Вертикальный перенос стратосферных аэрозолей в поле ветра

• Автор: Грязин, Виктор Иванович
• Шифр специальности: 01.04.14
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 105 с. : ил.

Оглавление
Введение

1. Процессы переноса аэрозолей в атмосфере

1.1. Динамика и циркуляция воздушных масс в средней атмосфере

1.2. Происхождение, состав и микрофизические свойства стратосферных и мезосферных

аэрозолей

1.3. Возможные подходы к моделированию процессов переноса аэрозолей в средней

атмосфере

1.4. Ассимиляционная модель ТЖМО и ее стратосферный блок

2. Моделирование вертикального переноса аэрозолей в средней атмосфере

2.1. Существующие методы описания динамики аэрозольных частиц

2.2. Формулировка задач вертикального переноса частиц на основе обобщенного
уравнения динамики аэрозолей
2.3. Силовые механизмы вертикального переноса аэрозолей
2.3.1. Движение компактных сферических частиц (гравитационная седиментация и сила сопротивления)
2.3.2. Движение фрактало-подобных частиц
2.3.3. Вертикальный стратосферный ветер
2.3.4. Форетические силы
2.4. Диффузионные механизмы вертикального переноса аэрозолей
2.5. Синоптический и глобальный масштабы описания вертикального переноса
аэрозолей
3. Климатологические характеристики вертикальной компоненты стратосферного ветра по данным модели ЇЖМО
3.1. Высотные профили вертикального ветра
3.2. Широтно-сезонные зависимости вертикального ветра
3.3. Аппроксимация поля вертикального ветра
3.4. Сопоставление результатов для скорости вертикального ветра с известными
модельными и наблюдательными данными
4. Характеристики вертикального переноса частиц в стратосфере
4.1. Гравитационное оседание сферических и фрактало-подобных частиц
4.2. Движение частиц в поле вертикального ветра
4.3. Модельные профили относительной концентрации частиц в классических задачах
вертикального переноса аэрозолей
4.4. Вертикальный ветер как возможная причина стратификации аэрозолей в средней
атмосфере
4.5. Сопоставление модельных расчетов с известными наблюдательными данными
Заключение
Список цитируемой литературы
Приложение
Приложение
Приложение
Приложение
Приложение
Приложение

Введение
К настоящему времени достоверно установлена ключевая роль атмосферного аэрозоля в климатообразующих процессах [1], которая проявляется не только эпизодически при крупных вулканических извержениях, но и в регулярно возрастающей антропогенной нагрузке за счет процессов горения органического топлива и биомассы. Установлено, что помимо рассеивающего излучение сульфатного аэрозоля важнейший вклад в радиационные процессы вносит поглощающий сажевый аэрозоль, причем контроль поступления частиц сажи в атмосферу, по-видимому, не менее необходим, чем контроль эмиссии известных парниковых газов [2]. Как пример, можно привести факты возрастающего загрязнения арктического региона антропогенным (в том числе — сажевым) аэрозолем при активном включении мсжширотного переноса в средней атмосфере [3].
Эффекты упорядоченного движения аэрозольных частиц наиболее отчетливо должны проявляться в стратосфере, где циркуляция воздушных масс существенно отличается от тропосферной [4], а возрастание температуры с высотой делает стратосферу термически и механически устойчивой. По-видимому, в таких условиях должны отчетливее проявляться индивидуальные транспортные свойства частиц, которые в тропосфере частично или полностью подавляются развитой конвекцией и турбулентным переносом.
Изучение транспортных характеристик стратосферного аэрозоля (сил, действующих на частицы, скоростей их движения, времен пребывания аэрозольных частиц в атмосфере) актуально по целому ряду причин: выяснение механизмов относительной устойчивости стратосферных аэрозольных образований различного происхождения, изучение динамики релаксационных поствулканических процессов, исследование роли аэрозоля в стратосферно-тропосферном обмене и формировании энергетического баланса планеты, для которого сейчас представляются значимыми и стратосферные процессы. Не менее актуально изучение быстропротекающего загрязнения стратосферы сажевым аэрозолем, проникающим из тропосферы (авиатранспорт) и с поверхности Земли (горение топлива и биомассы) на большие высоты и интенсивно поглощающим как коротковолновое, так и длинноволновое атмосферное излучение. В частности, получили подтверждение данные [5] о проникновении частиц сажи от авиатранспорта на высоты выше 20 км, причем массовая концентрация сажи оказалась значительно больше ранее измеренной [6]. Детали физических механизмов миграции частиц сажи значительно выше коридоров полетов авиатранспорта и природы их
накопления на высотах нижней и средней стратосферы остаются до конца не выясненными.
В последние годы большой интерес вызывают возможности геоинженерных методов стабилизации климата, предполагающих введение в стратосферу достаточного количества мелкодисперсных сульфатных аэрозолей для регулирования радиационного бюджета атмосферы [7]. Метод основан на способности таких частиц рассеивать и отражать приходящее солнечное излучение, практически не задерживая уходящую длинноволновую радиацию. Несомненно, что на характеристики устойчивости такого рода «аэрозольного щита» должны оказывать влияние высотные вариации поля стратосферного ветра (в особенности - его вертикальной составляющей), которые могут усиливать или ослаблять процессы оседания частиц.
Целью работы является выявление основных закономерностей и анализ характеристик вертикального переноса аэрозольных частиц в поле статистически усредненного ветра в средней атмосфере.
Основными задачами работы являются:
1. Разработка физико-математической модели вертикального переноса аэрозольных частиц в поле усредненного ветра в средней атмосфере.
2. Анализ климатологических (сезонно-широтных) зависимостей вертикальной компоненты стратосферного ветра по данным-модели общей циркуляции атмосферы иКМО на синоптическом и глобальном временных масштабах.
3. Решение задачи о вертикальном движении аэрозольных частиц в поле ветра (расчет и анализ скоростей-движения, времен оседания и подъема, изменения концентрации частиц на различных высотах в стратосфере).
4. Оценка эффективности вертикального ветрового переноса частиц в стратосфере, сопоставление с известными теоретическими и наблюдательными данными.
Содержание диссертационной работы:
Во введении- обсуждается актуальность темы, современное состояние вопроса, сформулированы, цель и задачи работы, представлено основное содержание диссертационной работы.
Первая глава посвящена методам описания процессов переноса атмосферного аэрозоля в средней атмосфере (стратосфере и мезосфере). Обсуждаются особенности тропосферной и стратосферной циркуляции воздушных масс. Кратко изложены основные особенности происхождения, состав и микрофизичсские свойства стратосферных и мезосферных аэрозолей. Рассматриваются возможные подходы к моделированию

Здесь V = + Уа, где У1: - геострофический ветер, который дует вдоль изобар со
скоростью прямо пропорциональной барическому градиенту, Va - агеострофический
Оценивая слагаемые в правой части (2.13) на синоптическом масштабе, можно отметить, что первые два слагаемых на порядки меньше третьего, то есть Уа Чр < др/д1 « рри. [74]. Таким образом, хорошей оценкой величины а является
Этот результат согласуется с известными результатами для вертикального ветра [76]. Тогда скорость вертикального ветра может быть получена из соотношения
Уникальную возможность количественной оценки скоростей вертикального ветра в стратосфере предоставляет база данных спутника UARS с привлечением модели ОЦА UKMO (ее составного блока Stratospheric Assimilated Data). Это позволяет детально проанализировать высотные профили ветра и их широтно-сезонные зависимости.
Другими постоянно действующими силами являются форетические силы. Этот силовой блок необходимо учитывать наравне с гравитационной седиментацией.
Одной из возможных причин движения частиц против силы тяжести могут являться так называемые «отрицательный» фотофорез в поле солнечного излучения и «положительный» фотофорез в уходящем с земной поверхности инфракрасном излучении. Этот силовой фактор до последнего времени фактически игнорировался в моделях вертикального переноса.
Частицы взвешенных в газе аэрозолей при их одностороннем освещении приходят в движение, которое в общем случае имеет сложный характер и зависит от интенсивности и длины волны падающего излучения, давления и рода газа, структуры и формы частиц, а так же от наличия внешних силовых полей. Это явление впервые было обнаружено Френелем в 1825 г., а в 1911 году Эренхафт назвал его фотофорезом. Положительным фотофорезом называется движение частиц по направлению светового пучка, а
ветер и ІК IcclFJ Таким образом Vg Ур = 0. Используя эти результаты и
гидростатическую аппроксимацию, (2.12) можно переписать как
(D = JL + Va-Vp-gpUw
(2.13)
w = -gpUw.
(2.14)
(2.15)
2.3.4. Форетические силы