Команда ученых из ETH Zurich впервые использовала моделирование на суперкомпьютере CSCS Piz Daint, чтобы исследовать, как определенные механизмы старения частиц сажи в атмосфере влияют на образование облаков. Полученные результаты показывают, что влияние озона и серной кислоты на старение сажи изменяет образование облаков и, в конечном счете, климат.
При сжигании древесины, нефтепродуктов или других органических материалов в атмосферу выбрасываются частицы сажи, состоящие в основном из углерода. Эта сажа считается вторым по значимости антропогенным фактором воздействия на климат после углекислого газа. В атмосфере или в виде отложений на поверхности снега и льда частицы сажи поглощают коротковолновое излучение Солнца и тем самым способствуют глобальному потеплению.
В атмосфере частицы сажи также оказывают косвенное влияние на климат, изменяя образование, развитие и свойства облаков. Ученые впервые исследовали, как два специфических типа частиц сажи влияют на облака и, в свою очередь, на климат: с одной стороны, аэрозоли сажи, кой стареют из-за озона, и, с другой стороны, те, которые стареют из-за серной кислоты.
Химия сажи изменяет образование облаков.
До сих пор считалось, что эти два типа старения сажи мало влияют на образование облаков и климат, говорит Дэвид Бауэр, научный программист из исследовательской группы Ломана. Однако результаты моделирования, проведенного в настоящее время на суперкомпьютере CSCS Piz Daint, рисуют иную картину.
Когда частицы сажи соединяются с озоном или серной кислотой, их физические и химические свойства изменяются. Частицы сажи, состаренные озоном, образуют в нижних слоях атмосферы ядра конденсации, которые способствуют образованию облаков. Однако в верхних слоях атмосферы частицы сажи, состаренные серной кислотой, действуют как ядра льда и способствуют образованию перистых облаков.
Ученые смоделировали, как по-разному стареющие частицы сажи влияют на образование облаков и, следовательно, на климат от доиндустриальных времен до будущего. В этих симуляциях развитие аэрозольных частиц связано с физикой образования облаков в интерактивном вычислении. Это сложный процесс, требующий больше вычислительного времени, чем обычное моделирование климата.
Исследователи сделали четко определенные допущения для своих расчетов, описав состояние старения частиц сажи в зависимости от температуры и концентрации озона. Оба фактора оказывают значительное влияние на старение: чтобы сажа быстро старела через Озон, температура и концентрация озона должны быть высокими. Для способности сажи действовать как ядра льда при сернокислотном старении решающую роль играет низкая температура.
Измененное образование облаков приводит к потеплению.
Моделирование сажи озонового возраста показывает, что когда содержание углекислого газа в атмосфере удваивается по сравнению с доиндустриальной эпохой, образуется меньше низких облаков. Значительно больше облачных капель первоначально образуется в результате озонового старения сажи. Однако их высокая концентрация приводит к большему охлаждению верхней части облака, вызывая смешивание большего количества сухого воздуха сверху. Эти облака затем испаряются быстрее, особенно в более теплом климате. В более теплом климате смешанный воздух также имеет более низкую относительную влажность. Из-за более быстрого испарения остается меньше низкорасположенных облаков, и больше коротковолнового излучения достигает Земли и нагревает ее.
С другой стороны, частицы сажи, состаренные серной кислотой, вызывают образование большего количества кристаллов льда и делают перистые облака оптически толще, то есть они менее проницаемы для излучения. Они простираются до тропопаузы, которая расположена на высоте от 10 до 18 километров, а также дольше задерживаются в более высоких областях атмосферы. В результате перистые облака поглощают больше длинноволнового теплового излучения, испускаемого Землей, и позволяют меньшей его части выходить в космос. Эффект потепления перистых облаков усиливается и усугубляет глобальное потепление: когда содержание углекислого газа в атмосфере удваивается по сравнению с доиндустриальными временами, оба типа старения сажи вместе приводят к увеличению глобального потепления на 0,4-0,5 градуса по Цельсию. В результате круговорот воды еще больше ускорится, а глобальные осадки еще больше увеличатся, пишут исследователи.
Будущие исследования, которые включают аэрозоли от лесных пожаров, авиационных или автомобильных двигателей и сочетают полевые и лабораторные измерения с моделированием, могли бы дать еще более ясную картину воздействия аэрозолей сажи. Они также могли бы помочь в разработке стратегий сокращения выбросов. Это пойдет на пользу не только климату и качеству воздуха, но и здоровью людей.
