CC BY
26
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН _2018, том 61, №2_
ФИЗИКА
УДК 551.510.4, 551.511.331; 551.57; 551.593; 551.521.3; 53.01
В.А.Маслов, С.Ф.Абдуллаев, Б.И.Назаров
НАБЛЮДЕНИЕ БЫСТРОГО ОСАЖДЕНИЯ АЭРОЗОЛЯ ПО ДАННЫМ
AERONET
Физико-технический институт им. С.У.Умарова АН Республики Таджикистан,
(Представлено академиком АН Республики Таджикистан Х.Х.Муминовым 18.09.2017 г.)
Измерения дневного хода аэрозольной оптической толщи, влагосодержания и размеров частиц на станции AERONET в г.Душанбе при различной степени запыленности атмосферы показали, что в инверсно стратифицированном по температуре слое атмосферы происходит ускоренное осаждение пылевого аэрозоля. Анализ показал, что динамика осаждения аэрозоля в слое температурной инверсии определяется эффектом двойной диффузии, возникающем из-за различия коэффициентов диффузии компонентов. Узкие вертикальные конвективные ячейки, опускающиеся в более холодный слой, обеспечивают усиление конденсации водяного пара, увеличение скорости коагуляции частиц аэрозоля и быстрое осаждение пыли.
Ключевые слова: аэрозоль, аэрозольная оптическая толща, влагосодержание, параметр Ангстрема, двойная диффузия, приземная инверсия, быстрое осаждение.
При слабой запыленности атмосферы, в частности при фоновой пылевой дымке, в дневном ходе аэрозольной оптической толщи (АОТ), наблюдается пологий минимум в середине дня и максимум ночью. В работах [1-3] сделано предположение, что такой ход АОТ связан с подобным дневным ходом относительной влажности воздуха.
Во время пылевых эпизодов (ПЭ) в аридной зоне Центральней Азии (пылевая дымка, пылевая мгла, пылевая буря) при большом разнообразии аэрозольных параметров наблюдается гораздо более сложный ход изменения прозрачности атмосферы. Обилие ясных дней в этом регионе позволяет изучать осаждение пылевого аэрозоля по изменению параметров атмосферы. Более 20 лет назад при не-фелометрических измерениях в Душанбе обнаружено резкое увеличение коэффициента аэрозольного ослабления при пылевой дымке один-два раза в сутки, обусловленное резким повышением приземной концентрации аэрозоля [1, 3], являющееся следствием быстрого осаждения аэрозоля. Детальнее изучить этот эффект и его причины стало возможно после создания станции AERONET в Душанбе в 2010 году.
Наиболее плодотворным оказалось сопоставление хода АОТ, влагосодержания и параметра Ангстрема, характеризующего размер частиц. Дневной ход АОТ позволяет изучать динамику аэрозольных процессов путем сопоставления хода АОТ при различной запыленности воздуха. Суточный ход АОТ одинаков для всех длин волн AERONET, поэтому достаточно проанализировать данные для одной длины волны. На рис.1 и 2 приведен ход АОТ для шести дней с различной запыленностью воз-
Адрес для корреспонденции: Маслов Владимир Анатольевич. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул. Айни, 299/1, Физико-технический институт АНРТ. E-mail: [email protected].
духа на длине волны ^=500 нм. С повышением запыленности не только возрастает величина АОТ, но и изменяется дневной ход АОТ.
Для субмикронного аэрозоля (рис.1б, 2б) можно наблюдать двойной минимум утром и минимум вечером (рис.2а), то есть наиболее мелкие частицы, остающиеся в воздухе, например после дождя, утром быстро осаждаются только короткое время, причем с перерывом. Промежутки уменьшения АОТ из-за коагуляции частиц и конденсации водяного пара с соответствующим уменьшением аэрозольного ослабления света чередуются с промежутками возрастания АОТ при распаде агрегатов частиц аэрозоля и испарения конденсата. Падение АОТ к вечеру происходит, видимо, из-за осаждения частиц и испарения капель воды.
Для пылевой дымки характерен широкий минимум АОТ в середине дня (рис.1б, 2б), с повышением запыленности глубина минимума уменьшается. Поскольку частицы более крупные, и основной вклад в АОТ дает рассеяние, возрастания АОТ не происходит вплоть до начала действия более интенсивного испарения конденсата. Это приводит к появлению широкого минимума АОТ в середине дня (рис.1б, 2б).
При пылевых вторжениях (рис.1в, 2в) рост АОТ происходит путем адвективного переноса пыли. В течение светового дня наблюдается ряд минимумов АОТ, более глубоких, чем при пылевой дымке. Вечерний минимум АОТ (рис.2в) зафиксировать методом солнечной фотометрии не удается, если усиление осаждения частиц происходит после захода солнца.
о «
ПК II л
02*
иля «л
г
■ъ и
1 л
»»»
и-«
и м
M.CU
Г
V '
0|И«> «I ОГ ГО14<
l.f 111 " I f Н | it'! Ill " KIM 11 ft II " П 'rr fll rr >1 ГТГ"* n -г f. . la I — - —
- Я Ь « Г, J } § ? « *
— W, ^ € Л X » Ж tm г*
Off«, iti.t:.»iii.
tf цц j
M
I
м
о
IM „. « *
' б
1И
и
Mi-
»;,*». t, я f. fc у
AAA Л * * « *
« ^ « i й Ji J t, t, 3
ninuo.Vt.U' IVMt
8«it«t »:.oT:oiii
tit ч м» • i
!JI5
1«
e
U.tu
i
fm^
Л"
V
m
if
vj
4
U'
i»HIW>»»Wi»>l'»* ■ (I ••«
5 T Г; t ? ч i 5 : i
N
1,4 V
м
«¿5
м
II! •J •J
vj; ••I Otlf t
w
"X,
A
4
V J* \ <k
"HI......II Mill
tt(A)
4 V 4 M * « -
Вртма^! в'^Шс.
\
1*мч1» »-»«— i• • 1' -1 •*г»mт»г
-• — * — » * «КМ*» — '«
W
1и«« (СЭТЛ10
Cv" н,
u{ tl m]
kL
V4
V.
Л
SibMiSSiHiS'S
Рис. 1. Суточный ход счетной концентрации частиц в различные сезоны
9 10 И 12 13 14 15 9 10 11
Время, 23.08.2010
Рис.2. Суточный ход аэрозоля (а) и сажи (б) в безоблачной атмосфере в летний и зимний период в г. Томске [1].
Причиной скачкообразных изменений хода АОТ можно было бы назвать неоднородность пылевого облака, однако отмеченные выше закономерности дневного хода АОТ происходят и в стационарных условиях, без смены воздушных масс и могут быть связаны только с коагуляцией и быстрым
осаждением аэрозоля. При пылевых вторжениях, когда воздушные массы перемещаются, синхронное изменение влагосодержания и размеров частиц соответствует именно явлению быстрого осаждения частиц.
Скорость стоксова осаждения частиц мала, отклонение от закона Стокса происходит только при объемной концентрации свыше 2 процентов [4], что не достигается в запыленной атмосфере. Изменения хода параметров запыленного воздуха достаточно велики, но обычно сопоставления с конвективными процессами не проводится, хотя при описании хода АОТ и упоминают о «вертикальных движениях частиц» [3].
Анализ физических условий в атмосфере показал, что снижение АОТ утром и вечером (рис.1, 2), обусловленное коагуляцией частиц аэрозоля, совпадает по времени с образованием приземных температурных инверсий [5]. Распределение температуры и концентрации аэрозоля по высоте в запыленной атмосфере при этом соответствует условиям для двойной диффузии (дифференциальной диффузии). Эти конвективные явления процессы проявляются в стратифицированных системах при одновременном диффузионном переносе двух физических параметров, градиенты которых дают противоположные вклады в плотность системы [6, 7]. Стратификация системы по плотности при этом остается устойчивой. В физике атмосферы двойная диффузия использовалось для описания динамики облаков [8, 9]. Показано, в частности, что за счет разницы коэффициентов диффузии водяного пара и воды в насыщенном влажном воздухе могут образовываться «пальцы влажности», динамически аналогичные соленым пальцам в океане и являющиеся причиной некоторых особенностей перистых облаков [7].
Узкие и длинные конвективные бидиффузионные ячейки часто называют «соляными пальцами», поскольку легко наблюдается их образование в неоднородном растворе соли, нагреваемом и подсаливаемом сверху [9, 10]. Эффект «солевых пальцев» в аэродисперсной среде реализуется при устойчивой стратификации атмосферы по температуре, то есть в слое приземной инверсии, когда концентрация примеси также повышается снизу вверх. При этом происходит быстрое осаждение аэрозоля, с образованием узких длинных конвективных ячеек. Скорость роста конвективных ячеек намного превышает скорость диффузионных процессов.
Можно показать, что конвективная неустойчивость возникает в широком диапазоне параметров аэрозоля. Чем больше величина градиента концентрации частиц, тем больше поток конвекции, тем быстрее частицы осаждаются. Чем больше размер частиц, тем при больших значениях градиента температуры может происходить бидиффузионное осаждение. За счет более высокого коэффициента диффузии субмикронная фракция частиц также вовлекается в конвективное осаждение, вызванное более крупными частицами. Скорость течения запыленного воздуха в центре ячейки выше, чем на границе, и ононаправлено в сторону с меньшей вязкостью воздуха, то есть туда, где воздух холоднее [10]. Концентрация частиц там возрастает [4], приводя к усилению коагуляции аэрозоля в более плотном потоке вдоль центра ячеек. Этот эффект, видимо, дает вклад в уменьшение доли мелкой фракции частиц при мощных пылевых вторжениях, что проявляется в наблюдаемом уменьшении значения параметра Ангстрема.
Сопоставление рис.1а и 2а показывает, что при АОТ=0.1 эффект ускоренного осаждения сильнее выражен, чем при АОТ=0.05. Более высокое влагосодержание воздуха в первом случае ^=0.6-0.5 см) против ^=0.2-0.27) во втором, хорошо укладываются в модель ускоренного осаждения на основе явления двойной диффузии. Чем больше в воздухе аэрозоля, тем сильнее проявляются эффекты осаждения. Меньшее влагосодержание приводит к уменьшению эффектов испарения и конденсации водяного пара на частицах и к более гладким кривым влагосодержания и параметра Ангстрема во втором случае.
По мере развития пылевой мглы и роста АОТ (рис.1б, 2б) параметр Ангстрема уменьшается, то есть возрастает размер частиц аэрозоля. А в случае пылевой дымки параметр Ангстрема меняется почти синхронно с АОТ (рис.1в), то есть увеличение размеров частиц в первой половине дня происходит за счет коагуляции либо конденсации водяного пара. Во второй половине дня рост параметра Ангстрема и уменьшение размеров частиц происходит за счет испарения водяных капель.
Изменение размеров частиц может происходить и за счет эффекта переконденсации (процесс Бержерона-Финдайзена) [11]. Вследствие зависимости давления водяных паров от размеров частиц происходит рост конденсация водяного пара на частицах с размерами более критического. С понижением температуры воздуха этот эффект усиливается, поскольку понижается давление насыщенного водяного пара. Это основной механизм роста ледяных частиц и снежинок, однако эффект наблюдается и при более высоких температурах. Вследствие этого эффекта капли и льдинки в конвективных ячейках становятся крупнее и быстрее осаждаются.
Минимумы АОТ в чистой атмосфере образуются в приземной инверсии из-за уменьшения ослабления света при коагуляции частиц аэрозоля в бидиффузионных ячейках, поскольку ослабление света частицами в агрегатах меньше, чем вне них. Прекращение бидиффузионной конвекции приводит к распаду агрегатов из субмикронных аэрозольных частиц вдоль центров ячеек и к повышению АОТ. Более крупные частицы пылевой дымки вовлекаются в бидиффузионную конвекцию даже в нейтрально стратифицированной атмосфере, причем образующиеся агрегаты частиц из-за диффузионных ограничений быстро не распадаются, поэтому при пылевой дымке характерен пологий дневной минимум АОТ.
Самые мелкие частицы конвективно осаждаются только при зарождении инверсии и незадолго до её распада, чем объясняется появление двойного утреннего минимума АОТ на рис.2в. Крупные аэрозольные частицы осаждаются быстро при любом уровне приземной инверсии, для них минимум АОТ шире и сдвинут на более позднее время (рис.1б, 2б).
Когда воздух нагревается и сконденсированная на частицах вода испаряется, влагосодержа-ние воздуха возрастает. При пылевых вторжениях с юга Таджикистана резко повышается влагосо-держание воздуха (рис.1в, 2в). В насыщенном водяным паром воздухе, по мере роста бидиффузион-ных конвективных ячеек вниз, в более холодную область, могут возникнуть условия насыщенности водяного пара при охлаждении запыленного воздуха, поскольку влагосодержание запыленного воздуха значительно выше (см. рис.1, 2). Водяной пар конденсируется на частицах аэрозоля, и влагосо-держание уменьшается. Это можно видеть даже при очень малой концентрации и размерах аэрозольных частиц, и чем выше влагосодержание и влияние конденсации водяного пара, тем сильнее прояв-
ляются бидиффузионные эффекты (ср. рис.1а и 2а). При сильной пылевой мгле водяной пар конденсируется на частицах при конвективном осаждении аэрозоля, что наблюдается как скачки влагосо-держания и параметра Ангстрема (рис.1в, 2в). Когда более теплый и влажный запыленный воздух, подогреваемый солнечным излучением сверху, находится выше, чем холодный, приземный, то на некоторых высотах могут выполняться условия бидиффузионной конвекции. При высоком влагосо-держании процессы коагуляции частиц и конденсации водяного пара проявляются наиболее сильно.
В средних широтах это явление можно видеть наглядно во время ледяного дождя, когда над инверсионным слоем температура воздуха положительна, а у поверхности почвы - отрицательна [11, 12]. Ледяные частички дождя оказываются многослойными, то есть при движении капель через инверсионный слой процессы конденсации водяного пара начинаются и заканчиваются многократно.
Слипание частиц, покрытых оболочкой из сконденсировавшейся воды, происходит по более быстрому механизму коалесценции, характерному для капель воды и обеспечивающему рост капель дождя и тумана, за счет уменьшения поверхностного натяжения [11-13]. Подтверждением этому служит тот факт, что пылевые эпизоды часто завершаются коротким дождем, даже в самый сухой летний период.
Дневной ход влагосодержания (рис.1, 2) соответствует описываемой модели и меняется синхронно с ходом АОТ. Уменьшение влагосодержания в середине дня в условиях фоновой запыленности (пылевая дымка) [3,14,15], очевидно, связано с конденсацией водяного пара в остывающем воздухе в нисходящих конвективных ячейках (рис.1в). Капли воды и обводненные частицы, коагулируя, осаждаются, унося аэрозоль и водяной пар из атмосферы. Нарушение условий для двойной диффузии (исчезновение температурной или концентрационной инверсии) приводит к подавлению процессов двойной диффузии и распаду конвективных ячеек. Дневные минимумы АОТ и влагосодержания в этом случае не наблюдаются.
Анализ экспериментальных данных, приведенный в статье, позволяет заключить, что изменение АОТ и массовой концентрации аэрозоля в условиях приземной температурной инверсии следует интерпретировать как результат быстрого осаждения аэрозоля за счет явления двойной диффузии, путем образования конвективных ячеек типа «соляных пальцев».
Поступило 20.09.2017г
ЛИТЕРАТУРА
1. Абдуллаев С.Ф. Экспериментальное исследование оптических и микрофизических характеристик пылевого аэрозоля в условиях аридной зоны Таджикистана: Автореф. дисс... к.физ.-мат. н. - М., 1994, 23 с.
2. Маслов В.А., Назаров Б.И, Абдуллаев С.Ф. Влияние изменения концентрации аэрозоля на прозрачность атмосферы. - ДАН, 2007, т.50, №3, с. 241-247.
3. Абдуллаев С.Ф., Маслов В.А., Назаров Б.И. и др. Результаты исследований содержания водяного пара в атмосфере аридной зоны. - Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2014, 50, №2, с. 205-214.
4. Соу С. Гидродинамика многофазных систем. - М.: Мир, 1971, 536 с.
5. Бокова П.А., Махмадалиев Б.У. Краткий курс по общей и синоптической метеорологии (с учетом орографических особенностей Таджикистана). - Душанбе: Ирфон, 2009, 119 с.
6. Дж. Тэрнер Эффекты плавучести в жидкостях. - М.: Мир, 1977, 431 с.
7. Radko T. Double-diffusive convection, Cambridge University Press. - 2013, 368 p.
8. Schaefer J. T. Nonlinear biconstituent diffusion: a possible trigger of convection. - J. Atmos. Sci., 1975, v.32, рр.2278-2284.
Bois P.A. Kubicki A. A theoretical model for double diffusive phenomena in cloudy convection. -Annales Geophysicae, 2003, v.21, рр.2201-2218.
9. Джозеф Д. Устойчивость движений жидкости. - М.: Мир, 639 с.
10. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. - Л.: Гидрометеоиздат, 1969, 645 с.
11. Emanuel K.A. Atmospheric convection New York, Oxford: Oxford University Press. 1994, 592 p.
12. Ивлев Л.С., Довгалюк Ю.А. Физика атмосферных аэрозольных систем. - СПб.: НИИХ СПбГУ, 1999, 194 с.
Назаров Б.И., Абдуллаев С.Ф., Маслов В.А. Исследования температурных эффектов пылевых бурь. - Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2010, т. 46, № 4, с. 512-518.
13. Абдуллаев С.Ф, Назаров Б.И, Салихов Т.Х, Маслов В.А, и др. Корреляции температуры приземной атмосферы и оптической толщины аридного аэрозоля по данным AERONET. - Оптика атмосферы и океана, 2012, т. 25, №5, с. 428-433.
В.А.Маслов, С.Ф.Абдуллаев, Б.И.Назаров
НАЗОРАТИ БОРИШОТИ БОСУРЪАТИ АЭРОЗОЛ ТИБЦИ МАЪЛУМОТИ
АЭРОНЕТ
Институти физикаю-техницаи ба номи С.У.Умарови Академияи илм^ои Цумхурии Тоцикистон
Андозагирии раванди рузонаи гафсии оптикии аэрозол, буги об ва андозаи заррачахо дар бунгохи АЭРОНЕТ-ии ш.Душанбе дар дарачаи гуногуни бо хок олудагии атмосфера нишон дод, ки дар кабатбандии хароратии атмосфера тамоюли зудамалкунандаи тахшиншавии аэрозоли хоки ба амал меояд. Тахлил нишон дод, ки раванди тамоюли тахшиншавии аэрозол дар кабати инверсионии харорати аз сабаби таъсири густариши дучанда бармеоянд, ки он аз тафо-вут дар коэфисиенти густариш аз чузъхои муайян ба вучуд меояд. Ячейкахои амудии танг ба кабахои сардтар поён мешаванд, афзоиши консентрасияи буги об, афзоиши суръати коагуляси-яи заррахои аэрозол ва боришоти босурати хокро таъмин менамояд.
Калима^ои калиди: аэрозоли чанги, гафсии оптикии аэрозол, намнокй, параметри Ангстрем, густариши дучанда, инверсияи руизамини, боришоти босурат.
V.A.Maslov, S.F.Abdullaev, B.I.Nazarov OBSERVATIONS OF FAST AEROSOL SETTLING BY MEANS AERONET DATA
S.U.Umarov Physical-Technical Institute, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan
Measurements of the daytime course of the aerosol optical thickness, humidity, and particle size at the AERONET station in Dushanbe, with varying degrees of atmospheric dust, have shown that an accelerat-
ed deposition of a dust aerosol occurs in an inversely stratified temperature layer. The analysis showed that the dynamics of aerosol deposition in the temperature inversion layer is determined by the double diffusion effect, which arises from the difference in the diffusion coefficients of the components. Narrow vertical convection cells descending into the colder layer provide increased condensation of water vapor, an increase in the coagulation rate of aerosol particles, and fast settling of dust.
Key words: dust aerosol, aerosol optical density, humidity, Angstrom parameter, double diffusion, surface inversion, fast settling.
