Вымывание аэрозоля осадками

 

Основным процессом, отвечающим за удаление субмикронных аэрозолей из атмосферы, как в нормальных условиях, так и после ядерной войны, является вымывание. Частицы аэрозоля служат ядрами конденсации или захватываются каплями воды в ходе форических процессов. Следует различать, однако, вынужденное вымывание, происходящее в конвективных колонках больших пожаров, и процессы синоптического масштаба, происходящие после того, как дым распространится в атмосфере. Одной из наиболее важных проблем, связанных с исследованием долговременных климатических последствий ядерной войны, является оценка эффективности вымывания дыма в конвективных колонках больших пожаров. Феномен «черного дождя» после атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки показал, что такие процессы осуществимы. Так, в мемориале в Хиросиме можно видеть часть белой стены, покрытой черными подтеками (Ishikawa, Swain, 1981).
Тем не менее количественной информации о таких процессах недостаточно. Маловероятно, что с дождем будет удален весь дым. В большинстве конвективных штормовых облачных систем эффективность образования осадков (грубо говоря, количество воды, выпадающей на поверхность за единицу времени, отнесенное к количеству воды, конденсирующейся в облаке за то же время) лежит, как правило, между 15 и 65% (Foote, Fankhauser, 1973; Marwitz, 1974; Hobbs, Matejka, 1980). Сконденсировавшаяся вода выносится из облака сильными восходящими потоками воздуха и снова испаряется. Известно также, что значительная часть осадков ниже основания облака испаряется (до 40% водяного пара, попадающего в основание). Однако из-за того, что лишь немногие капли испаряются полностью, в ходе этого процесса высвобождается лишь небольшая часть аэрозоля. В континентальном климате эффективность образования осадков в кучево-дождевых облаках, как правило, менее 50%, а в случае очень мощной конвекции при большой сдвиговой неустойчивости может быть меньше 15% (Fritsch, Chappell, 1980). Рост кристаллов льда в сильных восходящих потоках воздуха замедляется. В этом случае из-за меньшей эффективности осадкообразования в наковальню облака попадает большое количество льда.
Во влажном климате масса воды, содержащейся в конвективной колонке пожара, может превышать массу дыма в 1000 раз (NRC, 1985). Эта вода может сконденсироваться. Следовательно, количество воды в облаке достаточно для того, чтобы с осадками была удалена большая часть дыма, если пойдет дождь и если этот дождь будет эффективно вымывать дым. Как отмечалось выше, в мощных кучево-дождевых системах образование осадков идет неэффективно. Все же во влажном климате может образоваться достаточно большое количество осадков (дождя или града), так что из атмосферы будет удалена значительная часть дыма.
Сильная конвекция, дожди и вымывание аэрозоля имеют место не при всех пожарах. Наблюдения больших лесных пожаров ясно это показывают. В сентябре 1950 г. над Северной Америкой образовалось облако дыма от пожаров в канадской провинции Альберта. Прозрачность атмосферы уменьшилась почти над всей территорией Канады и над восточной третью территории США (Wexler, 1950). Как сообщалось, высота подъема дыма составляла от 2,5 до 4,5 км. Через неделю облака дыма были замечены над Западной Европой. По данным наблюдений они находились на высоте тропопаузы (Smith, 1950; Wex-ler, 1950). Спутниковые наблюдения показали, что во время пожаров в европейской части СССР в 1972 г. дым в средней тропосфере распространился к востоку (до Урала) на расстояние около 5600 км (Григорьев, Липатов, 1978). Над Новой Зеландией часто наблюдаются дымовые облака от пожаров в Австралии (Lowe, частное сообщение). Эти данные показывают, что образующийся в лесных пожарах дым, как правило, не вымывается осадками и распространяется в атмосфере.
В сажевых облаках, образующихся при сгорании нефти, конденсация и осадки, как правило, малы (Davies, 1959). Такие облака обычно поднимаются до высоты в несколько километров. Радке и др. (Radke et al, 1980а) сообщили, что во Франции в экспериментах с метеотроном (искусственный источник тепла мощностью 1000 МВт, работающий на нефтяном топливе и используемый, в частности, при исследовании сажевых аэрозолей) наблюдалась коагуляция сажевых частиц. Авторы отмечают также, что дым рассеивал облака над метеотроном. Из десятков проведенных экспериментов только один раз (в неустойчивой массе воздуха) наблюдались вызванные работой метеотрона осадки.
В 1978 г. Радке и др. (Radke et al, частное сообщение) наблюдали взаимодействие - дыма с облаками, сконденсировавшимися над территорией, на которой проводился контролируемый лесной пожар. В ходе этого взаимодействия частицы дыма захватывались каплями воды, а затем при испарении капель высвобождались. Были проведены измерения коэффициента рассеяния назад в видимом диапазоне и распределения частиц дыма по размерам в двух объемах воздуха, один из которых проходил сквозь сконденсировавшееся облако, а другой Под ним (не задевая облака). В том объеме воздуха, который проходил сквозь облако, значительно уменьшилось количество мелких частиц (примерно в 10 раз для частиц размером менее 0,05 мкм), количество частиц среднего размера (от 0,1 до 1 мкм) несколько возросло, а число крупных (размером более 1 мкм) частиц тоже стало меньше. Коэффициенты рассеяния, измеренные для каждого из объемов, были практически одинаковы (поглощение не измерялось). Предположительно, это свидетельствует о том, что оптические свойства дыма слабо меняются при его взаимодействии с облаками. В этом эксперименте, однако, облачная система была сравнительно невелика. Кроме того, процесс отбора образцов дыма из одного и того же объема воздуха до и после его взаимодействия с облаком контролировался недостаточно полно. Полученные результаты, таким образом, лишь указывают на то, какие явления могут происходить при взаимодействии дыма с облаками.