Дым от многочисленных лесных пожаров, горящих на Западе, сделал качество воздуха опасным для миллионов людей в Соединенных Штатах. И именно мельчайшие частицы аэрозоля в воздухе делают его особенно вредным для здоровья человека. Но в течение десятилетий мы не знали, как долго эти частицы действительно остаются в воздухе.

Новое исследование учёных из Университета штата Колорадо даёт возможность гораздо улучшить понимание этого процесса, что может помочь не только в прогнозировании качества воздуха, но и в моделировании глобального климата.

Частицы аэрозоля, будь то дым от лесных пожаров или выхлопные газы автомобилей, играют большую роль в том, сколько тепла поглощается или отражается атмосферой. Однако мы не совсем точно понимаем, как быстро эти крошечные частицы удаляются из воздуха, особенно в отсутствие влаги. Это обстоятельство существенно добавляет неопределённости и без того сложным климатическим моделям.

Дельфина Фармер (Delphine Farmer), доцент кафедры химии Колледжа естественных наук Университета штата Колорадо, знала, что пора внести улучшения.
Фармер и её коллеги недавно объявили, что они смогли определить в реальных условиях - от лесов до лугов - скорость, с которой эти важные частицы покидают атмосферу. Их результаты впервые были опубликованы 5 октября в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.

«Эта работа действительно подчёркивает важность и эффективность полевых измерений», - сказала Фармер. «Мы можем напрямую использовать наблюдения из полевых исследований, чтобы уменьшить неопределённости в климатических моделях и улучшить наше понимание процессов, связанных с климатом».

Сосредоточение внимания на неопределённости

Частицы аэрозоля удаляются из воздуха двумя основными способами. Первое и наиболее распространенное явление - «влажное» осаждение, когда происходит их удаление влагой в результате образования облаков, снега или дождя. Учёные довольно хорошо изучили его и знают, что на него приходится около 80% аэрозольного эффекта в атмосфере.

Но другое явление, «сухое» осаждение, гораздо более загадочно, хотя играет немаловажную роль в глобальном масштабе. Аэрозоли настолько малы (измеряются в нанометрах и микронах), что не оседают под действием силы тяжести. Они могут долго плыть в потоках воздуха. Однако как долго, оставалось под вопросом.

«После того как частица попадает в атмосферу, срок, в течение которого она находится в воздухе, зависит от этих процессов удаления», - сказала Фармер. Это очень важно, объяснила она, потому что «чем дольше частица находится в атмосфере, тем больше у неё возможностей путешествовать дальше, образовывать облака или влиять на здоровье человека. Поэтому знание особенностей процедуры удаления очень важно для прогнозирования концентраций частиц и их эффектов ".
Первые результаты теоретических расчётов 1970-х и 80-х годов и более грубые измерения, выполненные на гладких поверхностях около 2000 года, десятилетиями использовались в климатических моделях.

Именно здесь Фармер, которая сделала карьеру исследователя, отслеживая химические процессы в атмосфере с помощью приборов высокого разрешения, увидела возможность для улучшения.

Улучшенные климатические модели и здоровье человека

Фармер и её коллеги знали, что поверхность Земли и даже океана не всегда гладкая. Поэтому они хотели увидеть, что на самом деле происходит с этими частицами в реальном мире.

В частности, они изучили силы помимо силы тяжести, управляющие движением этих аэрозолей. «Что касается мелких, важных для климата и здоровья частиц, турбулентность атмосферы переносит их к поверхности, где они и задерживаются», - сказала Фармер.
И из-за этого у этих мелких частиц нет прямого пути к поверхности, особенно в сложной поверхностной среде, такой как лес. Фармер объяснила это тем, что у каждой микроскопической частицы аэрозоля свой собственный путь, «вроде американского воина ниндзя, где частица должна избегать столкновения с различными препятствиями, чтобы оставаться в атмосфере. И каждый путь разнится для частиц разного размера».

Чтобы увидеть, как частицы разного размера преодолевают полосу препятствий, исследователи применили аэрозольный спектрометр сверхвысокой чувствительности, в котором для подсчёта частиц используется лазер. Они установили измерительные станции в сосновом лесу в экспериментальном лесу Маниту в Колорадо и на лугах на Южных Великих равнинах в Оклахоме, чтобы собирать реальные данные об этих частицах, когда они в конечном итоге достигли поверхности.

«Мы измерили, насколько быстро различные частицы проходят свой путь», - пояснила Фармер. «Затем мы использовали эти измерения, чтобы выяснить, какая часть пути замедляет различные частицы».

Они обнаружили гораздо более узкий диапазон времен жизни этих важных частиц, чем предполагалось при более раннем моделировании. Фактически, старые прогнозы строились в предположении более быстрого удаления очень мелких частиц (менее 100 микрон) и более медленного более крупных частиц (более 400 микрон).
«Это означает, что мы могли недооценивать косвенный эффект аэрозоля в моделях», - сказала Фармер. «Хорошая новость состоит в том, что мы переоценивали неопределённость - теперь мы лучше знаем скорость потери частиц».

Новые результаты могут быть применены ко всем видам неровных поверхностей, от лесов до лугов и сельскохозяйственных угодий, даже до неспокойных морей.

Больше аэрозольных эффектов над сушей

Привнеся свои оценки в модели воздействия аэрозолей в глобальном масштабе, Фармер и её соавторы предсказывают, что на определённых территориях суши, в том числе в некоторых частях Северной Америки, Европы, Азии, Южной Америки, Австралии и к югу от Сахары, будет больший эффект аэрозоля, чем предполагалось ранее, и что аэрозольный эффект уменьшится над океанами.

«Оказывается, путь оседания частиц на поверхность очень важен для предсказания радиационных эффектов» и для того, как может выглядеть будущий климат, - сказала Фармер.
Новые данные также свидетельствуют о том, что мы недооценили количество наиболее вредных для здоровья человека, размером менее 2,5 нанометров (также известных как PM2,5) аэрозолей в воздухе, которые, например, являются наиболее опасной частью дыма лесных пожаров.

«Наша переоценка увеличивает поверхностные концентрации PM2,5 на 11% во всём мире и на 6,5% над сушей», - написали Фармер и её сотрудники в своей новой статье. Это важно знать, потому что «воздействие PM2,5 связано с респираторными и сердечно-сосудистыми заболеваниями».

Эта работа также демонстрирует, насколько передовыми и эффективными становятся технологии полевых измерений.

«Для меня самым захватывающим аспектом этой работы является то, что мы можем проводить измерения в реальном мире над лесом и пастбищами и использовать их для непосредственного улучшения нашего понимания климатической системы», - сказала Фармер.

Ссылка: https://phys.org/news/2020-10-climate-aerosol-field.html