Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Стратосферные аэрозоли серы являются серосодержащие -богатой частицы , которые существуют в стратосфере области в атмосфере Земли . Слой атмосферы, в которой они существуют, известен как слой Юнге или просто слой стратосферного аэрозоля. Эти частицы состоят из смеси серной кислоты и воды. Они создаются естественным путем, например, в результате фотохимического разложения серосодержащих газов, например, карбонилсульфида . Когда присутствует на высоких уровнях, например, после сильного извержения вулкана, такого как гора Пинатубо., они производят охлаждающий эффект, отражая солнечный свет и изменяя облака при их выпадении из стратосферы. [1] Это охлаждение может продолжаться несколько лет, прежде чем частицы выпадут.

Аэрозоль представляет собой суспензию мелких твердых частиц или жидких капель в газе . В сульфатные частицы или серной кислоты капель в атмосфере приблизительно от 0,1 до 1,0 мкм (миллионных долей метра) в диаметре.

Серные аэрозоли распространены в тропосфере в результате загрязнения с диоксидом серы при сжигании угля , а также из природных процессов. Вулканы являются основным источником частиц в стратосфере, поскольку сила извержения вулкана выталкивает серосодержащие газы в стратосферу. Относительное влияние вулканов на слой Юнге значительно варьируется в зависимости от количества и размера извержений в любой данный период времени, а также от количества выделяемых соединений серы. Только стратовулканы, содержащие в основном кислые магмы, несут ответственность за эти потоки, поскольку основная магма извергалась вщитовые вулканы не приводят к образованию шлейфов, достигающих стратосферы.

Преднамеренное создание стратосферных аэрозолей серы - это предлагаемый метод геоинженерии , который предлагает возможное решение некоторых проблем, вызванных глобальным потеплением . Однако это не обойдется без побочных эффектов [2], и было высказано предположение, что лекарство может быть хуже, чем болезнь. [3]

Облако извержения Пинатубо. Этот вулкан выпустил огромное количество стратосферных аэрозолей серы и внес большой вклад в понимание этого предмета.

Истоки [ править ]

Вулканическая «инъекция»

Природные аэрозоли серы образуются в огромных количествах от SO 2 , выбрасываемого вулканов , [4] , которые могут быть введены непосредственно в стратосферу в очень большом ( вулканическом индексе взрывоопасности , ВЙ, из 4 -й или более) извержений. Подробный анализ, касающийся в основном тропосферных соединений серы в атмосфере , предоставлен Bates et al. [5]

В AR4 IPCC говорится, что взрывные вулканические явления являются эпизодическими, но стратосферные аэрозоли, возникающие в результате них, вызывают существенные временные возмущения радиационного энергетического баланса планеты, причем как коротковолновые, так и длинноволновые эффекты чувствительны к микрофизическим характеристикам аэрозолей . [6]

В периоды отсутствия вулканической активности (и, следовательно, прямого нагнетания SO 2 в стратосферу) окисление COS ( карбонилсульфид ) доминирует в производстве стратосферных аэрозолей серы. [7]

Химия [ править ]

Основная статья: Серный цикл

Химический состав стратосферных аэрозолей серы существенно различается в зависимости от их источника. Вулканические выбросы значительно различаются по составу и имеют сложный химический состав из-за присутствия частиц пепла и большого количества других элементов в шлейфе. [8]

Химические реакции, влияющие как на образование, так и на удаление аэрозолей серы, до конца не изучены. Например, трудно точно оценить, насколько важно присутствие золы и водяного пара для образования аэрозолей из вулканических продуктов, и являются ли высокие или низкие концентрации химических веществ-прекурсоров (таких как SO 2 и H 2 S) в атмосфере оптимальными для образование аэрозоля. Эта неопределенность затрудняет определение жизнеспособного подхода к геоинженерному использованию образования аэрозолей серы.

Научное исследование [ править ]

Сульфаты стратосферы из вулканических выбросов вызывают кратковременное похолодание; фиолетовая линия, показывающая устойчивое охлаждение, связана с сульфатом тропосферы

Понимание этих аэрозолей приходит в значительной степени от изучения вулканических извержений , [9] особенно горы Пинатубо на Филиппинах , [10] , который разразился в 1991 году , когда научные методы были достаточно далеко продвинулись , чтобы тщательно изучить эффекты. [11]

Образование аэрозолей и их воздействие на атмосферу также можно изучить в лаборатории. Образцы реальных частиц могут быть извлечены из стратосферы с помощью воздушных шаров или самолетов. [12]

Компьютерные модели можно использовать для понимания поведения аэрозольных частиц, и они особенно полезны при моделировании их воздействия на глобальный климат. [13] Биологические эксперименты в лаборатории и полевые / океанские измерения могут установить механизмы образования летучих сернистых газов биологического происхождения. [5]

Эффекты [ править ]

Установлено, что выбросы газов-предшественников аэрозолей серы являются основным механизмом, с помощью которого вулканы вызывают эпизодическое глобальное похолодание . [14] Межправительственная группа экспертов по изменению климата ОД4 касается стратосферных аэрозолей сульфата , как имеющие низкий уровень научного понимания. В аэрозольные частицы образуют беловатый [3] дымка в небе. Это создает глобальный эффект затемнения , при котором меньшее количество солнечного излучения может достигать поверхности Земли. Это приводит к глобальному охлаждающему эффекту. По сути, они действуют как противоположность парниковому газу , который имеет тенденцию пропускать видимый свет от солнца, одновременно блокируяинфракрасный свет, излучаемый поверхностью Земли и ее атмосферой. Частицы также напрямую излучают инфракрасную энергию, поскольку теряют тепло в космос.

Снижение солнечной радиации из-за извержений вулканов

Все аэрозоли поглощают и рассеивают солнечную и земную радиацию . Это количественно выражается в альбедо однократного рассеяния (SSA), соотношении одного рассеяния к рассеянию плюс поглощение ( ослабление ) излучения частицей. SSA стремится к единице, если преобладает рассеяние с относительно небольшим поглощением, и уменьшается по мере увеличения поглощения, становясь равным нулю для бесконечного поглощения. Например, аэрозоль морской соли имеет SSA, равный 1, поскольку частица морской соли только рассеивает, тогда как сажа имеет SSA, равное 0,23, что свидетельствует о том, что он является основным поглотителем атмосферного аэрозоля.

Аэрозоли, естественные и антропогенные , могут влиять на климат, изменяя способ передачи радиации через атмосферу. Прямые наблюдения за воздействием аэрозолей весьма ограничены, поэтому любая попытка оценить их глобальное воздействие обязательно включает использование компьютерных моделей. Межправительственная группа экспертов по изменению климата , МГЭИК, говорит: В то время как радиационное воздействие из - за выбросов парниковых газов , которые могут быть определены с достаточно высокой степенью точности ... неопределенности , связанные с аэрозольными радиационными воздействиями остаются большими, и полагаются в значительной степени на оценки на основе исследований глобального моделирования, которые трудно проверить в настоящее время . [15] Однако в основном речь идет о тропосферном аэрозоле.

Аэрозоли играют роль в разрушении озона [4] из-за эффектов химии поверхности . [16] В результате разрушения озона в последние годы в озоновом слое образовались большие дыры , сначала над Антарктикой, а затем над Арктикой . Эти дыры в озоновом слое могут расшириться и охватить населенные и растительные регионы планеты, что приведет к катастрофическому ущербу для окружающей среды.

Разрушение озона происходит главным образом в полярных областях , [17] , но образование озона происходит главным образом в тропиках . [18] Озон распространяется по планете циркуляцией Брюера-Добсона . [19] Таким образом, источник и характер распространения аэрозолей имеют решающее значение для понимания их воздействия на озоновый слой.

Тернера вдохновили драматические закаты, вызванные вулканическими аэрозолями.

Аэрозоли рассеивают свет, что влияет на вид неба и закатов . Изменение концентрации аэрозолей в атмосфере может резко повлиять на внешний вид закатов . Изменение внешнего вида неба в течение 1816 года, «Год без лета» (приписываемое извержению горы Тамбора ), послужило источником вдохновения для картин Дж . М. У. Тернера . Дальнейшие извержения вулканов и геоинженерные проекты, связанные с аэрозолями серы, вероятно, значительно повлияют на вид закатов [20] и создадут дымку в небе.

В конечном итоге частицы аэрозоля выпадают из стратосферы на сушу и океан. В зависимости от объема падающих частиц воздействие может быть значительным для экосистем, а может и не быть. Моделирование количества аэрозолей, используемых в вероятных сценариях геоинженерии, предполагает, что воздействие на наземные экосистемы от осаждения вряд ли будет значительно вредным. [21]

Климатическая инженерия [ править ]

Основные статьи: Управление солнечной радиацией и стратосферные сульфатные аэрозоли (геоинженерия)

Способность стратосферных аэрозолей серы создавать этот глобальный эффект затемнения сделала их возможным кандидатом для использования в проектах климатической инженерии для ограничения воздействия и воздействия изменения климата из-за повышения уровня парниковых газов . [22] [23] Предлагалась доставка газов-прекурсоров, таких как H 2 S и SO 2 , артиллерией , самолетами и воздушными шарами . [23]

Понимание этого предложенного метода частично основано на том факте, что это адаптация существующего атмосферного процесса. [24] Таким образом, отрицательные и положительные аспекты метода потенциально лучше поняты, чем сопоставимые (но чисто умозрительные) предложения по климатической инженерии. Это также частично основано на скорости действия любого такого развернутого решения [25], в отличие от проектов по связыванию углерода, таких как улавливание углекислого газа в воздухе, выполнение которых потребует больше времени. [2] Однако существуют пробелы в понимании этих процессов, например, их влияния на стратосферный климат и характер выпадения осадков [1], и необходимы дальнейшие исследования. [26]

Однако, по крайней мере, два отрицательных эффекта хорошо известны из-за фундаментальной физики рассеяния света, того, как растут растения и как работают солнечные панели.

  • Отсутствие света в экосистеме : фотосинтез - основа жизни на Земле. За счет равномерного ослабления входящего коротковолнового излучения, необходимого для роста фитопланктона, деревьев и сельскохозяйственных культур, развертывание технологии обеспечивает снижение первичной продуктивности [27] на 2-5% с настоящего момента до конца века, пропорционально парниковому газу. уровни в то время и их общее радиационное воздействие. [28] Этот эффект пропорционально снизит способность человека выращивать пищу и способность экосистемы к регенерации.
  • Подавление технологий солнечной энергии : равномерно сниженное чистое коротковолновое излучение повредит солнечные фотоэлектрические системы на те же 2-5%, что и растениям. [29] увеличенное рассеяние коллимированного падающего солнечного света более резко снизит эффективность (на 11% для RCP8.5) концентрации солнечной тепловой энергии как для производства электроэнергии [30] [29], так и для химических реакций, таких как производство солнечного цемента. [31]

См. Также [ править ]

  • Вулканическая зима
  • Ядерная зима

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Bala, G .; Даффи, Б .; Тейлор, Э. (июнь 2008 г.). «Влияние схем геоинженерии на глобальный гидрологический цикл» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 105 (22): 7664–7669. Bibcode : 2008PNAS..105.7664B . DOI : 10.1073 / pnas.0711648105 . ISSN  0027-8424 . PMC  2409412 . PMID  18505844 .
  2. ^ а б Уигли TM (2006). «Комбинированный подход по смягчению последствий и геоинженерии к стабилизации климата» . Наука . 314 (5798): 452–4. Bibcode : 2006Sci ... 314..452W . DOI : 10.1126 / science.1131728 . PMID 16973840 . 
  3. ^ a b Робок, А. (2008). «20 причин, по которым геоинженерия может оказаться плохой идеей» (PDF) . Бюллетень ученых-атомщиков . 64 (2): 14–18. Bibcode : 2008BuAtS..64b..14R . DOI : 10.2968 / 064002006 .
  4. ^ a b «Аэрозоли вулканической серы влияют на климат и озоновый слой Земли» . Геологическая служба США . Проверено 17 февраля 2009 года .
  5. ^ a b Бейтс, Т.С., Б.К. Лэмб, А. Гюнтер, Дж. Диньон и Р. Э. Стойбер (1992). «Выбросы серы в атмосферу из природных источников» . Журнал химии атмосферы . 14 (1–4): 315–337. Bibcode : 1992JAtC ... 14..315B . DOI : 10.1007 / BF00115242 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  6. ^ Соломон, S .; и др., ред. (2007). «2.7.2.1 Радиационные эффекты вулканических аэрозолей». Вклад Рабочей группы I в Четвертый доклад об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата 2007 года . Кембридж, Соединенное Королевство и Нью-Йорк, Нью-Йорк, США: Издательство Кембриджского университета . Проверено 14 июня 2011 .
  7. ^ "Сульфатные аэрозоли" .
  8. ^ Mathera, Т. С. Оппенгеймер, А. Г. Аллен и AJS McGonigle (2004). «Аэрозольная химия выбросов трех контрастирующих вулканов Италии». Атмосферная среда . 38 (33): 5637–5649. Bibcode : 2004AtmEn..38.5637M . DOI : 10.1016 / j.atmosenv.2004.06.017 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  9. ^ Барони, М., MH Thiemens, RJ Дельмас, и J. Savarino (2007). "Не зависящие от массы изотопные составы серы в стратосферных вулканических извержениях" . Наука . 315 (5808): 84–87. Bibcode : 2007Sci ... 315 ... 84B . DOI : 10.1126 / science.1131754 . PMID 17204647 . CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  10. ^ Self, S., J.-X. Чжао, Р. Э. Холасек, Р. К. Торрес и А. Дж. Кинг (1997). «Атмосферное воздействие извержения вулкана Пинатубо в 1991 году» . Огонь и грязь: извержения и лахары горы Пинатубо, Филиппины . Вашингтонский университет Press. ISBN 978-0-295-97585-6.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  11. ↑ Джейсон Вулф (5 сентября 2000 г.). «Вулканы и изменение климата» . Обсерватория Земли . НАСА . Проверено 19 февраля 2009 года .
  12. ^ Паламбо, П. А. Rotundi, В. Делла Корте, А. Ciucci, Л. Colangeli, Ф. Эспозито, Е. Mazzotta Epifani, В. Меннелла, JR Brucato, FJM Rietmeijer, ГДж Флинн, Ж.-Б. Ренард, Дж. Р. Стивенс и Э. Зона. «Эксперимент DUSTER: сбор и анализ аэрозолей в высокой стратосфере» . Проверено 19 февраля 2009 года .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )[ постоянная мертвая ссылка ]
  13. ^ «Стратосферные инъекции могут помочь охладить Землю, показывает компьютерная модель» . ScienceDaily. 15 сентября 2006 . Проверено 19 февраля 2009 года .
  14. ^ Rampino MR, Self S (23 августа 1984). «Богатые серой извержения вулканов и стратосферные аэрозоли». Природа . 310 (5979): 677–9. Bibcode : 1984Natur.310..677R . DOI : 10.1038 / 310677a0 .
  15. ↑ О. Буше; и другие. (2001). «Глава 6 Радиационное воздействие изменения климата». В JT Houghton; и другие. (ред.). Изменение климата 2001: научная основа. Вклад Рабочей группы I в Третий доклад об оценке Межправительственной группы экспертов по изменению климата . Межправительственная комиссия по изменению климата. Архивировано из оригинала на 2016-09-05 . Проверено 14 июня 2011 .
  16. ^ Галстук, X .; и другие. (2003). «Влияние сульфатного аэрозоля на тропосферные NOx и запасы озона: моделирование и данные TOPSE» . J. Geophys. Res . 108 (D4): 8364. Bibcode : 2003JGRD..108.8364T . DOI : 10.1029 / 2001JD001508 .
  17. ^ Чарльз Уэлч. «Озоновая дыра - разрушение озона» . Theozonehole.com . Проверено 19 февраля 2009 года .
  18. ^ Чарльз Уэлч. «Озон» . Solcomhouse.com . Проверено 19 февраля 2009 года .
  19. ^ Дилан Джонс. "Циркуляция Брюера-Добсона" (PDF) . Летняя школа GCC .
  20. ^ Olson, DW, RL Doescher и MS Olson (февраль 2004). «Когда небо стало красным: история The Scream». 107 (2). Небо и телескоп. С. 29–35.CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  21. ^ Кравиц, Б. А. Robock, Л. Омане, и Г. Стенчиков (2008). Кислотное осаждение из стратосферной геоинженерии с помощью сульфатных аэрозолей . Американский геофизический союз, осеннее собрание. Bibcode : 2008AGUFM.U43A0041K .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  22. ^ Launder Б. & СГН Томпсон (1996). «Глобальная и арктическая климатическая инженерия: исследования численных моделей» . Фил. Пер. R. Soc. . 366 (1882): 4039–56. Bibcode : 2008RSPTA.366.4039C . DOI : 10,1098 / rsta.2008.0132 . PMID 18757275 . 
  23. ^ a b Crutzen, PJ (2006). "Повышение уровня альбедо за счет инъекций стратосферы серы: вклад в решение политической дилеммы?" . Изменение климата . 77 (3–4): 211–220. Bibcode : 2006ClCh ... 77..211C . DOI : 10.1007 / s10584-006-9101-у .
  24. ^ Чжао, J .; Турко, РП; Мультяшный, OB (1995). «Моделирование вулканических аэрозолей Пинатубо в стратосфере» . Журнал геофизических исследований . 100 (D4): 7315. Bibcode : 1995JGR ... 100.7315Z . DOI : 10.1029 / 94JD03325 . ЛВП : 2060/19980018652 .
  25. ^ Мэтьюз, HD; Кальдейра, К. (июнь 2007 г.). «Переходный климат – углеродное моделирование планетарной геоинженерии» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (24): 9949–9954. Bibcode : 2007PNAS..104.9949M . DOI : 10.1073 / pnas.0700419104 . ISSN 0027-8424 . PMC 1885819 . PMID 17548822 .   
  26. ^ Эндрю Чарльтон-Перес и Элеонора Хайвуд. «Затраты и преимущества геоинжиниринга в стратосфере» (PDF) . Проверено 17 февраля 2009 года .
  27. ^ Уокер, Дэвид Алан (1989). «Автоматизированное измерение фотосинтетического выделения O2 в листьях в зависимости от плотности потока фотонов» . Философские труды Королевского общества B . 323 (1216). DOI : 10.1098 / rstb.1989.0013 . Проверено 20 октября 2020 года .
  28. ^ IPCC, Центр распространения данных. «Репрезентативные пути концентрации (RCP)» . Межправительственная группа экспертов по изменению климата . Проверено 20 октября 2020 года .
  29. ^ a b Мерфи, Дэниел (2009). «Влияние стратосферных аэрозолей на прямой солнечный свет и последствия для концентрации солнечной энергии» . Environ. Sci. Technol . 43 (8): 2783–2786. DOI : 10.1021 / es802206b . Проверено 20 октября 2020 года .
  30. ^ Смит, Кристофер Дж; Crook, Julia A .; Крук, Рольф; Джексон, Лоуренс С .; Оспри, Скотт М .; Форстер, Пирс М. (2017). "Воздействие геоинженерии стратосферных сульфатов на глобальные солнечные фотоэлектрические и концентрированные ресурсы солнечной энергии" . Журнал прикладной метеорологии и климатологии . 56 (5): 1483–1497. DOI : 10,1175 / JAMC D-16-0298.1 .
  31. ^ HELIOSCSP. «Производство цемента с использованием концентрированной солнечной энергии» . helioscsp.com . Проверено 20 октября 2020 года .