научная статья по теме МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ПОЛЯРНЫХ СТРАТОСФЕРНЫХ ОБЛАКОВ С УЧЕТОМ КИНЕТИЧЕСКИХ И ГЕТЕРОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ Геофизика

Текст научной статьи на тему «МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ПОЛЯРНЫХ СТРАТОСФЕРНЫХ ОБЛАКОВ С УЧЕТОМ КИНЕТИЧЕСКИХ И ГЕТЕРОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ»

ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2015, том 51, № 3, с. 276-286

УДК 551.510.43;551.510.534.1

МОДЕЛИРОВАНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ ПОЛЯРНЫХ СТРАТОСФЕРНЫХ ОБЛАКОВ С УЧЕТОМ КИНЕТИЧЕСКИХ И ГЕТЕРОГЕННЫХ ПРОЦЕССОВ © 2015 г. А. Е. Алоян*, А. Н. Ермаков**, В. О. Арутюнян*

*Институт вычислительной математики РАН 119333 Москва, ул. Губкина, 8 E-mail: aloyan@inm.ras.ru **Институт энергетических проблем химической физики РАН

119334 Москва, Ленинский пр., 38, корп. 2 Поступила в редакцию 11.09.2014 г., после доработки 07.10.2014 г.

Построена новая математическая модель глобального переноса многокомпонентных газовых примесей и аэрозолей в атмосфере и формирования полярных стратосферных облаков (ПСО) в обоих полушариях. Рассматривается два типа ПСО: тип Ia — образование частиц тригидрата азотной кислоты (NAT), тип Ib — образование частиц переохлажденного трехкомпонентного раствора H2SO4/HNO3/H2O — частиц STS (supercooled ternary solutions). Для их моделирования предложены новые уравнения, описывающие изменчивость компонентов, находящихся в газовой и конденсированной фазах с учетом их термодинамических свойств. Формирование ПСО рассматривается совместно с формированием сульфатных аэрозолей в верхней тропосфере и нижней стратосфере с учетом химических и кинетических процессов трансформации (фотохимия, нуклеация, конденсация/испарение и коагуляция). С использованием разработанной модели проведены численные эксперименты для воспроизведения пространственно-временной изменчивости ПСО в зимний период времени в обоих полушариях. Численные эксперименты проводились в рамках единой модели, при этом сначала решалась задача формирования первичных сульфатных аэрозолей в атмосфере и далее с их учетом решалась задача формирования ПСО. Приводятся результаты анализа численных экспериментов.

Ключевые слова: моделирование, стратосферные облака, NAT, STS, сульфатный аэрозоль, фотохимия, нуклеация, конденсация/испарение, коагуляция, конденсированная фаза.

Б01: 10.7868/80002351515030025

ВВЕДЕНИЕ

Сульфатный аэрозольный слой в атмосфере представляет собой высокодисперсную систему, включающую мельчайшие капли водного раствора серной кислоты и располагающуюся обычно между высотами 15 и 30 км. Эти частицы поглощают и рассеивают коротковолновое солнечное излучение, что ведет к снижению потока падающего излучения. Наряду с сульфатными аэрозольными частицами важную роль в атмосфере играют частицы ПСО, так как на их поверхности, помимо ослабления потока УФ-радиации, протекают гетерогенные реакции, влияющие на газовый состав атмосферы, в частности на содержание хлорных и азотных соединений, участвующих в разрушении стратосферного озона.

Важнейшую роль в формировании полярных стратосферных облаков (ПСО) в атмосфере играют сульфатные аэрозоли, частицы которых служат предшественниками полярных облаков. Эти

частицы формируются при совместной конденсации паров воды и азотной кислоты на сульфатных частицах. Поэтому при разработке моделей ПСО важным представляется учет динамики формирования сульфатных аэрозолей в тропосфере и нижней стратосфере. Для того чтобы понять природу и кинетические закономерности поведения сульфатных частиц в атмосфере, следует принять во внимание по возможности все первичные источники эмиссии серосодержащих веществ, учесть процессы их переноса в атмосфере, диффузии и выведения из атмосферы аэрозольных частиц, а также изменения их микрофизических и химических свойств. Эти свойства аэрозольных частиц обусловлены процессами нуклеации, конденсации/испарения, коагуляции, а также фотохимической трансформацией эмитируемых в атмосферу серосодержащих веществ. Изменчивость динамики этих процессов приводит к изменению дисперсного состава аэрозолей в тропосфере и стратосфере. При этом, поскольку в дисперсной

системе равновесие устанавливается достаточно медленно по отношению к временному масштабу протекания других процессов, в расчетах динамики формирования сульфатного аэрозоля в атмосфере необходимо использовать неравновесную функцию распределения частиц по размерам. Одним из важных требований к численным моделям является соблюдение законов сохранения массы и/или количества частиц.

В настоящее время для моделирования формирования сульфатных аэрозолей в тропосфере и нижней стратосфере предложен ряд одномерных моделей с детальным учетом физических и химических гетерогенных процессов [1, 2]. Эти модели позволяют успешно воспроизвести многие свойства стратосферного аэрозоля и могут быть использованы для предсказания отдельных физических процессов. В дальнейшем эти модели были существенно усовершенствованы путем параметризации процесса нуклеации и учета в нем ионов [3—6]. Модели аэрозольной динамики, приведенные выше, были использованы для моделирования полярных стратосферных облаков [7—9]. Дальнейшее их развитие с учетом гетерогенных химических процессов проведено в работах [10, 11].

В настоящей работе описывается новая математическая модель глобального переноса многокомпонентных газовых примесей и аэрозолей в атмосфере и формирования ПСО в обоих полушариях. При решении задач, связанных с воспроизведением ПСО, практически во всех моделях задаются средние значения концентрации сульфатных частиц — предшественников конденсированной фазы. Такой подход приводит к заметным ошибкам, поскольку сульфатные частицы имеют значительную пространственно-временную изменчивость. Разработанная в данной работе модель свободна от этого недостатка, так как задачи формирования ПСО и сульфатных аэрозолей решаются совместно.

Рассматриваемая задача состоит из двух частей. В первой части строится численная модель формирования сульфатных аэрозолей — предшественников частиц ПСО в тропосфере и нижней стратосфере по заданным значениям газовых эмиссий антропогенного (SO2, NOX, CH4) и биогенного (H2S, CS2, COS, (CH3)2S, CH4) происхождения. Эмиссия диметилсульфида (CH3)2S задавались при этом отдельно для Тихого, Атлантического и Индийского океанов в зимнее и летнее время. Модель включает основные физические механизмы (фотохимическая трансформация, гомогенная/гетерогенная нуклеация, конденсация/испарение, коагуляция), ответственные за формирование сульфатных аэрозолей в атмосфере из газов-предшественников. В расчетах используется неравновесная функция распределения частиц по размерам. Модель фотохимической транс-

формации расширена за счет включения газовых компонентов биогенного происхождения и связанных с ними других химических веществ (см. выше). Основные блоки численной модели формирования сульфатных аэрозолей в атмосфере изложены в работах [12—17].

Во второй части приводится описание модели формирования полярных ПСО в обоих полушариях при совместной конденсации паров воды и азотной кислоты на сульфатных частицах. Предложены новые уравнения, описывающие изменчивость компонентов, находящихся в газовой и конденсированной фазах. Рассматривается два типа ПСО: тип Ia — образование тригидрата азотной кислоты (NAT), тип Ib — образование частиц переохлажденного трехкомпонентного раствора H2SOVHNO3/H2O (STS). Численные эксперименты проводились в рамках единой модели.

ЧИСЛЕННАЯ МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ СУЛЬФАТНЫХ АЭРОЗОЛЕЙ В ТРОПОСФЕРЕ И НИЖНЕЙ СТРАТОСФЕРЕ

Основные уравнения

Численная модель глобального переноса многокомпонентных малых газовых примесей и аэрозолей и образования сульфатных аэрозолей в атмосфере рассматривается применительно к сферической Земле в системе координат (к, у, z), где к — долгота, у — дополнение до широты, z — высота. Основные уравнения для скорости изменения концентраций газовых примесей и аэрозолей имеют следующий вид [12]:

+ -

3C: v dC: dCj --- + v—+ w—'--

dCj

dt a sin f a dy dz

= F — P — P + P I д vdC- +

* gas nucl cond 1 phot 1 ^ v ^ 1

dz dz

(1)

1

1

a sin удХ дХ a sin ydy

дфк

и_дук v дф

д . д — ц sin y—'-,

dy

дфк _

dt a sin у дХ a ду

+ + (w - w„—

dz

— f + P + P + P I d удфк + (2)

A aer ~ x con^ x coag ~ x nucl ~ „ v „ ~ X^-J

+

1

1

dz dz

д • дфк — ц sin у——

а1 удХ ЭХ а1 уду' ' ду Здесь С(- (/ = 1, ..., фк (к = 1, ..., N0) — концентрации газовых примесей и аэрозолей; N и N — число газовых компонент и аэрозольных фракций соответственно; (и, v, — компоненты вектора скорости ветра в направлениях X, у, г соответственно; wg — скорость гравитационного оседания; а — средний радиус Земли; ц и V — коэффициенты турбулентного обмена в горизонтальном и вертикальном направлениях соответственно; Fgas и ^аег —

источники газовых примесей и аэрозолей; Pn

пиоЪ

Роспа, Росав и РрЬс1 - операторы нуклеации, конденсации, коагуляции и фотохимической трансформации соответственно.

Уравнения (1)-(2) рассматриваются в области А = О х [0, Т], где О = Б х [0, Н], Б = {(к, у): 0 < к < < 2я, 0 < у < я}, Н — верхняя граница расчетной области. На боковых границах задаются условия периодичности всех функций по долготе, а на полюсах предполагается ограниченность функций по у.

Потоки газовых примесей и аэрозолей в атмосфере

Для задания краевого условия на первом расчетном уровне (на верхней границе приземного слоя атмосферы) г = Н, сопротивление вхождению примеси на поверхности земли представлено в виде суммы трех слагаемых: аэродинамического сопротивления та, квазиламинарного сопротивления приземного слоя ть, возникающего вследствие молекулярной диффузии вблизи Земли, и поверхностного сопротивления тс, обусловленного поверхностным осаждением. Потоки примесей в приземном слое атмосферы представим в виде:

5 С,!-'

dz

1

-(С - С surf) - для газа, (3)

_ Рк <Р к, ш- + Wg фк - для аэрозоля, (4) д z ra + rh + rr

2 (Sc где rh =—

KU \Pr

Модель конденсации и коагуляции

Для пространственно-однородного случая кинетическое уравнение коагуляции можно представить в следующем виде [13, 14]:

дС( a, a, t) _ 1

dt

_ 2 JJKg- s, a - в;s,e) x

0 0

x С(g- s,a - в)C(s, в)dsde -

(5)

g a

- С(£ а, 0 ^Щ, а; р)С)(р)dsdp,

0 0

где g — суммарная масса частицы, а — масса выделенной примеси, К — коэффициент коагуляции, С^, а, 0 — суммарная концентрация частиц.

Кинетические уравнения конденсации для функций распределения с, пс следующие

| + Jg (v gC)= J (g'08 [g - g (

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком