Изучены оптические свойства и микроструктура «белого» и «чёрного» смога

Исследователи Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН провели исследование, которое наглядно показало: зимний (нефотохимический) смог может работать и как идеальное зеркало, и как неожиданная тепловая ловушка. Результаты опубликованы в журнале Doklady Earth Sciences.

Сотрудники лаборатории оптики и микрофизики аэрозоля ИФА РАН проанализировали данные международной сети радиационного мониторинга AERONET и спутников MODIS за январь 2013 года, когда над Северо-Китайской равниной наблюдался крупномасштабный нефотохимический смог — период экстремального аэрозольного загрязнения.

Качественные прогнозы погоды и модели изменения климата зависят от одного глобального уравнения: сколько солнечного тепла приходит на Землю и сколько уходит обратно в космос. Главный возмутитель спокойствия здесь — аэрозоль, то есть микроскопические частицы пыли, сажи и капель в воздухе. Если точные оптические свойства этих частиц неизвестны, климатические модели начинают давать существенные погрешности. Работа сотрудников ИФА РАН раскрывает физические механизмы двух атмосферных аномалий: формирование высокоотражающей аэрозольной среды и аномальное поглощение.

«Белый смог» над Пекином — формирование высокоотражающей аэрозольной среды

Обычно зимний смог над мегаполисами образуется без участия солнечного света (в ходе нефотохимических процессов). Из-за каталитической реакции сернистого газа с кислородом в присутствии капель воды и микрочастиц железа и марганца происходит взрывной рост массы сульфатных частиц.

Исследователи обнаружили удивительный оптический эффект этого процесса. В воздухе начинает доминировать плотнейшая ультрадисперсная фракция частиц с радиусом всего 0,15–0,25 микрона. На станциях в Пекине и пригороде Синьхэ альбедо однократного рассеяния аэрозоля достигало 0,99. Это означает, что этот плотнейший смог практически не поглощал свет, а работал как гигантское белое зеркало, отражая 99 % солнечной радиации обратно в космос, сажи в нём почти не было. Там, где поглощение все же фиксировалось, доказано присутствие так называемого коричневого углерода — органики, которая избирательно «съедает» ультрафиолетовый и синий спектр излучения.

ИК-ловушка над озером Тайху (аномальное поглощение)

Совсем другую картину авторы зафиксировали на юге региона, в районе станции Тайху. Здесь плотность мглы была меньше, но её физика оказалась аномальной. Вместо того чтобы рассеивать свет, аэрозоль начал активно поглощать излучение в ближнем инфракрасном диапазоне (на длине волны 1020 нм мнимая часть показателя преломления резко возрастала, достигая величины 0,107). Такой аэрозоль работает как своеобразное одеяло: он пропускает видимый свет к Земле, но блокирует и поглощает инфракрасное тепловое излучение, сильно нагревая атмосферу. Такой избирательный «чёрный» аппетит к ИК-лучам характерен для продуктов горения специфической органики. Исследователи связали это с тем, что ветер принёс к озеру шлейфы дыма от массового сжигания сельскохозяйственных отходов на фермерских полях.

Исследование специалистов ИФА РАН доказывает: нельзя оценивать экологические и климатические последствия смога «на глаз». В зависимости от химического состава (сульфаты из труб заводов или органика от горящей соломы) смог одного и того же региона может либо охлаждать планету, работая белым зеркалом, либо локально подогревать её, превращаясь в невидимый тепловой радиатор.

Источник: ИФА РАН​.