретных примерах проанализировано влияние изменения состава частиц на радиационные характеристики аэрозоля. Наиболее существенным результатом оказывается уменьшение вероятности выживания кванта, обусловленное увеличением объемной доли сажи в смешанных частицах.

В приложении 1 рассматривается задача стока озона на частицы грубодиспйгного аэрозоля. Для расчета скорости удаления молекул озона предлагается использовать известный закон роста частиц, обусловленный химическими реакциями, протекающими на поверхности частицы. Правомерность использования указанного подхода подтверждается данными эксперимента.

Приложение 2 посвящено оценке климатических эффектов эволюции антропогенного аэрозоля с помощью радиационно-конвективной модели ИФА РАН. В отличие от стандартных моделей аэрозоля, используемых в теории климата, при расчете радиационных характеристик антропогенного аэрозоля учитывается коагуляционная трансформация трехкомпонентного аэрозоля.

В заключении приводятся основные выводы и результаты диссертационной работы.

1. Уравнение кинетики для функций распределенния частиц по размерам однородного аэрозоля обобщено для случая растворимого аэрозоля в условиях влажной атмосферы.

2. Построена система уравнений кинетики неоднородного атмосферного аэрозоля, позволяющая учитывать процессы превращения газ-частица, включая конденсацию водяного пара, и коагуляцию.

3. Для модельной задачи кинетики двухкомпонентного аэрозоля в стационарном приближении получены функции распределения частиц по размерам.

4. Для решения системы уравнений кинетики неоднородного аэрозоля разработано полимодальное приближение, основанное на представлении микроструктуры каждой компоненты аэрозоля суммами узких фракций с логнормальными распределениями.

5. С помощью метода моментов получена система уравнений для концентраций и факторов заполнения фракций многокомпонентного аэрозоля, которая позволяет контролировать вариации микроструктуры и состава частиц аэрозоля.

6. Предложен метод контроля за составом частиц аэрозоля в зависимости от времени их пребывания в атмосфере.

7. На конкретных моделях антропогенного аэрозоля проиллюстрирована возможность использования разработанной в диссертационной работе кинетической теории многокомпонентного аэрозоля. Рассчитаны изменения микроструктуры и вещественного состава антропогенного трансформирующегося аэрозоля, в частности, получены зависимости объемной доли вещества сажи в смешанных частицах и распределения массы сажи по спектру размеров частиц.

8. Проиллюстрировано взаимное влияние различных процессов трансформации антропогенного аэрозоля на примере конкретной модельной задачи кинетики саже-воднорастворимого аэрозоля.

9. Разработана методика расчета радиационных характеристик антропогенного многокомпонентного аэрозоля переменного состава, согласованная с методикой расчета микроструктуры и вещественного состава частиц трансформирующегося неоднородного аэрозоля.

10. Для конкретных моделей аэрозоля выполнены численные оценки оптических констант и радиационных характеристик антропогенного аэрозоля с учетом рассчитанных вариаций микроструктуры и вещественного состава аэрозольных частиц. Показано, что наиболее существенным результатом трансформации многокомпонентного аэрозоля является уменьшение вероятности

выживания кванта за счет накопления сильно поглощающей сажи в смешанных частицах.

Отметим, что в приложении 1 на примере взаимодействия молекул озона с частицами пыльной мглы проиллюстрированы возможности разработанной методики для решения задач аэрозольно-газовой кинетики, а в приложении 2 выполнено сопоставление параметров климатической системы для случаев коагулирующего и некоагулирующего антропогенного аэрозоля с учетом изменяющихся в процессе коагуляции радиационных характеристик и показано, что начиная с значений аэрозольной оптической толщины пограничного слоя атмосферы около 0.15-0.2, в моделях климата необходимо учитывать процессы трансформации антропогенного аэрозоля.

Цитируемая литература.

1. Golytsyn G.S., MacCracken М.А. Atmospheric and climatic consequences of a major nuclear war: Rezults of recent research. WCP-142.-Geneva:WMO, 1987.-25p.

2. Turco R.P. et.ai. The NASA-Ames research center stratospheric aerosol modal, 1979, NASA Technical Paper 1362, Ames Research Center, Calif.

3. Friedlander S. Smoke, dust and haze. -NY.: John Willy, 1977.-318p.

4. A prelimiary cloudless standard atmosphere for radiation computation. WCP-112.-Geneva:WMO, 1986. -53p.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Влияние трансформации антропогенного аэрозоля на климат .//Проблемы управления качеством окружающей среды городов. Тезисы докладов научно-практической конференции, Москва,1995. с.55-62.

2. Параметризация радиационных характеристик коагулирующего индустриального аэрозоля.//Сборник докладов конференции молодых ученых, препринт ИФА РАН, 1995г

(Соавтор Г.И.Кузнецов).

3. Методика оценки оптических и радиационных характеристик трансформирующегося тропосферного аэрозоля.//Труды конференции Ломоносов-96, Московский Университет, 1996.

4.Unhomogeneous aerosol kinetic modelling.//14th International Conference on Nucleation and Atmospheric Aerosols 1996 in Helsinki.

(Соавтор Г.И.Горчаков).