Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Стратосферный аэрозольный слой: закономерности формирования, эволюция и воздействия на климат

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Стратосферный аэрозольный слой: закономерности формирования, эволюция и воздействия на климат"

Г.пя я 2

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБЕЬСКСЙ РЕВСШВЩИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕНШй УНИЕЕРШЕТ шеш М.ВЛОМШОСОВА

Географический факультет

На правах рукописи

АСАТУРОЗ 1зпгалл Львоепч

Уда 551-51 + 551.56

СТРАТОСФЕРНЫЙ АЭРОЗОЛЬШЙ СПОЙ: ЗАКОНОМЕРНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ, ЭВОЛЩШ И ВОЗДЕЙСТВИЯ Е\ КЛИМАТ

11.00.09 — метеорология, климатология и агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Государственном ордена Трудового Красного Знамени гидрологическом институте

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор П.Н. Болов доктор физико-математических наук, с.н.с. А.Г.Лактионов доктор географических наук, профессор Ю.П.ПереЕедекц<

Ведощая организация: Географический факультет Санкт-Пзтербургского университета

Защита состоится " 9 * 1992 г. в 15 ч.

на заседании специализированного гидрометеорологического совета Д-053.05.30 в Московском государственном университете имени М.ВЛсмоносова по адресу:

115699, Москва, ГСП-З, Ленинские горы, Ж географический факультет, 1В этак, суд.16

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке географического факультета МГУ на 21 этаже.

Автореферат разослан "2.%п -Л. 1992 г.

Ученый секретарь

специализированного совета, кандидат географических наук

С.Ф.Алексеева

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОхН

Актуальность проблемы. Диссертация посвящена изучению закономерностей формирования и изменений стратосферного аэрозольного слоя под воздействием естественных и антропогенных факторов и их влияния на климат.

Слей аэрозольных частиц, набладазщийся в стратосфере после крупных вулканических изверзений взрывного типа, давно привлекает к себе внимание исследователей в связи с проблемой влияния Еулкаштаесккх пыбсрссов на радиационный и термический режим Земли.

Открытие Х.йнгэ в конце 50-х годов наличия в стратосфере, помимо вулканогенного азрсаоля, фонового аэрозольного слоя выдвинуло проблему везпогнего возрастания его гласности под воздействием антропогенных процессов и оценки соответствугщих климатических изменений.

Последнее. время все больший интерес Еызивает проблема климатических катастроф» сызванкых сеерхкрупныки забросим аэрозоля в стратосферу. Такие шбросы мет-ут произойти во время мощных Булканических изверзений, в результата столкновения с Землей крупных астерсидоз я комет. Большие выбросы гзрезоля в стратосферу саидаотся и в случае развязывания термоядерной войны.

Различным аспектам проблемы влияния стратрсфзрного азро— золя на климат уделялось внимание в работах М.И.^дыко, О.А.дроздова, иЛ.Кароля, К.Я.Кондратьева, В.ФЛогкнова, З.И.Пивозаровой, С.С.Хмзлевцова, КХ.Шифрдаа, Д.Коают, ХЛзма, д.Поллака, Р.Сесса, Р.ТУрко и ряда других отечественных и иностранных ученых.

Развитие исследований в этой области, всестороннее и полное изучение этой проблемы, Есследование закономерностей формирования и эволюции стратосферного аэрозольного слоя под воздействием естественных и антропогенных факторов, оценка и прогноз соответствующих изменений радиационного и тьриического режима Земли - все это требует развития комплексного модельного подхода, который разрабатывается в диссертации.

Актуальность этих исследований связана с большим практическим значением, которое приобретает в настоящее время кзу-

чение проблемы естественных и- антропогенных изменений климата и их воздействия на окружающую среду и народнее хозяйство.

Цель работа. Целью диссертации является комплексное исследование закономерностей формирования стратосферного аэрозольного слоя, его эволюции и воздействия на климат, всестороннее рассмотрение на этой основе проблемы естественных и антропогенных изменений стратосферного аэрозольного слоя и их климатических последствий.

Основные результаты. В диссертации развито актуальное научное направление - моделирование формирования стратосферного аэрозольного слоя, его эволюции и влияния на климат. В этой области автором получены следующие результаты.

Разработана комплексная физико-катеиатическая модель, в которой рассматриваются в совокупности закономерности изменений стратосферного аэрозольного слоя и гас воздействия на радиационный и термический рзким Земли.

В качестве составных частей комплексной модели разработаны:

- модель, описывавшая формирование стратосферного аэрозольного слоя н его эволюции под воздействием естественных и антропогенных факторов;

- радиационный блок, позволяющий оценить изменения потоков радиации в атмосфере, вызванные изменениями характеристик стратосферного аэрозольного слоя;

- энергобалансовая модель термического рзгама Земли, позволяющая оценить климатические изменения, вызванные изменениями потокс-ч радиации в атмосфере.

На основа разработанной комплексной модели в диссертации проведено исследование проблемы естественных и антропогенных изменений стратосферного аэрозольного слоя и*их климатических последствий. Основные результаты этих исследований можно сформулировать следующим образом.

I. Рассмотрены закономерности формирования и эволюции фонового стратосферного аэрозольного слоя. Оценены климатические последствия антропогенного возрастания его модности (в результате роста индустриальных выбросов серосодержащих газов в атмосферу, развития стратосферной авиации).

2. Исследованы закономерности эвалгщии стратосферного аэрозольного слоя и соответствующих изменений радиационного я термического рэкима Земли после вулканичесзсих изверззний взрывного типа.

3. Исследованы последствия крупных выбросов в стратосферу (в результате мощных вулканических извержений, падения астероидов и комет, ядерного конфликта). Рассмотрена проблема климатических катастроф в результате крупных выбросов в стратосферу.

Научная новизна. Моделирование формирования стратосферного аэрозольного слоя, лежащее в основе комплексных исследования, представляет собой новое научное направление, одним из создателей которого является автор. Разработанная в диссертации модель формирования стратосферного аэрозольного слоя является наиболее полной, существенно отличающееся по прогностическим свойствам от моделей других исследователей.

Автором внесен танке вклад в развитие моделирования влияния стратосферного аэрозоля на радиационный и термический режим Земли. Предпринятый при разработке радиационного блока п енэргобалгнеовей модели учзт из рггекатряпапгпжа ранее еффак-тов существенно отражается на оценках климатических последствий изменений стратосферного аэрозольного сдоя.

Разработанная в диссертации комплексная модель, обобщающая исследования автора, является наиболее полной по совокупному учету процессов и факторов, влияющих на климатические эффекты стратосферного аэрозоля. В ней впервые учитываются совместно как закономерности -эволюции стратосферного аэрозольного . слоя и его влияния на потоки радиации, так и закономерности изменений термического режима Земли.

Соответственно, являются оригинальными проведенные на основе этой модели исследования проблемы климатических последствий естественных и антропогенных изменений стратосферного аэрозольного слоя. Подученные результаты и шводы в. большинстве своем является новыми или существенно отличаются от сценок других авторов.

Научная и практическая ценность. Представленные в диссертации исследования автора вносят вклад в развитие науки о стратосферном аэрозольном сдое, в изучение процессов и факторов,

определяющих его формирование и эволюцию. Проведенное на основе разработанной модели количественное исследование закономерностей формирования и эволюции стратосферного аэрозольного слоя позволило достигнуть существенного прогресса в этой области.

Представляют научный интерес также разработанные в диссертации радиационный блок и энергобалансовая модель термического реника Земли. Их использование в кошлексе с моделью формирования стратосферного аэрозольного слоя позволило автору всесторонне исследовать закономерности влияния различных процессов и факторов на радиационные и термические эффекты стратосферного аэрозольного слоя.

Разработанная в диссертации комплексная модель имеет не только научное, но и практическое значение, позволяя оценивать и прогнозировать влияние естественных и антропогенных факторов на стратосферный аэрозольный слой и климат Земли.

С этой точки зрения представляют интерес выполненные автором на основе этой модели исследования проблемы возмссшого антропогенного роста мощности стратосферного аэрозольного слоя и его влияния .¡а климат, проблемы естественных климатических изменений в результате вулканической деятельности, проблемы аэрозольных климатических катастроф в случае ядерного конфликта, падения астероидов и комет, еверхкрупных вулканических выбросов.

В целом результаты проведенных в диссертации исследований вносят существенный вклад в исследование проблемы естественных и антропогенных изменений климата и их воздействия на ок-рукагяогю среду и народное хозяйство. Важность этой проблемы определяет практическую значимость полученных в диссертации результатов.

Апробация работы и публикации. Результаты работы докладывались на заседаниях секции климатологических исследований Ученого совета ГТИ (Ленинград, 1976-1990 гг.); на Межведомственных семинарах по влиянию загрязнения природной среды и стратосферного аэрозоля на климат (Обнинск, 1978-1989 гг.); на Всесоюзном семинаре по математическому моделированию динамики атмосферных процессов и методам оценки влияния деятельности человека на атмосферу (Ташкент, 1976); на Всесоюзных совещаниях по проблеме антропогенного изменения климата (Ленин-

град, ISO, 1982, 1983, 1985); на Межведомственном, совещании по проблею климатических последствий ядерной войны (Москва, 1984); на советско-американской встрече экспертов по антропогенным изменениям климата (Ленинград, 1903); на Всесоюзном симпозиума по физическим аспектам теории климата (Обнинск, 1987); на советско-канадском симпозиуме по проблемам мснито-ринга и охраны окружающей среды (Тбилиси, IS88); на советско-американском симпозиуме по проблема "Атмосферный асрсзоль и климат" (Обнинск, 1989); на Все с сш нем совезрит по проблемам кзмйнения климата и мониторингу климата и атмосферы и Симпозиума экспертов П,:С/1.1С стран Европы и Азии по проблеме "Измэ-нения климата" (Ленинград, 1990).

По теме диссертации автором опубликована 21 нпучная работа, отражающие ее основное содержание.

Структура диссертации, дессертаодя состоят из введения, пяти глав и заключения, в котором сформулированы основные результаты и выводы. Обдай объем диссертации 421 страница. TeicCT занимает 293 страниц. Иллюстративный материал представлен на 85 страницах (77 рисунков). Список литература (23 стргнгщ) содержит 362 наименования,- из котерге 222 - кнсстраншз.

ОСНОВНОЕ СОДЕЕЗАШЕ ^ССЕРТАЩИ

Глава I. Формирование аэрозольного' слоя в стратосфера

Первая глава пас вязе на рассмотреть совокупности основных процессов, прлводщих а образованию и зеолзциа аэрозольного слоя в стратосфере.

Развитиэ теоретических исследований в этой области стало возможным после того,, как появилась достаточно надежная база экспериментальных данных. Результата -многочисленных- экспериментальны* исследований стратосферного аэрозоля представлены и проанализиро1,аны в первом параграфе главы I.

К наиболее крупным достижениям экспериментального изучения стратосферного аэрозоля относится открытие фонового' стратосферного слоя субмикронных сернокислотных частиц, а также выявление сернокислотной природы значительной части вулканогенного аэрозоля. Большое значение имеют тага® экспериментальные данные о распределении числа частиц стратосферного аэрозоля по размерил и высоте, их эволюции во времени и пространстве, в частно-

ста, после крупных вулканических извержений взрывного типа.

Во второй параграфе первой главы рассмотрены основные формирующие стратосферный аэрозольный слой процессы, а такш многочисленные прямые и обратные связи меаду ними.

Первопричиной образования в стратосфере сернокислотных частиц субыикронного диапазона размеров является посту плени! в стратосферу и окисление до паров серной кислоты серос одар: щих газов. Во время крупных вулканических изверкений взрывн'. типа эти газы попадают непосредственно в стратосферу. В пер! оды затишья вулканической активности для формирования страт< сферного аэрозольного слоя существенно поступление серссодо] садах газов кз тропосфера (главным образом, С0$ и $0).

Из паров серной кислоты и водяного пара в результате кг гомогенной нуклеации, так и гетерогенной (на ядрах конденсации тропосферного или вулканического прсисхо:кдения), в страт сфере образуются кельчайапз капли раствора серной кислоты, иногда имеющие твердое ядро.

Давление паров серной кислоты в стратосфере * как 1:равш-больсз, чем давление их насыщенных паров у поверхности капал В результате образовавшиеся капли начинают расти за счет кот донсации на их.поверхности паров серной кислоты. При этом бы ро поглсщаотся водяной пар в количествах, необходимых для тс го, чтобы сохранялось равновесие между его давлением в страт сфзре и давлением насыщенных паров воды у поверхности капель

Несмотря на низкие температуры, процесс замерзания капе в стратосфере в силу ряда причин (малость размеров стратосфер них капель, сравнительно низкая (минус 30 - минус 50 °С) тем ратура замерзания раствора серной кислоты) мало интенсивен.У этого процесса существен только при экстремально низких темп ратурах и посещенной влашости воздуха в стратосфере.

Оставаясь в сснопгоу сидкимл, капли серной, кислоты увел чибезтся в размерах из только за счет конденсации паров вода и серной кислоты, но таш;е в результате коагуляции при ссуда рении аэрозольных частиц (в тсы числе с частицами нулканичес кого пепла и ядрами конденсации тропосферного и метеоритного происхождения).

Чем больсз становятся аэрозольные частицы, тем быстрее выпадает они из стратосферы под действием силы тяьести (седи-

мзнтация). Сток аэрозольных частиц из стратосферы происходи? также в результате их переноса в верхнюю тропосферу, откуда они быстро удаляются вследствие интенсивного турбулентного обмена с нижележащими слоями. Существенную роль з формировании спектра размеров аэрозольных частиц играет тага® процессы вертикального и горизонтального перекоса аэрозоля в стратосфере.

Теоретическое рассмотрении перечисленных стратосферных процессов, представленному во втором параграфе первой главы, посвящены работы А.С.Кабанова, ИЛ.Кароля, Ф.М.Куни, П.Крут-цена, Р. Ту pie о, Л.Хомила, Г.Ю, Х.Юнге и др., а также исследования азтера.

Как показано в диссертации, между всеми процессами, участвующими в формировании стратосферного аэрозольного слоя, существует гасгсество пряг.ах и обратных связей, игргэщих егшптэ роль в формировании и эволюции стратосферного аэрозольного слоя.

Одна из цепочек связей ггзгяу процессами возникает при формировании концентрации паров.серной кислоты в стратосфера. Их содержание в газовой.фазе определяется балансом мзщу псступ- ' лением ларов при окисления а стратосфере сзроссдерйсщих газов, стоком в тропосферу и расходом на цуклегцив я конденсации на аэрозольных частицах. В М ез время сами процессы гуклэацпп и конденсации зависят от концентрации паров серной кислота в стратосфере...

Другая цепочка связей мзнду процессами з стратосферном аэрозольном слое возникает при формировании распределения числа аэрозольных частиц по размерам. Количество и- спектр размеров аэрозольных частиц в стратосфере определяется процессами куклеации, конденсации, коагуляции, седиментации н переноса аэрозоля. В то ке время от количества и спектра размеров частиц существенно зависят интенсивности процессов" конденсационного роста, коагуляции, седиментации и переноса аэрозоля.

Таким образом, ни один ш рассмотренных шиз процессов не влияет на формирование и эволюцию стратосферного аэрозоля изо-лизованно. Лоэтоьу для всестороннего исследования закономерностей формирования и эволюции стратосферного аэрозольного слоя, для прогнозирования его естественных и антропогенных изменений необходимо построение модели, учитывающей j совогупности все важнейшие процессы и связи между ниш.

Глава 2. Моделирование формирования аэрозольного слоя в стратосфере

Вторая глава посвящена работал! по численноьу моделированию формирования стратосферного аэрозольного слоя. Рассмотрены модельные 'построения других исследователей. Описана разработанная автором модель формирования стратосферного аэрозольного ело:

Моделирование формирования стратосферного аэрозольного слоя представляет собой новое научное направление, разработанное в исследованиях Х.Юнге, ¿.Хофмана, О.Гуна, Р.турко, П.Хэмила и др., а такко в работах автора.

Среди ыодзлей, разработанных упомянутыми выше учеными, наиболее полной являзтек модель, созданная группой американских исследователей - Тупом, Турко и др. В ней, однако, не принимается во внимание' процессы гомогенной нукязацик паров серной кислоты и водяного пара в стратосфере и верхней тропосфере. Как показано в диссертации, учет этих процессов существенно отражается на свойствах подели, на подученных на ее основе прогнозах и выводах.

Существенно такке, что в упомянутой модели концентрация раствора серной кислоты в стратосферных сернокислотных частицах задается постоянней, нз зависящей от высоты. На самом же деле, как показано в диссертации, ота величина зависит от влажности воздуха, которая в стратосфере на одинакова на разных шеотах. Поэтому концентрация раствора в каплях и их объем изменяются при вертикальном пареносе частиц.

Для учета еффактов горизонтальной неоднородности в одномерную модема Туна, "¡¡урко и др. ее авторами была введена параметризация горизонтального переноса выбраненных в стратосферу продуктов. При отш, однако, рассматривалось распространение продуктов выброса по полушрко только за счет юренсса в меридиональном направлении и нз учитывался процгсс переноса вдоль широтного круга. Как показано в диссертации, учет широтного переноса шброаенных в стратосферу продуктов такае существенно отражается на свойствах модели.

В разработанной автором физико-математической модели формирования стратосферного аэрозольного слоя учитываются все отмеченные выше аффекты. Эта модель является наиболее полной по совокупному учету процессов и факторов, влияодих на формирование и эволюцию стратосферного аэрозольного слоя.

Во второй главе диссертации представлено подробное описание разработанной нами модели формирования стратосферного аэрозольного слоя. Вначале рассмотрен одномерный вариант недели, затем предетавлена введенная а модель параметризация горизонтального переноса.

Система взаимосвязанных дифференциальных уравнений одномерной модели описывает закономерности изменения со временем на различных высотах в стратосфере плотности распределения числа аэрозольных частиц по радиусам {J3 ), концентраций паров серной кислота )» а тает® газов и COS I Sz и Sj ),т.е. газов, химические превращения которых играет главцуо роль в поступлении паров серкой кислоты ь стратосферу:

й 4(l^iteф£/л)]4; (3)

В уравнение (I), в котором рассматривается эволюция аэрозоля, входят члены, описывающие процессы образования новых частиц в стратосфере, их конденсационного роста, коагуляции, седиментации и вертикального переноса.

В модели учитываемся црссэсс образования новых сернокислотных частиц в стратосфере при гомогенной яуклеации паров серной кислоты и водяного пара. Интенсивность этого процесса

%t) рассчитывается ка основе соотношений теории гомогенной нуклеации в двухфезной системе {Кианг, Стауфер, С) в зависимости от концентрации фориируящихея в стратосфере паров серной кислоты, температуры и влажности воздуха.

Принимается во вникание также гетерогенная зуклеация паров вода и серной кислоты на ядрах конденсации, поступающих из

тропосферы. При этом, в соответствии с имеющимися оценками (Хамил и др.), полагается, что скорость *уклеации на ядрах конденсации в стратосфере достаточно велика и не лимитирует го превращения в сернокислотные капли вследствие конденсации на них паров вода и серной кислоты.

Скорость конденсационного роста %?г t X или, в редки? случаях, испарения) капель рассчитывается в модели в зависимости от их размеров, концентрации паров серной кислоты, давления, температуры и влажности воздуха (Амелин,. Зукс и др.).

В модели учитываштся закономерности броуновской коагуляции, основной для стратосферных частиц,-характерные размеры кс торых лежат в субмикронной области, для расчета интенсивности этого процесса ((Jr)*) используется уравнение Смолуховского.

При расчете скорости седиментации 1/S(Z,2.) учитывается поправка Каннингема к формуле.Стскса, существенная в случае малых размеров частиц по сравнению с длиной свободного пробега молекул воэ^ха, что характерно для стратосферы.

Вертикаиьный перенос в стратосфере описывается в модели с помощью стандартного подхода, основанного на концепции макро-турбулентной вертикальной диффузии ( К(2) - коэффициент вертикального турбулентного обмена; (?) - плотность воздуха).

При рассмотрении процессов седиментации и вертикального турбулентного переноса аэрозоля в модели учитывается изменение концентрации серной кислоты в капле и ее радиуса при попадании капли с одного вертикального уровня на другой (за счет быстрого поглощения или испарения соответствующего количества в" дяного пара).

Коэффициенты К¿(2), Kz (2) , (2) и К3 (¿) характеризуют интенсивности процессов окисления газа карбонилсульфид ( С0$) до сернистого газа ( £О% ) (под воздействием ультрафиолетовой радиации в стратосфера) и окисления сернистого газа (в основном, в результате взаимодействия с гидроксильной группой) до паров серной кислоты (1;рутцен, ТУрко и др.).

Сток паров серной кислоты в стратосфере ¥ ( ¿tt) определяется в модели из балансового соотношения, согласно которому расход паров серной кислоты равен увеличению массы серной кислоты в стратосферном аэрозольном слое в результате процессов нуклеации и конденсации.

¡Пункции ¿¿2,0 » и 43&Л)

описывагат естественные и антропогенные выбросы в стратосферу аэрозольных частиц- и серосодержащих газов. Их конкретный вид зависит от условий рассматриваемой задачи.

Нижней границей в модели обычно выбирался уровень в верхней тропосфере 6-10 км, верхней - уровень 36-40 км, где задавались соответствующие граничные условия: турбулентный обмен с нижележащими слоями тропосферы и равенство нулю потеков рассматриваемых субстанций (аэрозоль, серосодержащие газы, пары сергой кислоты) на верхней границе модели.

Рассмотренная система уравнений модели описывает закономерности формирования стратосферного аэрозольного слоя во времени. Ее решение (реализованное наш численными методами на ЭВМ) позволяет при заданных начальных условиях рассчитать дальнейшую эволюции концентраций серосодержащих газов и плотнссти распределения числа частиц по размерам на различных высотах.

Одномерный вариант модели позволяет детально исследовать закономерности формирования и эволюции стратосферного аэрозольного слоя в случае, когда эффекты, связанные с горизонтальной неоднородностью, невелики (например, а случае фонового стратосферного аэрозольного слоя (см.гл.З) ).

При рассмотрении последствий локальных, например, цулкани-ческих выбросов з стратосферу необходимо учитывать горизонтальный перенос выброшенных'проектов. С этой цельи в модель формирования стратосферного аэрозольного слоя была введена параметризация горизонтального переноса. В соответствии с данными наблюдений полагалось, что облако выброшенных в стратосферу продуктов распространяется по полушарии вдоль сиротаото круга в течение нескольких недель, а в'меридиональном направлении -в течение нескольких месяцев. ■

В результате как широтного, так и меридионального переноса увеличивается со временем площадь стратосферного облака продуктов выброса. Это приводит к уменьшений концентрации рассматриваемых компонентов (аэрозольные частицы различных размеров, пары серной кислоты и серосодержащие газы), что отражается на интенсивности многих формирующих стратосферный аэрозольный слой процессов.

В модели рассчитывается изменение средней по площади облака концентрации каждого из компонентов на различных высотах.

фи этом учитывается как увеличение размеров облака, так и совокупность процессов, которые рассматриваются в одномерном варианте модели.

Во второй главе диссертации представлена такие модификация описанной модели для исследования эволюции стратосферного аэрозольного слоя после выброса в стратосферу частиц иного химического состава, чем сернокислотный аэрозоль (например, силикатные частиц« "ядерной" шли), Эта кодификация связана, главным образом, с учетом различия в плотности вещества, из которых состоят частиц*. От плотности зависит масса частиц данного размера, ото отражается на интенсивности коагуляции и скорости их седиментации.

Возможны также случаи, когда в стратосферу в больших количествах поступают частицы разного химического состава (например, вулканогенный сернокислотный аэрозоль к силикатные частицы вулканической пыли). В этих случаях общий эффект оценивается в модели как средневзвешенное (пропорционально массе ' выброса каждого из компонентов) от эффектов, рассчитанные, для случаев, когда весь выброс состоит из частиц только одного типа. Как показано в диссертации, такой подход, при существенной экономии затрат машинного времени на проведение модельных расчетов, обеспечивает вполне приемлемую точность.

Описанная выше ыодаль формирования стратосферного аэрозольного слоя с параметризацией горизонтального, переноса может быть использована для исследования закономерностей и прогнозирования эволюции стратосферного аэрозольного слоя после естественных, "л частности вулканических, и антропогенных шбросов в стратосферу.

Глава 3. Закономерности формирования и эволюции стратосферного аэрозольного слоя

Представленные в третьей главе исследования проведены нами на основе разработанной автором модели формирования аэрозольного слоя в стратосфере (см.гл.2).

В первом параграфе рассмотрены закономерности формирования и эвслшии фонового стратосферного аэрозольного слоя.

Гфедставлено сопоставление модельных расчетов и систематических экспериментальных наблюдений (Розен, Хофман) верти-

кальных профилей различных характеристик фонового стратосферного аэрозоля умеренных, высоких и низких широт. Вполне удовлетворительное согласование расчетных и измеренных профилей на различных широтах свидетельствует о реалистичности модели и сделанных на ее основе выводов.

Показано, что основной вклад в формирование фонового стратосферного аэрозольного слоя в современный период вносит поступление из тропосферы газа карбонилсульфид { С0£*). При учете поступления в стратосферу из тропосферы только одного сернистого газа (¡> 0г ) (без газа карбонилсульфид), масса фонового стратосферного аэрозоля будет примерно на порядок меньше, чем в случае поступления обоих этих газов.

Рассмотрена проблема увеличения мощности фонового стратосферного аэрозольного слоя при возрастании антропогенных выбросов газа карбонилсульфид в атмосферу. Имевшиеся оценки (Хсф-ман, Турко и др.) позволяют сделать вывод, что выбросы этого газа з основном антропогенного происхождения - карбонилсульфид выделяется в атмосферу, главным образом, при сытганни и перерабатке топлива. Практически инертный в тропосфере, где время его жизни составляет несколько лет, газ карбонилсульфид более или г.тзнее равномерно распространяется по гсегу земнсг-у пару и по всей толще тропосферы пне зависимости от района источника.

Показано, что предпринятый в разработанной автором модели учет процессов гомогенной ьуклеации пароз серной кислоты и водяного пара в стратосфере и верхней тропосфере существенно сказывается на прогностических свойствах модели. Отсутствие такого учета (как в модели американских ученых Тука, Турко и др.) приводит к существенной недооценке влияния роста содержания газа карбонилсульфид в тропосфере на мощность стратосферного аэрозольного слоя.

Показано также, что при оценках темпов роста мощности фонового стратос4ерного аэрозольного слоя, вызванных возрастанием антропогенных выбросов газа карбонилсульфид в атмосферу, существен учет нестационарности процессов. Расчета без учета нестационарности (т.е. сопоставление стационарных уровней фонового стратосферного аэрозольного слоя при различных концентрациях газа карбонилсульфид, как-в работах американских авторов) также дают заниженные темпы антропогенного роста мощности стратосферного аэрозольного слоя.

Как показано в диссертации (цутем модельных расчетов с учетом всех отмеченных выше факторов), при темпах роста концентрации газа карбонилсульфид на 4,5 % в год темпы возрастания массы фонового сернокислотного аэрозоля составляют в современный период около 5,5 % в год. Эта величина достаточно хо рошо согласуется с эмпирическими оценками (Седлачек и др.) роста содержания сульфата в фоновом стратосферном аэрозольном слое (около 6 % в год). Возрастание модности фонового стратосферного аэрозольного слоя в современный период на 5-7 % в гол подтверждается и результатами наблвдений других исследователеЯ (Хмелевцов, Розен и др.).

В диссертации представлены результаты наших модельных рас четов увеличения массы и оптической толщины фонового стратосферного аэрозоля в будущей при возрастании антропогенных выбросов газа карбонилсульфид в атмосферу. Показано, что за счет этого фактора можно ожидать значительного глобального возрастания мощности фонового стратосферного аэрозольного слоя уке £ первой половине следующего века.

Рассмотрена проблема возможных последствий развития стратосферной авиации. Представлены модельные оценки увеличения мощности фонового стратосферного аэрозольного слоя вследствие поступления сернистого газа в стратосферу шесте с выхлопными газами самолетов. При проведении сценок использовались прогнозы возрастания числа полетов и количества выбросов стратосферной авиации, представленные в трудах CLIP.

Показано, что определяющее влияние на фоновый стратосферный аэрозол.-чый слой будет сказывать развитие сверхзвуковой стратосферной авиации (по сравнению с дозвуковой) вследствие бблыаих высот полетов. При этом существенного увеличения модности фонового стратссферного аэрозольного слоя в следующем столетии можно ожидать лишь в умеренных широтах севзрного полушария, где будут пролегать основные трассы сверхзвуковой стратосферной авиации.

Во втором параграфе рассмотрены закономерности эволюции стратосферного аэрозольного слоя после гулканических выбросов в стратосферу различного состава, вертикальной и горизонтальней структура.

Показано, что при поступлении в стратосферу мелксдисперс-

ных частиц радиусом примерно до 0,1-0,3 мкм. (сернокислотный вулканогенный аэрозоль или мелкодисперсная фракция вулканического пепла) их характерный размер (при одной и той же массе выброса) мало сказывается на эволюции массы и оптической толщины стратосферного аэрозольного слоя после выброса. При этом более тяжелые силикатные частицы мелкодисперсного пепла удаляются из стратосферы несколько быстрее, чем сернокислотные.

дальнейшее увеличениэ размеров поступивших частиц приводит к резкому уменьшению характерного времени очищения стратосферы посте выброса. Поэтому главную роль в долговременных изменениях оптической толщины стратосферного аэрозольного слоя после вулканических извержений играет мелкодисперсный вулканогенный аэрозоль, а не кружодисперсные частицы вулканического пепла.

Показано, что закономерности эволюции стратосферного аэрозольного слоя после изпэржения сильно зависят от размеров первичного вулканического аэрозольного облака в стратосфере. Чем менып начальная площадь облака и его толщина, тем быстрее очк-. щается стратосфера после поступления одного и того гэ количества аэрозоля. При локальных вулканических пгброгаг характерное время очищения стратосферы и возмущений оптической толщины стратосферного аэрозоля значительно меньпа, чаи в случае равномерного распределения такой то массы выброса в стратосфере полушария. ,

Чем больше высота вулканического выброса (до уровня 25 км), тем медленнее очищается стратосфера от поступивших частиц. При высоте выброса», приблизительно равной 25 км», характерное время очищения стратосферы достигает максиыука, а дальнейшее увеличение высоты выброса приводит даже к некоторому его укеныгчнив.

При кргупных извержениях, проекты которых обогащены серой (например, Эль-Чичон, 1502 г.), по завершении периода продолжительностью около суток интенсивного образования сернокислотного аэрозоля в лервитаых вулканических облаках, в стратосфере остается значительное количество не окисленного сернистого газа.

Как показано в диссертации, поступление в стратосферу сернистого газа приводит (в результате его постепенного окисления до паров серной кислоты и формирования в дальнейшем мелкодисперсного сернокислотного аэрозоля) к возрастанию на период в несколько лет массы и оптической толщины стратосферного аэро-

зольного слоя. При этом роль сернистого газа в долговременных изменениях массы и, особенно, оптической толщины стратосферного аэрозольного слоя сопоставима'или даже превышает роль первичного мелкодисперсного аэрозоля.

Показано, что при модельном исследовании этих эффектов (так же, как и в случае фонового стратосферного аэрозольного слоя) важен учет гомогенной нуклеации паров воды и серной кислоты. Без учета этих процессов рассчитываемое увеличение массы и оптической толщины стратосферного аэрозоля после вулканического выброса будет гораздо меныде и кратковременная.

В третьем параграфе исследована зависимость эволюции стратосферного аэрозольного слоя от массы выброса, рассмотрены последствия крупных шбросов в стратосферу (в результате мощных вулканических извержений, столкновения с Землей астероидов и комет, в случае ядерного конфликта).

Показано, что чем больше масса поступившего в стратосферу аэрозоля, тем меньше характерное время очищения стратосферы, ? В результате, при возрастании массы выброса интегральное по времени увеличение оптической толщины стратосферного аэрозоля возрастает медленнее, чем масса выброса. При этом, чем бельке масса выброса, тем сильнее нелинейность этой зависимости.

Степень нелинейности существенно зависит таклео от вертикальной и горизонтальной структуры выброса. Чем равномернее распределена масса выброса по стратосфере полушария, тем меньше нелинейность (в том же диапазоне изменения массы выброса).

Показано, что при поступлении в стратосферу сернистого газа (неокис.-энного в начальный период) масса и оптическая толщина формирующегося в результате стратосферного аэрозольного слоя возрастают практически пропорционально его количеству в широком диапазоне величин выброса. Соответственно, чем больше ебшая масса вулканического выброса при одном и том же соотношении масс первичных мелкодисперсных частиц и неокисленного в начальный период сернистого газа, тем больше вклад последнего компонента в увеличение мощности стратосферного аэрозольного слоя после вулканического выброса.

Рассмотрены закономернеети эволюции стратосферного аэрозольного слоя после поступления в стратосферу больших количеств (до ICO Ыт) мелкодисперсной силикатной ядерной пыли и

сагл, которые, согласно оценкам (Крутцек, Турко и др.), попадут б стратосферу в случае ядерного конфликта.

Показано, что в силу большей рассссредоточенности кассы выброса (в основном, по умеренной зоне северного полушария) в случае ядерного конфликта произойдет значительно более сильнее и длительное возрастание мощности стратосферного аэрозольного слоя, чем после цулканическсго выброса такого же количества мелкодисперсного аэрозоля.

Рассмотрены закономерности эволюции стратосферного аэрозольного слоя после столкновения с Землей крупных кс-мет и астероидов (размером з поперечнике в несколько километров и более) . В результате таких катастрофических событий, согласно сценкам (Альварэц и др.), в стратосферу монет поступить свыше 10'* Мт мелкодисперсной силикатной пыли, т.е. на несколько порядков больве, чем при самых костных извержениях пли в случае ядерного конфликта. При этом азрсзоль, выброшенный з стратосферу в результате сверхмощного взрыва, быстро распространяется по площади полуиария пли даке всего земного аара.

Показано, что характерное время очищения стратосферы после таких крупных выбросов существенно умэньияется при возрастании размеров столкнувшихся с Землей небесных тел и соответствующем увеличении массы выброса. Показано такг.е, что после ссуда-рения с Землей крупных астероидов или комет могло скидать намного большего интегрального по времени увеличения мощности стратосферного аэрозольного слоя, чем в случае крупнейших вулканических извещений.

Глава 4.Моделирование влияния стратосферного аэрозольного слоя на радиационный и термический режим Земли

Естественные и антропогенные изменения стратосферного аэрозольного слоя, закономерности которых рассмотрены в предыдущей главе, приводят к изменениям радиационного и термического режима Земли. 3 целях проведения модельных исследований этих эффектов нами были разработаны радиационный блок и энергобалан-ссвая модель термического рздима Земли, представленные в четвертой главе диссертации..

3 первом параграфе опдовдаетр.я радиационный блок, который позволяет рассчитать изменения .потоков коротковолновой и длин-

нсьолновой радиации в атмосфере, вызванные изменениями со временем характеристик стратосферного аэрозольного слоя.

Входным параметром в радиационном блоке является плотность распределения числа стратосферных частиц по размерам £ (в зависимости от высоты и времени), которая рассчитывается в разработанной нами модели формирования стратосферного аэрозольного слоя (см.гл.2). Задается также комплексный показатель преломления для вещества, из которого состоят рассматриваемые частицы (сернокислотные или силикатные) стратосферного аэрозоля.

аля определения коэффициентов рассеяния КР , поглощенияК„ и рассеяния в обратную полусферу А монохроматической радиации (с длиной волны Д. ) частицами различных размеров используются имеющиеся результаты расчетов этих величин по формулам теории Ми (Шифрин и др.).

,цля расчета влияния стратосферного аэрозоля на потоки коротковолновой радиации в атмосфере в радиационном блоке применяется двухпотоковое приближение с учетом угла падения (0 ) поступающей в слой радиации (Коакли и др.), в котором рассматривается многократное рассеяние в аэрозольном слое. При этом пренебрегается поглощением коротковолновой радиации, которое мало, для стратосферных сернокислотных и силикатных частиц.

В этом приближении вызванное стратосферным аэрозолем изменение баланса коротковолновой радиации на верхней границе тропосферы д0А можно оценить, используя следующие соотношения:

1"г/7?(г,2)&(1>ХЛ)с11с}ъ> (5)

г«, I

Я ; (б) КлСх>=/4 Я <7>

л(1А-- -(Я- аЯ^Ыл- («>

где О - баланс коротковолновой радиации в отсутствие стратосферного аэрозоля; %(*)- плотность распределения коротковолновой радиации по длинам волн;Л - альбедо тропосферы и подрти-латапей поверхности; и (/Ч) - плотность распределения

солнечной и отраженной радиации по углам падения (уЦ = СС-ъб )-

Для расчета влияния стратосферного аэрозоля на длинноволновое тепловое излучение Земли в радиационном блоке использует-

ся приближение радиационного равновесия для стратосферы. Полагается, что в сторону тропосферы излучается половина радиационной энергии, которая поглощается стратосферным аэрозолем (вторая половина излучается в околоземное пространство). Прг. этом пренебрегается рассеянием длинноволновой радиации, которое мало для основной массы стратосферного аэрозоля субмикрсн-ноге диапазона размеров.

В этом приближении изменение баланса длинноволновой радиации на верхней границе тропосферы Дрд , вызванное стратосферным аэрозолем, мокно рассчитать по формулам:

{- ехрГ\[7с1МпМс/г(9)

л- I **4 Тс

У Л Г Р

1) ] 47в%&пС^1с1л; (Ю)

АЬ = Ф (Ц)

где ф - длинноволновое^ тепловое излучение тропосферы и подстилавшей поверхности; О4) - плотность распределения теплового излучения по длинам волн и углам падения;

- доля поступающей сверху длинноволновой радиации, которая противоизлучается тропосферой и облачными слоями.

При расчетах нами учитывается следующий эффект, который не принимается во внимание в модельных построениях других авторов. фи рассмотрении радиационных и климатических эффектов стратосферного аэрозоля обычно полагается, что вся поступающая ■сверху длинноволновая радиация поглощается тропосферой, вызывая увеличение средней приземной температуры и возрастание вследствие этого теплового излучения Земли. При этом, однако, не учитывается противоизлучение тропосферы и облачных слоев. Часть поступающей сверху в тропосферу длинноволновой радиации ( ) излучается обратно, не участвуя в формировании термического режима нижней тропосферы. Как показано в диссертации, учет этого обстоятельства во многих случаях существенно сказывается на результатах модельных расчетов радиационных и термических эффектов стратосферного аэрозоля.

Б» втором параграфе представлена разработанная автором энергобалансовак модель термического режима Земли, позволяюсь рассчитать изменения средней температура воздуха у поверхнссз суши ( лТ^ ) и океана { Л Т^ ) в северном и южном лодушарии, вызванные изменениями радиационного баланса Земли. В предлага емсй модели в каждом из полушарий рассматривается термический реккм областей, занятых суцей и океаном, с учетом теплообмена меззду ними. Учитывается также теплообмен между полушариями.

Атмосфера и подстилающая поверхность сути, термическая инерция которых примерно одинакова, рассматриваются как едино целое (слой I). В океанической области рассматриваются следующие слои, обладающие существенно различной термической инерцией: атмосфера и поверхностный слой океана толщиной 0,5-1 м (слой 2); верхний квазиод..сродный слой океана толщиной 0&-85 ! (слой 3); более глубокие слои океана, а именно, главный термоклин толщиной около I км (слой 4).

В систем уравнений модели входят представленные ниже уравнения, описывающие изменения термического режима северногс ( N ) полупария, а таю?>е взаимосвязанные с ними аналогичные уравнения для южного { ¡5 ) полушария:

^ ГЛлХ-ьХ)

<>; <14)

(13)

где ^ и ^ - доли площади рассматриваемого полушария, занятые сушей (включая морские льда) и океаном (свободным ото льда);

С* » » Сз и С<г~ теплоемкости слоев I, 2, 3 и 4; о( - доля коротковолновой радиации, поглощаемая слоем 2; Я и Лх- коэффициенты интегрального теплообмена между слоями 2 и 3 и между слоями 3 и 4; ¿0 - коэффициент интегрального теплообмена между сушей и океаном; » и - коэффициенты переноса тепла через экватор атмосферой и океаном в слоях 2, 3 и 4; и 71 -эффективная температура слоев 3x4.

Входными величинами в модели являются изменения со временем баланса коротковолновой и длинноволновой радиации на верхней границе атмосферы, характеризующие непосредственное воздействие внешних факторов на радиационный резким северного и южного полушария ( и ¿\Р ).

Изменения радиационного баланса в результате изменений приземной температуры рассматриваются в модели отдельно. Так, в уравнениях (16) и (17) цутем использования эмпирических соотношений (%дыко, Голицын, Сесс и др.) учитываются зависимости альбедо (вследствие изменения границы снежно-ледяного покрова) и теплового излучения Земли от приземной температуры.

Как показано в диссертации, раздельное рассмотрение атмосферы (вместе с поверхностным слоем) и верхнего квазиоднородного слоя (ВКС) океана (в отличие от энергобалансовых моделей других авторов (1удыко, Ботнер, Сэсс, Хмелевцов и др.), в которых атмосфера к ВИС рассматриваются как единое целое) существенно отражается на свойствах модели. Это, в частности, позволяет привлечь эмпирическую информацию о сезонном ходе температуры воздуха и различных компонентов теплового баланса полушарий (Винниксв, Гройсман, Бснде^ Хаар и др.) для проверки модели и определения значений ее параметров.

Ьаряду со значениями параметров модели, характерных для северного и южного полушария, наш были определены амплитуда и фаза сезонного изменения теплосодержания океана. Полученные величины близки к их эмпирическим оценкам, что свидетельствует о реалистичности модели.

Зс втором параграфе исследованы свойства модели, рассмотрены на ее основе общие закономерности изменений приземной температуры при изменениях радиационного режима Земли.

Показано, что система уравнений разработанной модели, б которой рассматриваются отклонения от средних многолетних зна чений температуры воздуха и различных компонентов радиационно го и теплового баланса полушарий,справедлива также для их изменений относительно сезонного хода.

Продемонстрировано (путем численных экспериментов с моделью с помощью ЭВМ), что на термический режим одного полушария оказывают существенное влияние радиационный и термический режим другого полушария. При глобальном радиационном воздействии изменения температуры воздуха в каждом из полушарий,особенно у поверхности океана, будут более сильными и длительными, чем при таком же радиационном воздействии только на рассматриваемое или, тем более, противоположное полушарие.

Проведен сравнительный анализ закономерностей изменений термического режима северного и южного полушария. Показано,чт< при одинаковом радиационном воздействии в южном полушарии изменения температуры воздуха у поверхности океана и особенно в среднем по полушарию более слабые и сглаженные, а над сушей -примерно такие же, как. в северном полушарии.

Разработанные в диссертации энергобалансовая модель термического режима Земли и радиационный блок (см.наст.гладу), а также модель фор:.ирования стратосферного аэрозольного слоя (см.гл.2) в совокупности составляют единую комплексную- модель, списывающую закономерности формирования стратосферного аэрозольного слоя, его эволюции и воздействия на радиационный и термический режим Земли. Как Продемонстрировано в следующей главе, эта комплексная модель может быть использована для всестороннего рассмотрения проблемы влияния стратосферного аэрозольного слоя на климат.

Глава 5. Климатические последствия естественных и антропогенных изменений стратосферного аэрозольного слоя

В пятой главе представлены проведенные автором на основе разработанной комплексной модели (см.гл.4) исследования закономерностей изменений радиационного и термического режима Земли, происходящих вследствие естественных и антропогенных воздействий на стратосферный аэрозольный слой. Приведенные результа-

ты расчетов изменений радиационного баланса и средней приземной температуры, важнейшей интегральной характеристики климата, позволяют обоснованно судить о масштабах и временном ходе соответствующих климатических изменений.

В первом параграф© рассмотрены закономерности влияния фонового стратосферного аэрозольного слоя на радиационный и термический режим Земли, оценены климатические последствия возможного антропогенного возрастания его мощности.

Показано, что основное воздействие фоновый стратосферный аэрозольный слой оказывает на баланс коротковолновой радиации, уменьшая количество суммарной радиации, поступающей в тропосферу. В среднем по полушарии увеличение баланса длинноволновой радиации, вызванное фоновым стратосферным аэрозольным слоем, составляет примерно 10-15 % от уменьшения баланса коротковолновой радиации на верхней границе тропосферы.

Максимальное уменьшение средней приземной температуры, которое может вызвать современный фоновый стратосферный аэрозольный слой при длительном стационарном воздействии на климатическую систему, составляет около 0,1 °К. Однако, несмотря на малый климатический эффект современного фонового стратосферного аэрозольного слоя, актуально проведенное в диссертации исследование проблемы климатических последствий возможного антропогенного роста его мощности.

Таблица I

Изменение средней приземной температуры в результате антропогенного возрастания мощности стратосферного аэрозольного слоя ( ¿Та ) и за счет изменения химического состава ат.- осферы ( ¿Т^ )

1975 г. 2000 V. 2025 г. 2050 г.

АТх(сЮ -0,05 -С,2 -(С,440,6) -(0,741,5)

лЬ 0,5 1,3 2,5 3,5

¡АТа/лТ,! 10 % 15 % 16*24 % 20г43 %

Оценены климатические последствия возрастания мощности фонового стратосферного аэрозольного слоя в результате роста антропогенных выбросов газа карбонилсульфид в атмосферу.

Б табл.1 представлены результаты наших модельных расчетов уме! шения со временем средней приземной температуры (АТа ) в ел; чае сохранения в <$удощем современных тейпов роста выбросов эи го газа (4,5 % в год) и при вероятном двухкратном снижении этих темпов в XXI веке. Там же для сравнения представлены сце! ки (%дыко и др.) ожидаемого антропогенного потепления климатг в результате возрастания выбросов углекислого газа и других мг лых примесей ().

Как видно из табл.1, роль фонового стратосферного аэрозольного слоя в антропогенных изменениях климата в современный период невелика и останется таковой до конца XX столетия. В 2000 г. величина дТа. составит примерно минус 0,2 °К.

Но в дальнейшем, по мере увеличения мощности фонового стратосферного аэрозольно. о слоя, его кл имаго образующая роль Судет возрастать. К середине XXI века величина ¿7«. макет достигнуть весьма больших значений (мщус 0,7 - минус 2,5 °К), сопоставимых по абсолютной величине с сжидаешм глобальным потеплением в результате возрастания антропогенных выбросов углекислого газа и других малых примесей.

Оценены также климатические последствия возрастания мощности фонового стратосферного аэрозольного слоя в результате развития стратосферлой авиации. Понижение за счет атого фактора средней приземной температура будет почти на порядок меньше, чем понижение, вызванное возрастанием антропогенных выбросов газа карбонилсульфид в атмосферу.

Показано, что увеличение планируемых темпов развития стра тосферной авиации, небольшое изменение химического состава самолетного топлива в стороцу увеличения процентного содержания в нем серы могут иметь далеко идущие климатические последствия Технически осуществимо предотвращение ожидаемого потепления климата целенаправленным воздействием на стратосферный аэрозольный слой, например, цутем сравнительно небольшого повышент содержания серы в топливе стратосферной авиации. Однако реализация подобного рода проектов представляется нам недопустимой ввиду возможности появления множества побочных отрицательных последствий, как, например, разрушение озонного слоя.

Б целом представленные в первом параграфе модельные оценки позволяют сделать вывод о том, что неконтролируемые антропо-

генные нагрузки на стратосферный аэрозольный слой могут привести к значительным воздействиям на климат уже в первой половине следувщего столетия. •

Этот важный вывод из результатов проведенных в диссертации комплексных модельных исследований поддерживается и работами ряда других ученых (Хмелевцов и др.). В них оценены климатические последствия возрастания со временем оптической толщины фонового стратосферного аэрозольного слоя при экстраполяции на будущее наблюдаемых тенденций ее роста.

Необходимо также отметить, что результаты модельных исследований группы американских ученых (Тун, ТУрко и др.) не позволял? сделать указанный вывод. Это связано с тем, что расчеты этих авторов выполнены на основе модели формирования стратосферного аэрозольного слоя с существенно заниженной чувствительностью к росту Еыбросов серосодержащих газов в атмосферу (см.гл.2, 3).

Во втором параграфа представлены модельные исследования закономерностей влияния вулканических извержений взрывного типа, на радиационный и термический режим Земли.

Показано, что при гулканических выбросах аэрозоля в стратосферу основное воздействие на климат оказывает его мелкодисперсная фракция (вулканогенный сернокислотный аэрозоль и субмикронные силикатные частицы вулканического пепла). Крупнодисперсные частицы вулканического пепла оказывают значительно более слабое климатическое воздеГлтвие вследствие намного меньшего времени жизни в стратосфере. •

Увеличение баланса длинноволновой радиации, вызываемое вулканогенным стратосферным аэрозолем, вносит существенный вклад в общее изменение радиационного баланса на верхней границе тропосферы (десятки процентов от уменьшения баланса коротковолновой радиации). В среднем по полушарию общее уменьшение радиационного баланса на верхней границе тропосферы достигает максюлума через несколько месяцев после вулканического выброса аэрозоля в стратосферу.

Понижение средней приземной температуры полушария после извержения намного длительнее, чем уменьшение радиационного баланса. При этом максимальное понижение средней приземной температуры воздуха у поверхности суши существенно более сильное

и наступает раньше, чем максимальное уменьшение средней температуры воздуха у поверхности океана.

При вулканическом выбросе в экваториальной области, когда аэрозоль поступает в примерно одинаковых количествах в стратосферу обоих полушарий, изменения термического режима каждого полушария заметно более сильные и длительные, чем в случае поступления тех яе количеств аэрозоля в стратосферу только рассматриваемого или, тем более, противоположного полушария.

Чем больше начальная площадь и толщина аэрозольного облака, тем сильнее и длительнее возмущение радиационного и термического режима Земли после поступления в стратосферу одного и того же количества аэрозоля. Термический эффект от локального вулканического выброса аэрозоля значительно меньше, чем в случае, когда та ке масса аэрозольных частиц сразу до равномерно распределена по стратосфере полушария (см.рис.1).

Показано, что в климатических -изменениях после обогащенных серой вулканических выбросов в стратосферу значительна роль сернистого газа, не окисленного в первичных вулканических облаках. Радиационный и термический резким Земли намного чувствительнее к поступлению б стратосферу сернистого газа, чем к поступлению такой не массы мелкодисперсного сернокислотного аэрозоля.

Для проверки реалистичности разработанной авторш комплексной модели и полученных на ее основе выводов проведено сопоставление результатов модельных расчетов с данными наблюдений за радиационно-климатическими последствиями наиболее крупных вулканических извержений за период инструментальных наблюдений: Кракатау (1В83'г.), Катмай (1912 г.), Агунг (1963 г.) и Зль-Чичон (1932 г.). При этом были использованы эмпирические данные по изменении средней приземной температуры северного полушария (в отклонениях от средних месячных норм) (Ванников, Гройсман и др.), а также по изменении {% от нормы) средних сезонных величин прямой радиации (ПивоЕарова).

Представленное сопоставление показывает, что эмпирические данные и результаты модельных расчетов вполне удовлетворительно согласуются мвяду собой (с учетом естественной изменчивости радиационного и термического режима Земли) как по масштабу, так и по особенностям временного хода климатических изменений дос-

1. 3 1.1т

2. 10 Мт

4. 100 Ыт

5. 300 Мт

I год

Рис.1. Изменение средней приземной температуры северного полупария после поступления в стратосферу различных количеств мелкодисперсного аэрозоля при локальном гулканическом выбросе(а) и в случае равномерного распределения массы шброса по стратосфере полушария (б)

ле каждого из извержений. При отом существенно, что рассмотре ные вулканические извержения разнообразны по своим характеристикам. Это извержения различных типов, с различной массой и мощностью выброса, степенью обогащенности серосодержащими про дуктами, извержения, произошедшие как в северном, так и в южном полушарии.

В третьем параграфе исследованы закономерности влияния массы выброса на изменения радиационного и термического режим Земли, рассмотрена проблема климатических катастроф в результате сверхкрупных выбросов в стратосферу.

Показано, что происходит насыщение радиационных и термических эффектов крупных вулканических извержений при возрастании массы аэрозоля, поступившего в стратосферу (см.рис.1.а). Максимально возможное понижение средней приземной темперазуры после одиночного вулканического выброса аэрозоля достигается при поступлении в стратосферу около 100 Ыт мелкодисперсного аэрозоля. Такая величина выброса характерна для крупнейших извержений типа Кракатау. Дальнейшее возрастание массы выброса приводит даже к некоторому уменьшению климатического эффекта вулканического извержения. Все это происходит вследствие умеш шения времени очищения стратосферы и насыщения влияния аэрозоля на потоки радиации (при большой оптической толщине стратосферного аэрозоля) при возрастании массы выброса.

Как показано в диссертации, максимально возможное понижение средней призешой температуры после самых крупных одиночных вулканических' выбросов аэрозоля составляет (с учетом возможной вариации остальных .параметров извержения) примерно С,7 °К.

При крупных извержениях с повышенным содержанием серы в продуктах выброса, когда в стратосфере остается значительное количество неокиеденного в начальный период сернистого газа (например, Лаки, 1783 г.; Эль-Чичон, 1982 г.), зависимость р?*-диационных и термических эффектов ст массы выброса далека от насыщения. Однако извержения этого типа характеризуются относительно небольшой и ограниченной мощностью. ¿Максимально возможное уменьшение средней приземной температуры после таких извержений составляет, по нашим сценкам, около I °К.

Полученные оценки позволяют сделать еывсд, что одиночное извержение» даже самое мощное, не мсжет привести к глобальной климатической катастрофе.

В то же время, как показано в диссертации, значительно белее сильное по климатическим последствиям понижение на несколько градусов средней приземной температуры может вызвать серия крупных вулканических извержений, произошедших с интервалами в полгода-год в течение нескольких лет.

Рассмотрены последствия поступления в стратосферу больших количеств мелкодисперсной силикатной пыли после сверхмощного взрыва, происходящего при соударении с Землей крупных астероидов или комет, в результате которого выброшенный аэрозоль быстро распространяется по площади полушария.

Показано, что в этом случае (см.рис.1.6) наиболее сильные изменения термического режима будут при поступлении в стратосферу 10^-10 Мт мелкодисперсного аэрозоля (что может произойти при столкновении с Землей астероида размером в поперечнике в несколько километров). фи этом уменьшение средней приземной температуры воздуха достигнет в течение первого года примерно 10-12 °К (около 20 °К у поверхности суши). Последующие несколько лет средняя приземная температура будет ниже нормы на несколько градусов.

Такое сильное изменение термического режима Земли чревато катастрофическими климатическими последствиями для живой природы. Оно может быть одним из возможных объяснений грандиозной экологической катастрофы,произошедшей около 65 млн.лет то^ назад.

Оценены последствия поступления в стратосферу больших количеств (до 100 Мг) мелкодисперсной ядерной пыли в случае ядерного конфликта. Показано, что произойдет весьма существенное для климата и жизнедеятельности человечества уменьшение на несколько градусов средней приземной температуры на протяжении нескольких лет.

Особенно сильное уменьшение (до 5 °К) произойдет над континентами, т.е. климатические изменения будет наиболее неблагоприятными для растительного и животного мира суши и для сельскохозяйственного производства. Все это резко усилит другие губительные для человечества последствия развязывания термоядерной войны.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана комплексная физико-математическая модель, описывающая закономерности формирования и эволюции стратосфер ього аэрозольного слоя и его воздействия на радиационный и термический режим Земли.

На основе разработанной модели исследована проблема клим< тических последствий естественных и антропогенных изменений стратосферного аэрозольного слоя.

2. Реалистичность модельных построений автора и полученных на их основе выводов подтверждается сопоставлением результатов расчетов с данными наблюдений различных характеристик стратосферного аэрозольного слоя, радаационно-климатических последствий крупных вулканических изверкений.

3. Показано, что формирование фонового стратосферного аэ! зольного слоя происходит в основном вследствие окисления до ш ров серной кислоты поступающего из тропосферы газа карбонил-сульфид. Возрастанием антропогенных выбросов этого газа в тропосферу в современный период на 4,5 % в год можно объяснить наблюдавшиеся темпы роста мощности фонового стратосферного аэрозольного слоя (около б % в год).

4. При сохранении тех 5£е темпов роста выбросов газа карбс нилсульфид и даже при их двухкратном.уменьшении в XXI веке рол фонового стратосферного аэрозольного слоя в антропогенных изменениях климата, которая в современный период невелика, будет с течением времени возрастать.

К середине следующего века понижение средней приземной температуры за счет этого фактора может достигнуть мицус 0,7 -мицус 1,5 °К, что сопоставимо по абсолютной величине с ожидаемым глобальным антропогенным потеплением климата в результате возрастания выбросов углекислого газа и других малых примесей.

5. Прогнозируемое развитие стратосферной авиации и увеличение выбросов выхлопных газов в стратосферу окажет небольшое влияние на мощность стратосферного аэрозольного слоя. Соответствующий термический эффект Зудет примерно на порядок меньше, чем от возрастания антропогенных выбросов газа карбонилсульфид Однако ускорение темпов развития стратосферной авиации, небольшое увеличение процентного содержания серы в топливе самолетов монет привести к не менее сильным климатическим последствиям.

6. долговременные широкомасштабные изменения мощности стратосферного аэрозольного слоя, радиационного и термического режима Земли после вулканических извержений происходят в результате эволюции образующегося в стратосфере вулканогенного сернокислотного аэрозоля и мелкодисперсных частиц вулканического пепла.

7. Чем больше начальная площадь и толщина аэрозольного облака (при одной и той же массе поступивших в стратосферу частиц) , тем больше характерное время очищения стратосферы после выброса и тем сильнее радиационные и термические эффекты.

8. При возрастании массы поступающего в стратосферу аэрозоля уменьшается характерное время очищения стратосферы. При этом происходит насыщение радиационных и термических эффектов аэрозольных выбросов з стратосферу.

9. Максимальное уменьшение средней приземной температуры после самых крупных одиночных вулканических извержений не монет превысить 0,7-1 °К. Максимальный термический эффект достигается при массе выброса мелкодисперсного вулканогенного аэрозоля около 100 Мт или при менее мощных, но обогащенных серой гулканических извершениях.

10. Более сильное понижение средней приземной температуры (на несколько градусов) может вызвать серия крупных вулканических изверлекий, произошедших с интервалами в полгода-год в течение нескольких лет.

11. Катастрофические изменения климата может вызвать поступление в стратосферу больших количеств мелкодисперсной силикатной пьиги при столкновении с Землей крупных астероидов или комет. Наиболее сильные изменения термического режима произойдут при выбросе в стратосферу 10^-10 Мт мелкодисперсного аэрозоля (что может быть вызвано падением астероида с поперечником в несколько километров). фи этом уменьшение средней приземной температуры достигнет примерно 10-12 °К (около 20 СК у поверхности суши).

12. Существенное воздействие на стратосферный аэрозольный слой и климат Земли может оказать поступление в стратосферу больших количеств (до 100 Мт) мелкодисперсной силикатной шли в случае ядерного конфликта. Б результате можно ожидать пони-

кения средней приземной температуры на несколько градусов (до 5 °К у поверхности суши) в течение ряда лет.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих

работах автора:

1. Конденсационный рост стратосферного сульфатного аэрозоля. Труды ГГО, 1976, вып.365, с.3-13.

2. Антропогенные изменения климата. - В кн.: Математическое моделирование динамики атмосферных процессов и методы сцен ки влияния деятельности человека на атмосферу. Всесоюзная школа-семинар. Ташкент 1976. Тезисы докладов. - Ёш гвардия, Ташкент, 1976, с.32-33.

3. Формирование стратосферного слоя сульфатного аэрозоля. -Труды ГГИ, 1977~, вып.247, с.45-54.

4. Стратосферный аэрозольный слой. - Метеорология и гидрология, 1977, i? 3, C.III-II3.

5. Моделирование стратосферного аэрозольного слоя. - Труды ITli, 1979, вып.257,. с.81-85.

6. К вопросу о формировании стратосферного аэрозоля. - Труды ГГИ, ISSI, еып.271, с.lia-122.

7. Modelling of aerosol layer formation in the stratosphere.-Paper presented at the US/USSfi nee ting of experts. Leningrad, July, 1985. - 20 p.

8. Модель формирования аэрозольного слоя в стратосфере. -Метеорология и гидрология, IS84, If 2, с.31-38.

9. Моделирование эволюции стратосферного аэрозольного слоя пссле вулканическсго нзверкения. - Метеорология и гидрология, IS84, Р 4, с.32-37.

10. Закономерности эволюции аэрозоля после крупных выбросов в стратосферу. - Метеорология и гидрология, 1934, Зр II, с.59-66.

11. К вопросу о моделировании стратосферного аэрозольного слоя. - Труды ГГИ, ISB5, вып.317, с.63-75.

12. Учет горизонтального переноса при моделировании эволшии стратосферного аэрозоля после вулканических извержений. -Метеорология и гидрология, ISB6, № I, с.40-47.

13..Моделирование стратосферного аэрозольного слоя. - В кн.: Вулканы, стратосферный аэрозоль и климат Земли. - Л.: Гид-рометеопэдат, 1936,-с.67-101.

14. Влияние вулканических ЕЫбросов на стратосферный аэрозольный слой. - Труды ГГИ, 1936, вып.320, с.38-50.

15. Влияние изменений радиационного ре гейма Земли на среднюю приземную температуру. - Метеорология и гидрология, 1967, П 5, с.19-26.

16. Учет вертикальной структуры выброса при моделировании эволюции стратосферного аэрозоля после вулканических извержений. - Труды ГГИ, 1968, вып.340, с.83-91.

17. Энергобалансовая модель сезонных изменений температуры воздуха у поверхности сути и океана. - Метеорология и гидрология, 1938, У? 2, с.5-14.

18. Влияние изменений радиационного режима на температуру воздуха у поверхности суш и океана. - Метеорология и гидрология, 1983, !? 3, с. 17-28.

19. Формирование стратосферного аэрозольного слоя и его вез-

■ действие на термический реяим Земли. - В кн.: Проблемы мониторинга и охраны окружающей среды. Труды I советско-канадского симпозиума. Тбилиси, 1988. - Л.: Гидрометеоиздат, 1989, с.214-223.

20. Воздействие изменений радиационного режима на климатическую систему. - Труда ГТк, 1990, вып.348, с.42-49.

21. Влияние изменений радиационного режима Земли на температуру воздуха у поверхности суш и океана. - В кн.: Физические аспекты теория климата. Труды Ш Всесоюзного симпозиума. Обнинск, 1987. - Л.: Гидрометеоиздат, 1990,с.93-99.

jifc**-^

Зак.23 .Тдр.120.1992 г.ФОЛ Щ> ГГИ