Инфракрасное излучение

 

Оптическая толщина экстинкции (и поглощения) (как указывалось ранее в разделе, посвященном обсуждению оптических свойств загрязнений) дымового и пылевого аэрозолей в видимой части спектра больше, чем в инфракрасной. Аэрозоль сильнее поглощает солнечное излучение, чем тепловое излучение поверхности Земли и атмосферы; это непосредственно приводит к двум следствиям. Во-первых, влияние поглощающих аэрозолей на климат качественно отличается от парникового эффекта газовых примесей, таких как С02. Газы преимущественно поглощают инфракрасное излучение. Увеличение их концентрации приводит к увеличению поглощения длинноволнового излучения в атмосфере, что в свою очередь вызывает нагрев земной поверхности, так как затрудняет утечку тепла через атмосферу. Наоборот, наличие аэрозоля препятствует проникновению солнечного излучения к земной поверхности. Если аэрозоли непо-глощающие, то поверхность должна охлаждаться вне зависимости от оптической толщины аэрозоля, так как в этом случае аэрозольное загрязнение способствует увеличению планетарного альбедо. Если аэрозоль поглощает солнечное излучение, то поверхность будет нагреваться, когда аэрозольный слой оптически тонок и расположен у поверхности Земли. Если же аэрозольный слой расположен достаточно высоко или имеет большую оптическую толщину, поверхность будет охлаждаться. В работах Акермена и др. (Ackerman et al., 1985а) и Рамасвами и Киля (Ramaswamy, Kiehl, 1985) подробно обсуждаются различные возможности. Даже если аэрозольный слой становится оптически толстым в инфракрасном диапазоне длин волн, поглощение видимого света превалирует над поглощением теплового излучения. Важная роль, которую играет эта особенность зависимости коэффициента поглощения аэрозоля от длины волны, обсуждается в следующем разделе.
Во-вторых, из-за более слабого поглощения теплового излучения по сравнению с солнечным светом происходит формирование температурных градиентов в оптически толстом аэрозольном слое. Солнечный нагрев существен в верхней части слоя от верхней границы до уровня, соответствующего оптической толщине в видимом диапазоне, достигающей величины 1—2. Способность слоя охлаждаться за счет высвечивания в инфракрасном диапазоне прямо пропорциональна его способности поглощать тепловое излучение, определяющейся оптической толщиной слоя в длинноволновой части спектра. Поэтому охлаждение атмосферы за счет высвечивания теплового излучения через верхнюю границу слоя также преимущественно имеет место в области между вершиной аэрозольного облака и уровнем, где оптическая толщина для длинноволнового излучения достигает значения 1—2. Однако толщина слоя, в котором существенно инфракрасное охлаждение, больше, чем толщина слоя, где происходит солнечный нагрев, так как коэффициент экстинкции на единицу массы для длинных волн меньше, чем для видимого света. Поэтому, чтобы оптическая толщина для инфракрасного излучения была такой же, как и для видимого света, выделенный столб атмосферы должен содержать большую массу аэрозоля. Следовательно, тепловое излучение будет высвечиваться слоями атмосферы, расположенными существенно ниже областей солнечного нагрева. Различие толщин слоев инфракрасного высвечивания и поглощения солнечного излучения может уменьшиться при наличии в атмосфере примесей, таких как пары воды или СОг, активно излучающих в тепловом диапазоне. Однако спектральные характеристики оптически активных газовых примесей, поглощение которых характеризуется наличием инфракрасных окон, таковы, что они не способны полностью компенсировать различие оптических толщин аэрозоля в инфракрасном и видимом диапазоне длин волн.
В результате такого вертикального распределения радиационных нагрева и охлаждения в дымовом слое устанавливается профиль температуры с максимумом на вершине слоя или около нее. Это в свою очередь приводит к устойчивой стратификации аэрозольного слоя и препятствует вертикальному перемешиванию. Такой дифференциальный нагрев прекратится, когда температура слоя станет достаточно высокой и тепловое излучение с верхней границы слоя точно уравновесит поглощенную солнечную энергию. Однако, до того как это произойдет, нагретый воздух будет подниматься вверх и перемешиваться с окружающим воздухом над слоем, вынося аэрозоль вверх. Очевидно, что суточные вариации солнечного нагрева при относительно постоянном инфракрасном охлаждении вызовут суточные изменения температуры на вершине аэрозольного облака. Однако осредненное по суточному циклу поглощение солнечной энергии будет превалировать над испусканием тепловой энергии.
В предыдущем обсуждении оптические свойства аэрозоля оценивались с помощью оптической толщины экстинкции. В реальных расчетах более удобной величиной является оптическая толщина поглощения, которая определяет долю поглощенного слоем падающего излучения, как солнечного, так и теплового. Аморфный углерод является сильно поглощающим веществом, поэтому для дыма сравнение оптических толщин экстинкции в разных диапазонах длин волн дает качественно правильную оценку оптических свойств дыма. Однако для других веществ, например воды, которая прозрачна в видимом диапазоне длин волн и сильно поглощает в инфракрасном, сравнения должны быть выполнены на основе данных о поглощении.
Для частиц, размеры которых малы по сравнению с длиной волны излучения, поглощение имеет тенденцию доминировать над рассеянием в рассматриваемой части спектра. Этот факт можно положить в основу приближенного метода учета влияния аэрозолей на перенос инфракрасного излучения. Предполагают, что аэрозоли являются чисто поглощающими, и рассеянием пренебрегают. В этом случае аэрозоли по существу рассматриваются как газ с эквивалентной оптической толщиной, равной оптической толщине поглощения аэрозоля для рассматриваемого интервала длин волн. Такой подход, который существенно упрощает радиационные расчеты, был использован без заметной потери точности в ряде исследований (Turco et al:, 1983 a; Crut-zen et al, 1984; Haberle et al., 1985).
Вполне вероятно, что в ряде случаев существенным может оказаться процесс конденсации влаги на частицах. В этой ситуации пренебрежение рассеянием и учет поглощения только в видимой части спектра могут оказаться недостаточными. Как обсуждалось в разделе, посвященном мезомасштабным эффектам, вслед за инжекцией аэрозоля и сопутствующим выпадением осадков некоторые атмосферные слои могут быть насыщены влагой, которая будет конденсироваться или намерзать на частицы. Дым может выводиться из атмосферы с каплями воды или ледяными кристаллами, образующимися в загрязненном облаке или тумане. Из-за высокой концентрации частиц капли могут расти лишь до размеров порядка нескольких микрометров. Такой рост тем не менее оказывает ощутимое влияние на радиационные свойства аэрозоля, особенно в инфракрасной области. Из-за увеличения размера частиц в результате конденсации влаги сечение экстинкции и оптическая толщина в инфракрасной области существенно увеличатся. В то же время оптическая толщина экстинкции в видимом диапазоне длин волн увеличится из-за увеличения суммарной массы аэрозоля, хотя и меньше, чем в инфракрасном диапазоне. Короче говоря, если в атмосфере будет содержаться достаточное количество способной конденсироваться влаги, то благодаря увеличению размеров частиц оптическая толщина в видимом и инфракрасном диапазонах может стать примерно одинаковой. Вероятно, влаги будет недостаточно для образования дождевых капель, поэтому аэрозольный слой скорее будет походить на слой тумана, чем на обычное слоистое облако.
Следует четко представлять, что эти частицы будут существенно отличаться от капелек в обычном тумане или облаке Из-за наличия абсорбирующего ядра капельки будут иметь
большое сечение поглощения даже в видимом диапазоне длин волн. Фактически вода может увеличить способность элементарного углерода к поглощению солнечной радиации, как это было показано теоретически в ряде работ (Ackerman, Toon, 1981; Chylek et al., 1984). (Подробное обсуждение этой проблемы см. в разд. 3.6, посвященном оптическим характеристикам аэрозолей.) Поэтому нельзя сделать вывод, что увеличение содержания воды будет способствовать проникновению солнечного излучения сквозь аэрозольный слой; напротив, коэффициенты экстинкции и поглощения, по-видимому, возрастут.
Выполненные в настоящее время исследования с помощью моделей общей циркуляции атмосферы не учитывали влияния аэрозоля на перенос длинноволнового излучения, хотя этот эффект учитывался в ряде одно - и двумерных расчетов. Пренебрежение изменением режима переноса теплового излучения приведет, вероятно, к тому, что рассчитанное с помощью такой модели падение температуры поверхности на ранней стадии процесса, когда оптические толщины аэрозоля в видимом и инфракрасном диапазонах велики, будет слишком быстрым и слишком глубоким. Хотя в любом случае ожидается быстрое охлаждение поверхности из-за экранировки солнечного излучения, увеличение потока теплового излучения из аэрозольного слоя может уменьшить скорость охлаждения, причем величина этого уменьшения зависит от локализации слоя и начального температурного профиля. Увеличение высвечивания теплового излучения из слоя может также вызвать ускорение охлаждения его нижней части, что в свою очередь будет компенсировать смягчающее влияние увеличения нисходящего потока теплового излучения у поверхности. Учет влияния загрязнения воздуха на перенос инфракрасного излучения может также уменьшить похолодание, если значительная часть инжектированного аэрозоля быстро выводится из атмосферы. Рассмотренные эффекты лишь незначительно влияют на продолжительность температурного возмущения (в предположении, что дым сохраняется в атмосфере в течение недель или более), так как восстановление нормальных температур будет главным образом определяться возвратом к нормальному уровню инсоляции, т. е. скоростью вывода дымового аэрозоля из атмосферы. Кроме того, возможно, что изменение переноса инфракрасного излучения скажется в полярных регионах, где Земля получает минимальное количество солнечного излучения. Инфракрасное выхолаживание может быть особенно важно полярной ночью в стратосфере, где охлаждение может усилить нисходящее движение, тем самым способствуя окончательному удалению дыма.