МИКРОФИЗИЧЕСКИЕ ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ФОТОФОРЕЗ АТМОСФЕРНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ
|
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования 2
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 13
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 25
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 26
Актуальность темы исследования 2
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 13
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 25
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 26
Актуальность темы. Процессы взаимодействия электромагнитного излучения с аэрозольными частицами и их многочисленные и разнообразные следствия являются предметом исследования оптики атмосферного аэрозоля, теплофизики аэродисперсных систем, метеорологии и климатологии. К настоящему времени установлена ключевая роль атмосферного аэрозоля в климатообразующих процессах (прямое и косвенное аэрозольное радиационное возмущающее воздействие [1-2]), которая проявляется не только эпизодически при крупных вулканических извержениях, но и в возрастающей антропогенной нагрузке за счет процессов горения органического топлива и биомассы. Было установлено, что помимо рассеивающего излучение сульфатного аэрозоля важнейший вклад в радиационные атмосферные процессы вносит сажевый аэрозоль («черный углерод»), обладающий выраженными поглощающими свойствами в широком диапазоне длин волн. Контроль за поступлением частиц сажи в атмосферу, по-видимому, не менее необходим, чем контроль за эмиссией известных парниковых газов [3].
Известно, что достаточно информативными характеристиками взаимодействия излучения с аэрозолем (как для индивидуальных частиц, так и для аэродисперсных систем в целом) являются характеристики светорассеяния. Принципиально важными, а в ряде случаев - определяющими, являются и микрофизические характеристики поглощенного излучения. Например, традиционными являются исследования оптических и тепловых полей внутри поглощающих частиц [4], результаты которых необходимы при изучении нагрева, испарения и разрушения как воднокапельного, так и твердого аэрозоля под воздействием интенсивного излучения. Неоднородное по объему поглощение излучения приводит к неоднородности температуры поверхности и, как следствие, к радиометрическому фотофорезу частиц [5], потенциальная значимость которого в вертикальном переносе стратосферных аэрозолей в поле излучения является предметом многолетних дискуссий. Новыми и неожиданными можно считать результаты [6], свидетельствующие о принципиальной роли фотофореза (наряду с силами светового давления) в формировании газо-пылевых протопланетных облаков около «молодых» звезд.
Эффекты упорядоченного движения частиц в поле излучения наиболее выражено должны проявляться в стратосфере, где циркуляция воздушных масс существенно отличается от тропосферной [7], а возрастание температуры с высотой делает ее термически и механически устойчивой. В таких условиях могут более отчетливо проявляться индивидуальные транспортные свойства частиц, которые в тропосфере частично или полностью подавляются развитой конвекцией и разномасштабным 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: это анализ механизмов относительной устойчивости стратосферных аэрозольных слоев и облаков различного происхождения; изучение динамики релаксационных поствулканических процессов; исследование роли аэрозоля в стратосфернотропосферном обмене. 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 солнечное излучение. В частности, получили подтверждение данные [8] о проникновении частиц сажи от авиатранспорта на высоты вплоть до 23 км, причем массовая концентрация сажи оказалась значительно больше ранее измеренной [9]. Природа физических механизмов миграции частиц сажи значительно выше коридоров полетов авиатранспорта и их накопления на высотах нижней и средней стратосферы остается до конца не выясненной.
Целями работы являются расчет и анализ микрофизических оптических характеристик, ответственных за поглощающие свойства и последующую динамику частиц атмосферного аэрозоля; расчет и анализ характеристик фотофоретического движения аэрозольных частиц в поле солнечного и теплового излучения в атмосфере Земли.
Основными задачами работы являются:
1. Анализ комплекса микрофизических оптических характеристик (МОХ) основных типов атмосферного аэрозоля и модельных (по комплексному показателю преломления) частиц в рамках теории Ми;
2. Постановка задач о фотофорезе атмосферных аэрозолей в поле коротковолнового солнечного и длинноволнового уходящего излучения Земли; расчет сил, скоростей и других характеристик фотофоретического движения частиц сажи;
3. Оценка характеристик оседания частиц с заданных высот и их подъема до определенных высот под действием фотофоретических сил;
4. Исследование эффективности действия сил радиометрического фотофореза в вертикальном переносе аэрозолей в земной стратосфере.
Методы исследования. Поставленные задачи носят комплексный, междисциплинарный характер и подразумевают электродинамический анализ процессов поглощения излучения в объеме частицы; газокинетический расчет сил и скоростей движения частиц; задание метеополей температуры, давления и интенсивностей излучения на различных высотах в атмосфере...
Известно, что достаточно информативными характеристиками взаимодействия излучения с аэрозолем (как для индивидуальных частиц, так и для аэродисперсных систем в целом) являются характеристики светорассеяния. Принципиально важными, а в ряде случаев - определяющими, являются и микрофизические характеристики поглощенного излучения. Например, традиционными являются исследования оптических и тепловых полей внутри поглощающих частиц [4], результаты которых необходимы при изучении нагрева, испарения и разрушения как воднокапельного, так и твердого аэрозоля под воздействием интенсивного излучения. Неоднородное по объему поглощение излучения приводит к неоднородности температуры поверхности и, как следствие, к радиометрическому фотофорезу частиц [5], потенциальная значимость которого в вертикальном переносе стратосферных аэрозолей в поле излучения является предметом многолетних дискуссий. Новыми и неожиданными можно считать результаты [6], свидетельствующие о принципиальной роли фотофореза (наряду с силами светового давления) в формировании газо-пылевых протопланетных облаков около «молодых» звезд.
Эффекты упорядоченного движения частиц в поле излучения наиболее выражено должны проявляться в стратосфере, где циркуляция воздушных масс существенно отличается от тропосферной [7], а возрастание температуры с высотой делает ее термически и механически устойчивой. В таких условиях могут более отчетливо проявляться индивидуальные транспортные свойства частиц, которые в тропосфере частично или полностью подавляются развитой конвекцией и разномасштабным 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: это анализ механизмов относительной устойчивости стратосферных аэрозольных слоев и облаков различного происхождения; изучение динамики релаксационных поствулканических процессов; исследование роли аэрозоля в стратосфернотропосферном обмене. 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 солнечное излучение. В частности, получили подтверждение данные [8] о проникновении частиц сажи от авиатранспорта на высоты вплоть до 23 км, причем массовая концентрация сажи оказалась значительно больше ранее измеренной [9]. Природа физических механизмов миграции частиц сажи значительно выше коридоров полетов авиатранспорта и их накопления на высотах нижней и средней стратосферы остается до конца не выясненной.
Целями работы являются расчет и анализ микрофизических оптических характеристик, ответственных за поглощающие свойства и последующую динамику частиц атмосферного аэрозоля; расчет и анализ характеристик фотофоретического движения аэрозольных частиц в поле солнечного и теплового излучения в атмосфере Земли.
Основными задачами работы являются:
1. Анализ комплекса микрофизических оптических характеристик (МОХ) основных типов атмосферного аэрозоля и модельных (по комплексному показателю преломления) частиц в рамках теории Ми;
2. Постановка задач о фотофорезе атмосферных аэрозолей в поле коротковолнового солнечного и длинноволнового уходящего излучения Земли; расчет сил, скоростей и других характеристик фотофоретического движения частиц сажи;
3. Оценка характеристик оседания частиц с заданных высот и их подъема до определенных высот под действием фотофоретических сил;
4. Исследование эффективности действия сил радиометрического фотофореза в вертикальном переносе аэрозолей в земной стратосфере.
Методы исследования. Поставленные задачи носят комплексный, междисциплинарный характер и подразумевают электродинамический анализ процессов поглощения излучения в объеме частицы; газокинетический расчет сил и скоростей движения частиц; задание метеополей температуры, давления и интенсивностей излучения на различных высотах в атмосфере...
1. Проанализированы закономерности в зависимостях от дифракционного параметра совокупности микрофизических оптических характеристик, ответственных за поглощение излучения и последующую динамику частиц. Показано, что для модели однородных сфер можно выделить три класса частиц: слабо-, умеренно- и сильнопоглощающие. Данный вывод справедлив как для частиц основных типов атмосферного аэрозоля, так и для модельных частиц с варьируемыми значениями комплексного показателя преломления.
2. Впервые проведены систематический расчет и анализ зависимостей фактора асимметрии поглощения излучения .11 от дифракционного параметра для основных типов атмосферного аэрозоля и модельных частиц. Выявлены закономерности изменения величины и знака фактора ^, определяющего направление фотофоретического движения частиц. Полученные результаты позволяют замкнуть комплексную задачу о фотофорезе и рассчитать абсолютные значения фотофоретической силы и скорости движения частиц.
3. Предложена обоснованная постановка задачи о фотофорезе аэрозолей в поле падающего коротковолнового солнечного излучения. Проведены расчеты для сил и скоростей движения частиц сажи на различных высотах в стратосфере. Показано, что в условиях стационарной атмосферы возможен подъем частиц размерами Кр = 0,08 ^ 0,7 мкм против силы тяжести и их левитация на высотах 12:32 км под действием сил отрицательного «солнечного» фотофореза. Таким образом, «солнечный» фотофорез может рассматриваться как эффективный механизм вертикального переноса поглощающих субмикронных частиц до высот средней стратосферы.
4. Впервые проведена модельная постановка задачи о фотофорезе аэрозолей в поле уходящего длинноволнового излучения Земли. Показано, что частицы сажи размерами Rp = 1,0 ^ 1,9 мкм могут испытывать вертикальный подъем против силы тяжести и левитировать на высотах 15:23 км под действием сил положительного «теплового» фотофореза.
5. В приближении квазистационарного движения выполнены оценки времен как подъема частиц сажи до высот левитации, так и их оседания с задаваемых высот под действием фотофоретических сил и силы тяжести. Характерные времена подъема частиц субмикронного размера под действием сил отрицательного «солнечного» фотофореза до высот левитации составляют 25:30 лет. В случае «теплового» фотофореза частицы размерами Rp = 1,3:1,8 мкм достигают соответствующих высот левитации за времена 20:25 лет.
6. Обосновывается, что радиометрический фотофорез (как «солнечный», так и «тепловой») можно рассматривать как достаточно эффективный механизм вертикального переноса хорошо поглощающих, легких и слаботеплопроводных частиц атмосферного аэрозоля в нижней и средней стратосфере на глобальном временном масштабе. Силы фотофореза могут конкурировать с силами тяжести до высот 30:35 км для частиц субмикронного и микронного размера. Показано, что в ряде случаев скорости фотофореза вполне сопоставимы со средними скоростями вертикального ветрового переноса частиц в стратосфере.
2. Впервые проведены систематический расчет и анализ зависимостей фактора асимметрии поглощения излучения .11 от дифракционного параметра для основных типов атмосферного аэрозоля и модельных частиц. Выявлены закономерности изменения величины и знака фактора ^, определяющего направление фотофоретического движения частиц. Полученные результаты позволяют замкнуть комплексную задачу о фотофорезе и рассчитать абсолютные значения фотофоретической силы и скорости движения частиц.
3. Предложена обоснованная постановка задачи о фотофорезе аэрозолей в поле падающего коротковолнового солнечного излучения. Проведены расчеты для сил и скоростей движения частиц сажи на различных высотах в стратосфере. Показано, что в условиях стационарной атмосферы возможен подъем частиц размерами Кр = 0,08 ^ 0,7 мкм против силы тяжести и их левитация на высотах 12:32 км под действием сил отрицательного «солнечного» фотофореза. Таким образом, «солнечный» фотофорез может рассматриваться как эффективный механизм вертикального переноса поглощающих субмикронных частиц до высот средней стратосферы.
4. Впервые проведена модельная постановка задачи о фотофорезе аэрозолей в поле уходящего длинноволнового излучения Земли. Показано, что частицы сажи размерами Rp = 1,0 ^ 1,9 мкм могут испытывать вертикальный подъем против силы тяжести и левитировать на высотах 15:23 км под действием сил положительного «теплового» фотофореза.
5. В приближении квазистационарного движения выполнены оценки времен как подъема частиц сажи до высот левитации, так и их оседания с задаваемых высот под действием фотофоретических сил и силы тяжести. Характерные времена подъема частиц субмикронного размера под действием сил отрицательного «солнечного» фотофореза до высот левитации составляют 25:30 лет. В случае «теплового» фотофореза частицы размерами Rp = 1,3:1,8 мкм достигают соответствующих высот левитации за времена 20:25 лет.
6. Обосновывается, что радиометрический фотофорез (как «солнечный», так и «тепловой») можно рассматривать как достаточно эффективный механизм вертикального переноса хорошо поглощающих, легких и слаботеплопроводных частиц атмосферного аэрозоля в нижней и средней стратосфере на глобальном временном масштабе. Силы фотофореза могут конкурировать с силами тяжести до высот 30:35 км для частиц субмикронного и микронного размера. Показано, что в ряде случаев скорости фотофореза вполне сопоставимы со средними скоростями вертикального ветрового переноса частиц в стратосфере.
