УДК 551.510.42+551.521.1+551.583
Натурные исследования геоинженерного метода сохранения современного климата с использованием аэрозольных частиц
Ю. А. Израэль*, В. М. Захаров*, Н. Н. Петров*, А. Г. Рябошапко*, В. Н. Иванов**, А. В. Савченко**, Ю. В. Андреев**, В. Г. Ераньков**, Ю. А. Пузов**, Б. Г. Данилян***, В. П. Куляпин*, В. А. Гулевский*
Описаны результаты натурного эксперимента по исследованию пропускания солнечного излучения в видимом диапазоне длин волн модельными аэрозольными средами, создаваемыми в нижней тропосфере с использованием генераторов, установленных на вертолете. Образующиеся аэрозольные частицы имеют показатель преломления и средний размер, близкие к характерным для природного стратосферного аэрозоля. Приведен состав использованного в экспериментах комплекса аппаратуры для контроля оптических и микрофизических параметров аэрозоля. Результаты измерений удовлетворительно согласуются с результатами теоретических и экспериментальных исследований в имитационных камерах.
1. Введение
В связи с приближением сроков окончания Киотского протокола (2012 г.) и разработкой нового соглашения, принятие которого намечается в декабре 2009 г. в Копенгагене, вопрос о подходах и обязательствах по новому соглашение становится все более острым. Возможно расширение методов и использование новых технологий для сохранения современного климата.
На заседании 08 в июле 2009 г. в Италии были приняты рекомендации о сокращении выбросов парниковых газов развитыми странами до 80% и более к 2050 г., а глобальных выбросов — до 50%. (С первой цифрой не согласились Канада, предложив 60—70%, и Россия, предложив 50%; с уменьшением глобальных выбросов на 50% не согласились развивающиеся страны.)
По данным МГЭИК [6], для стабилизации концентрации парниковых газов на уровне, обеспечивающем условный предел потепления 2°С по сравнению с доиндустриальной эпохой, недостаточно принятых рекомендаций. Для достижения истинных целей Киотского протокола потребуется снижение глобальных выбросов парниковых газов на 50—85%, больше
* Институт глобального климата и экологии Российской академии наук и Росгидромета; e-mail: Yu.Izrael@g23.relcom.ru.
**Научно-производственное объединение "Тайфун".
***Центральная аэрологическая обсерватория.
времени (несколько веков) и огромные средства (до 18 триллионов долларов за 100 лет [5]).
Следовательно, необходимо параллельное использование новых методов и технологий для сохранения современного климата.
Еще в марте 2008 г. 13 президентов крупных научных академий по инициативе российской стороны приняли решение о возможности использования новых методов и технологий (включая геоинженерные) для сохранения стабильного климата: "Существуют также благоприятные возможности способствовать исследованиям новых подходов, которые могут дать свой вклад в сохранение стабильного климата (включая так называемые технологии геоинженеринга и восстановление лесов), которые способствовали бы нашим стратегиям сокращения эмиссий парниковых газов. Академии 08+5 намереваются организовать конференцию для обсуждения таких технологий" [7].
Подготовка к такой конференции идет, и она будет означать новую веху в стабилизации современного климата. Что касается формулировки нового соглашения, то оно должно включать слова о необходимости использования "и новых методов для сохранения современного климата".
В Российской Федерации с 2005 г. выполнены теоретические исследования оптических характеристик аэрозольных слоев, эксперименты в специальных имитационных камерах с оптически активными аэрозолями, а также ограниченные натурные эксперименты в приземном слое атмосферы по измерению ослабления солнечной радиации искусственными аэрозольными слоями с известными оптическими и микрофизическими параметрами, близкими к стратосферному аэрозолю [2—4].
Настоящая статья посвящена разработке одного из новых методов, связанных с влиянием высокодисперсных аэрозольных частиц на температурный режим приземного слоя атмосферы. Целью натурного эксперимента являлась отработка методик измерения оптических и микрофизических параметров аэрозольных образований в средней тропосфере с использованием аппаратуры наземного и авиационного базирования (солнечных фотометров, пиранометров, аэрозольных счетчиков и лидаров).
Ниже описаны результаты второй фазы натурного эксперимента по исследованию пропускания солнечного излучения в видимом диапазоне длин волн модельными аэрозольными средами, создаваемыми в средней тропосфере высокопроизводительными стандартными аэрозольными генераторами, установленными на вертолете. Образующиеся аэрозольные частицы имеют показатель преломления и средний размер, близкие к природному стратосферному аэрозолю вулканического происхождения. Впервые получены данные об ослаблении солнечного излучения искусственными аэрозольными слоями в средней тропосфере, зарегистрированы значения ослабления солнечного излучения порядка 1%. Исследована эволюция искусственных аэрозольных слоев на линейных масштабах до 20 км. Показана принципиальная возможность регулирования пропускания солнечной радиации путем создания аэрозольных образований с различной оптической толщей в средней и верхней тропосфере.
2. Аппаратура и методики
Экспериментальные измерения оптических параметров аэрозольных образований в средней тропосфере проводили с использованием наземной и авиационной аппаратуры. В наземный комплекс входили 8 солнечных фотометров, 6 актинометрических измерительных модулей, лидар и фотоэлектрический счетчик аэрозольных частиц [4], в авиационный комплекс — установленные на вертолете лидар, фото- и видеорегистраторы.
Генераторы, установленные на вертолете, создавали протяженные аэрозольные образования (рис. 1а). Параметры авиационных генераторов аэрозоля следующие:
суммарная производительность аэрозоля — 0,13 кг/с; средний размер частиц по диаметру — 0,5 мкм; удельная плотность аэрозоля — 2,0 г/см3;
1--»
0 1-3 км 1 2 3 45 6 78
Рис. 1. Аэрозольное образование, создаваемое вертолетом, (а) и обобщенная схема экспериментов (б).
А — генератор аэрозольных слоев; Б — измеритель оптической толщи аэрозольного слоя. На рисунке б (и ниже на рис. 2): 0 — начало генерации аэрозоля, 1—8 — наземные измерительные пункты.
массовое сечение ослабления солнечного излучения генерируемыми аэрозольными частицами аа — 3,3 м2/г.
Схема экспериментов по измерению пропускания солнечного излучения аэрозольными образованиями представлена на рис. 16.
После получения данных о скорости и направлении ветра вертолет занимал позицию на высоте 2,5 км на расстоянии 1—3 км от первого измерительного пункта и совершал галсы во встречных направлениях, перпендикулярно направлению ветра. Аэрозоль распылялся в атмосфере в виде полос, следующих параллельно друг другу. Фотометры и пиранометры располагались с подветренной стороны в измерительных пунктах, вытянутых цепочкой на определяемых рельефом местности расстояниях между ними от 1 до 4 км.
Геометрия эксперимента выбиралась таким образом, чтобы аэрозольные полосы последовательно проходили через пункты измерения, а линия визирования солнца измерительными приборами проходила сквозь толщу аэрозольных образований.
3. Результаты натурного эксперимента
На рис. 2 приведена отдельная реализация измерений с помощью фотометра пропускания прямого солнечного излучения при последовательном прохождении аэрозольной струи от первого галса через измерительные пункты. Ослабление излучения в этих измерениях составляет от 62 до 1% по мере диффузионного размывания струи.
Длина слоя, создаваемого вертолетом, несущим аэрозольные генераторы, определялась длиной пути вертолета от разворота до разворота и составляла до 10 км в зависимости от метеорологических условий. Ширина слоя (по направлению ветра), соответствующая ослаблению прямого солнечного из-
Рис. 2. Ослабление прямого солнечного излучения при прохождении искусственного аэрозольного облака над измерительными пунктами 1—8 — (указаны стрелками). I и 10 — интенсивность падающего света при наличии и отсутствии аэрозольного слоя соответственно.
лучения около 1%, достигала значения ~ 1 км (см. рис. 2). Вертолет совершал не менее 15 галсов.
На рис. 3 приведены значения ослабления суммарной энергетической освещенности, полученные с помощью пиранометров М-80, расположенных в измерительных пунктах 2, 3, 5, 6. Эти данные коррелируют с данными солнечных фотометров.
Проведена оценка счетной концентрации частиц N в реальном аэрозольном образовании при ослаблении прямого солнечного излучения на 1% (пункт 8, рис. 2) с использованием уравнения для интенсивности света I, прошедшего через слой аэрозоля толщиной Ь:
Рис. 3. Ослабление суммарной энергетической освещенности 12 при прохождении аэрозольных слоев над измерительными пунктами 2, 3, 5, 6.
1е и 10 — интенсивность суммарной энергетической освещенности при наличии и отсутствии аэрозольного слоя соответственно.
I = 10ехр
1 3
--кВ 33 ^а аЬ 6
13
где 10 — интенсивность падающего света; - кВ3 ^ = М-
63
массовая концен-
трация аэрозоля; В3 — средний диаметр; р — плотность аэрозольных частиц; аа — массовое сечение ослабления (см. приведенные выше данные). Путь Ь солнечного излучения в аэрозольном слое определяется толщиной слоя Н около 250 м и углом места Солнца а: Ь = ЯМпа. Среднее значение а во время эксперимента составляло около 50°. С учетом этих значений получим N ~ 102 см 3. Заметим, что эта оценка хорошо согласуется с косвенными оценками по производительности и времени работы аэрозольных генераторов, а также с геометрическими размерами аэрозольного слоя.
4. Заключение
Впервые получены данные об ослаблении солнечного излучения искусственными аэрозольными слоями в средней тропосфере, зарегистрированы значения ослабления солнечного излучения порядка 1%, что соответствует концентрации стратосферного аэрозоля, достаточной для сохранения современного климата.
Предварительная обработка результатов по прохождению солнечного излучения через аэрозольный слой подтвердила ранее проведенные теоретические исследования и результаты моделирования в имитационных
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.