Исследователи из Швейцарской высшей технической школы Цюриха (ETH Zurich) впервые использовали моделирование на суперкомпьютере CSCS Piz Daint для изучения, как определённые механизмы старения частиц сажи в атмосфере влияют на формирование облаков. Результаты показывают, что влияние озона и серной кислоты на старение сажи изменяет образование облаков и, в конечном итоге, климат.

При сжигании древесины, нефтепродуктов или других органических материалов в атмосферу выделяются частицы сажи, состоящие в основном из углерода. Эта сажа считается вторым по значимости фактором антропогенного воздействия на климат после двуокиси углерода. В атмосфере или в виде отложений на поверхности снега и льда частицы сажи поглощают коротковолновое излучение Солнца и таким образом способствуют глобальному потеплению.

В атмосфере частицы сажи также косвенно влияют на климат, изменяя формирование, развитие и свойства облаков. Группа исследователей под руководством Ульрике Ломанн (Ulrike Lohmann), профессора Института атмосферы и климата ETH Zurich, впервые изучила, как два конкретных типа частиц сажи влияют на облака и, в свою очередь, на климат: с одной стороны, сажевые аэрозоли, старение которых обусловлено озоном, и, с другой, - серной кислотой.

Химический состав сажи меняет образование облаков

«До сих пор считалось, что эти два типа старения сажи мало влияют на образование облаков и климат», - говорит Дэвид Нойбауэр (David Neubauer), программист исследовательской группы Ломанн. Однако результаты моделирования, проведённого сейчас на суперкомпьютере CSCS Piz Daint, рисуют иную картину.

Когда частицы сажи соединяются с озоном или серной кислотой, их физические и химические свойства изменяются, пишут авторы в своём исследовании, недавно опубликованном в журнале Nature Geoscience. Частицы сажи, состаренные озоном, образуют ядра конденсации в нижних слоях атмосферы, помогающие формированию облаков. Однако в более высоких слоях атмосферы частицы сажи, состаренные серной кислотой, действуют как ядра льда и способствуют формированию перистых облаков.

Команда смоделировала, как по-разному стареющие частицы сажи влияют на формирование облаков и, следовательно, на климат с доиндустриальных времён до будущего. В этих расчётах развитие аэрозольных частиц интерактивно связано с физикой образования облаков. Это сложно и требует больше вычислительного времени, чем обычное моделирование климата.

Исследователи сделали чётко определённые допущения для своих расчётов, описав состояние старения частиц сажи в зависимости от температуры и концентрации озона. Оба фактора оказывают значительное влияние на старение: для быстрого старения сажи под действием озона его концентрация и температура должны быть высокими. Для способности сажи действовать как ледяные ядра при старении в серной кислоте решающую роль играет низкая температура.

Изменение образования облаков приводит к потеплению

Моделирование свойств сажи, подвергшейся озоновому старению, показывает, что когда содержание углекислого газа в атмосфере удваивается по сравнению с доиндустриальной эпохой, образуется меньше низких облаков. Изначально в результате озонового старения сажи образуется значительно больше облачных капель. Однако их высокая концентрация приводит к большему охлаждению верхней части облаков, вызывая подмешивание более сухого воздуха сверху. «Эти облака затем быстрее испаряются, особенно в более тёплом климате», - объясняет Ломанн. «В более тёплом климате смешанный воздух также имеет более низкую относительную влажность». Из-за более быстрого испарения остаётся меньше низколежащих облаков, а более коротковолновое излучение достигает Земли и согревает её.

С другой стороны, частицы сажи, состаренные серной кислотой, вызывают образование большего количества кристаллов льда и делают перистые облака оптически толще, то есть они менее проницаемы для излучения. Они простираются до тропопаузы, расположенной на высоте от 10 до 18 километров, а также дольше задерживаются в более высоких слоях атмосферы. В результате перистые облака поглощают больше длинноволнового теплового излучения, испускаемого Землёй, и позволяют меньшей его части уходить в космос. Эффект потепления перистых облаков усиливается и усугубляет глобальное потепление: когда содержание углекислого газа в атмосфере удваивается по сравнению с доиндустриальными временами, оба типа старения сажи совокупно приводят к увеличению глобального потепления на 0,4–0,5°C. В результате круговорот воды станет ещё больше интенсивным, а глобальное количество осадков ещё больше увеличится, пишут исследователи.

Будущие исследования, включающие учёт аэрозолей от лесных пожаров, авиационных или автомобильных двигателей и сочетающие полевые и лабораторные измерения с моделированием, могут дать ещё более чёткую картину эффекта сажевых аэрозолей. Они также могут помочь в разработке стратегий по сокращению выбросов. «Это принесет пользу не только климату и качеству воздуха, но и здоровью людей», - подчеркивает Нойбауэр.

Ссылка: https://phys.org/news/2020-10-soot-particles-global-previously-assumed.html