Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 510, № 1, стр. 92-98

ВВЕДЕНИЕ

Крупномасштабные задымления радикально трансформируют радиационный режим атмосферы [1, 2]. Образующийся при массовых пожарах дымовой аэрозоль и малые газовые примеси, включая угарный газ, негативно влияют на экологическую обстановку [3]. Об оптических и микрофизических характеристиках (ОМХ) дымового аэрозоля можно судить по данным мониторинга тропосферного аэрозоля на глобальной сети станций AERONET [4]. На сайте AERONET (aeronet.gsfc.nasa.gov) кроме данных измерений аэрозольной оптической толщины (AOT) ослабления (экстинкции) τ_ex и индикатрисы яркости неба представлены результаты восстановления [5] (для длин волн 440, 675, 870 и 1020 нм) спектральных зависимостей действительной (n) и мнимой (κ) части коэффициента преломления вещества, τ_ex для тонкодисперсной и грубодисперсной фракций аэрозоля (τ_f и τ_с), AOT поглощения (τ_ab), альбедо однократного рассеяния (ω), параметра асимметрии индикатрисы рассеяния и функции распределения частиц аэрозоля по размерам в представлении $dV(r){\text{/}}d\ln r$, где r – радиус частицы и V(r) – накопленный объем частиц.

Ранее нами были выполнены исследования [6–8] крупномасштабных задымлений Северной Евразии в XXI веке и, в частности, крупномасштабного задымления в июле 2016 г., когда восточный перенос воздушных масс привел к распространению сибирской дымной мглы на европейскую территорию России и далее на запад [9, 10]. При дальнем переносе сибирской дымной мглы наблюдалось снижение поглощательной способности дымового аэрозоля, обусловленное конденсацией на частицах дымового аэрозоля непоглощающих в видимой области спектра летучих органических соединений, которые образуются при фотохимической трансформации газовых составляющих дымной мглы [10] в процессе дальнего переноса задымленных воздушных масс.

В первой декаде XXI века были выполнены исследования оптических и микрофизических характеристик дымового аэрозоля при массовых лесных пожарах на территории Аляски с использованием данных AERONET [11]. В связи с тем, что в эпоху потепления климата в атмосфере усиливаются многие негативные для человека процессы, нами были проанализированы последствия массовых лесных пожаров на территории Аляски в июле 2019 г.

В частности, интерес представляли изменения поглощательной способности дымового аэрозоля (ПСДА). При анализе ПСДА по данным AERONET наибольшее внимание, как правило, уделяется вариациям альбедо однократного рассеяния [12] $\omega (\lambda ) = {{\tau }_{{{\text{sc}}}}}(\lambda ){\text{/}}{{\tau }_{{{\text{ex}}}}}(\lambda )$, где λ – длина волны света, τ_sc – аэрозольная оптическая толщина рассеяния и ${{\tau }_{{{\text{ex}}}}} = {{\tau }_{{{\text{sc}}}}} + {{\tau }_{{{\text{ab}}}}}$. Часто анализируются результаты измерений AOT поглощения τ_ab. Однако ω(λ) и τ_ab(λ) зависят от распределения частиц аэрозоля по размерам. Поэтому при диагностике ПСДА целесообразно, в первую очередь, использовать спектральные зависимости мнимой части коэффициента преломления κ(λ).

Целью настоящей работы является исследование вариаций ОМХ дымового аэрозоля при массовых пожарах в бореальных лесах Аляски в июле 2019 г. с использованием данных AERONET (уровень L1.5, версия 3) и, в первую очередь, выявление основных типов спектральных зависимостей мнимой части коэффициента преломления вещества дымового аэрозоля. Показано, что наряду с многочисленными случаями неселективного поглощения в области спектра 440–1020 нм, которое определяется присутствием в частицах аэрозоля черного углерода (black carbon или BC) [13] и сравнительно часто наблюдаемыми спектрами κ(λ) с повышенными значениями κ на длине волны 440 нм, которые обусловлены наличием в частицах дымового аэрозоля (наряду с черным углеродом) органических соединений, которые имеют полосу поглощения в ультрафиолетовой и в коротковолновой части видимой области спектра (brown carbon или BrC) [14–16].

В июле 2019 г. в ряде случаев наблюдалось аномальное поглощение дымового аэрозоля, которое, очевидно, обусловлено наличием в частицах дымового аэрозоля вещества (или веществ) с полосой поглощения, как минимум, в области спектра 440–1020 нм. В работе приведены результаты измерений спектральных зависимостей AOT ослабления и функции распределения частиц по размерам, которые иллюстрируют доминирующую роль тонкодисперсной фракции в процессах рассеяния и поглощения электромагнитного излучения дымовым аэрозолем (для области спектра 440–1020 нм), в том числе, для случаев неселективного поглощения. Обсуждаются вариации AOT поглощения и альбедо однократного рассеяния при массовых лесных пожарах на территории Аляски в июле 2019 г.

В работе использовались результаты мониторинга оптических и микрофизических характеристик тропосферного аэрозоля при крупномасштабном задымлении территории Аляски в июле 2019 г. на станциях AERONET: Bonanza_Creek (сокращенно BZC) с координатами 64°45′ с.ш. и 148°32′ з.д., Kluane_Lake или KNL (61°02′ с.ш., 138°24′ з.д.) и NEON_DEJU или NDU (63°32′ с.ш., 145°45′ з.д.).

С целью сравнения в работе приведены некоторые результаты мониторинга характеристик дымового аэрозоля при пожарах в саванне на станции AERONET Mongu_Inn или MGI (15°16′ ю.ш., 23°08′ в.д.) в августе 2022 г.

МНИМАЯ ЧАСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА ПРЕЛОМЛЕНИЯ ДЫМОВОГО АЭРОЗОЛЯ

В [11] представлены результаты исследования вариации ОМХ дымового аэрозоля при массовых пожарах в бореальных лесах Аляски в 2004 и 2005 г.

Показано, что в большинстве случаев ПСДА определялась содержащимся в частицах аэрозоля черным углеродом (сажей), для которого характерна слабая зависимость мнимой части коэффициента преломления κ вещества аэрозоля от длины волны света λ [13].

Аномальные спектры κ(λ) в области длин волны от 440 нм до 1020 нм наблюдались и при крупномасштабном задымлении территории Аляски в июле 2019 г. (1–5 на рис. 1). Спектры 1, 3, 4 и 5 получены по данным мониторинга на станции Bonanza_Creek, а спектр 2 – по данным станции Kluane_Lake. Для сравнения показан аналогичный спектр (6 на рис. 1) с использованием данных мониторинга на станции Mongu_Inn в августе 2022 г. при пожаре в саванне. Информация об ОМХ дымового аэрозоля во время проведения измерений рассматриваемых спектров содержится в табл. 1.

Рис. 1.

Спектральные зависимости мнимой части коэффициента преломления вещества дымового аэрозоля при наличии в частицах аэрозоля черного углерода (кривые 1–6), коричневого и черного углерода (кривые 7–10) и для случаев аномального поглощения в области спектра 440–1020 нм (кривые 11–15). Спектральная зависимость для черного углерода – 16.

В табл. 1 приведены значения (для длины волны 440 нм) AOT ослабления, в том числе, раздельно для тонкодисперсной и грубодисперсной фракций аэрозоля ($\tau _{f}^{{440}}$ и $\tau _{с}^{{440}}$), значения действительной и мнимой части коэффициента преломления вещества дымового аэрозоля и соответствующие значения альбедо однократного рассеяния.

Кроме того, в табл. 1 содержатся значения показателей ${{\beta }_{{{\text{ex}}}}}$ и ${{\beta }_{{{\text{ab}}}}}$ степенных аппроксимаций спектральных зависимостей ${{\tau }_{{{\text{ex}}}}}(\lambda )$ и ${{\tau }_{{{\text{ab}}}}}(\lambda )$ для диапазона длин волн 440–870 нм (показатели Ангстрёма) для AOT ослабления и поглощения $\tau (\lambda ) = {{\tau }_{0}}{{\left( {{{\lambda }_{0}}{\text{/}}\lambda } \right)}^{\beta }}$, где ${{\tau }_{0}},{{\lambda }_{0}}$ и $\beta $ – параметры аппроксимации, а также максимальные значения ${v}_{m}^{f}$ распределения $dV(r){\text{/}}d\ln r$ для тонкодисперсной фракции аэрозоли и соответствующие радиусы частиц $r_{m}^{f}$, при которых достигаются указанные максимумы.

В [11] отмечено, что при крупномасштабных задымлениях Аляски в 2004 и 2005 г. на поглощательную способность дымового аэрозоля влияло присутствие в частицах коричневого углерода. Однако количественные оценки этого влияния в [11] не приведены.

На рис. 1 показаны спектры κ(λ), полученные по данным измерений в задымленной атмосфере Аляски в июле 2019 г., на которых заметно влияние коричневого углерода на длине волны 440 нм (спектры 7–9). Подобные спектры наблюдались и при пожарах в саванне в августе 2022 г. (спектр 10).

При анализе данных мониторинга (уровень L1.5) ОМХ дымового аэрозоля во время массовых лесных пожаров на территории Аляски в июле 2019 г. было обнаружено аномальное поглощение в области длин волн 440–1020 нм по спектрам κ(λ) (спектры 11–15 на рис. 1). Отметим, что из 74 измерений ОМХ на станции Bonanza_Creek в июле 2019 г. 15 случаев нами отнесены к ситуациям с заметными проявлениями аномального поглощения дымового аэрозоля.

Наибольший интерес представляют спектры κ(λ) 11 и 15 (табл. 1 и рис. 1), зарегистрированные на станциях AERONET NEON_DEJU 10.07 в 15:45 и Bonanza_Creek 23.07 в 17: 53 соответственно. При изменении длины волны от 440 до 1020 нм мнимая часть коэффициента преломления на станции NEON_DEJU (спектр 11) увеличилась с 0.134 до 0.315. Предложена степенная аппроксимация аномальных спектров $\kappa (\lambda ) = A{{\lambda }^{\alpha }}$, где A и α – параметры аппроксимации. Для спектров 11–14 указанный показатель степени варьирует в диапазоне от 0.7 до 1.05. Максимальная скорость роста κ увеличением длины волны достигла (α = 2.3) в случае спектра 15. Изменчивость аномальных спектров κ(λ), по-видимому, обусловлена вариациями относительных вкладов аномального и неселективного поглощения и возможными изменениями формы полосы аномального поглощения.

Таким образом, в видимой и ближней инфракрасной области спектра при массовых пожарах в бореальных лесах Аляски обнаружена широкая полоса поглощения дымового аэрозоля.

АЭРОЗОЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ ТОЛЩИНА ПОГЛОЩЕНИЯ

Важной характеристикой поглощательной способности тропосферного аэрозоля является аэрозольная оптическая толщина поглощения. Спектральные зависимости АОТ поглощения представлены на рис. 2. В случаях 1–6, когда ПСДА определяется черным углеродом, спектральные зависимости AOT поглощения c удовлетворительной точностью аппроксимируются степенными функциями с показателями Ангстрёма ${{\beta }_{{ab}}}$, рассчитанными для диапазона длин волн 440–870 нм, от 1.08 до 1.46 (табл. 1). Как известно, для малых частиц при слабой зависимости κ от длины волны AOT поглощения пропорционально λ^–1 [17] $\left( {{{\beta }_{{{\text{ab}}}}} = 1} \right)$. Для больших частиц показатель Ангстрёма близок к 1.3 [17]. Согласно приведенным в табл. 1 данным значения ${{\beta }_{{{\text{ab}}}}}$ в июле 2019 г. на станции Bonanza_Creek (спектры 1, 3–5) находились в диапазоне 1.23–1.28, что соответствует ранее опубликованным данным.

Рис. 2.

Спектральные зависимости аэрозольной оптической толщины поглощения дымового аэрозоля при наличии в частицах аэрозоля черного углерода (кривые 1–6), коричневого и черного углерода (кривые 7–10) и для случаев аномального поглощения в области спектра 440–1020 нм (кривые 11–15).

Заметные отклонения наблюдались для спектров ${{\tau }_{{{\text{ab}}}}}(\lambda )$, зарегистрированных на станциях Kluane_Lake (${{\beta }_{{{\text{ab}}}}}$ = 1.46) и Mongu_Inn (${{\beta }_{{{\text{ab}}}}}$ = 1.08).

При наличии коричневого углерода в частицах дымового аэрозоля (спектры 7–10) показатели Ангстрёма для АОТ поглощения увеличиваются до 1.43–1.69, в том числе, для спектров, зарегистрированных на станциях Kluane_Lake и Mongu_Inn (9 и 10).

Спектральные зависимости AOT поглощения при аномальном поглощении в видимой и ближней инфракрасной областях спектра (11–15 на рис. 2) существенно отличаются от предыдущих. В большинстве подобных случаев (11–14) АОТ поглощения сравнительно слабо зависит от длины волны (${{\beta }_{{{\text{ab}}}}}$ = 0.24–0.5). Исключением является спектральная зависимость, зарегистрированная на станции Bonanza_Creek 23.07.2019 в 17:53 (15 в табл. 1), когда имеет место быстрый рост ${{\tau }_{{{\text{ab}}}}}$ с увеличением длины волны от 0.022 на длине волны 440 нм до 0.046 на длине волны 1020 нм (показатель Ангстрёма – 0.91). Следует отметить большие наблюдаемые значения AOT поглощения на станции NEON DEJU 10.07.2019 в 15: 45 0.72 на длине волны 440 нм и 0.61 на длине волны 1020 нм.

Еще одной характеристикой ПСДА является альбедо однократного рассеяния (табл. 1). Однако четко выраженных закономерностей изменчивости $\omega (\lambda )$ связанных с аномальным поглощением дымового аэрозоля выявить не удалось. Отметим необычно низкие значения $\omega $ (от 0.62 до 0.32 при изменении длины волны от 440 до 1020 нм) на станции NEON_DEJU 10.07.2019 в 15: 45 (спектр 11). Таким образом, выявлено существенное отличие спектральных зависимостей характеристик ПСДА в случаях аномального селективного поглощения дымового аэрозоля в видимой и ближней области спектра.

АЭРОЗОЛЬНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ ТОЛЩИНА ОСЛАБЛЕНИЯ

Уровень задымления атмосферы определяется аэрозольной оптической толщиной ослабления. В частности, поток прямой солнечной радиации на подстилающей поверхности для длины волны 440 нм при ${{\tau }_{{{\text{ex}}}}} = 4.53$ при зенитном угле Cолнца 44° (2 в табл. 1) был ослаблен примерно в 500 раз. На рис. 3 представлены зависимости от длины волны AOT ослабления. Они с удовлетворительной точностью аппроксимируютcя степенными функциями (аппроксимация Ангстрёма). Для приведенных в табл. 1 случаев, когда поглощение прямой солнечной и рассеянной радиации в видимой и ближней инфракрасной областях спектра в частицах аэрозоля определяется черным углеродом (1–6 в табл. 1), в том числе, и при пожарах в саванне (табл. 1), показатель Ангстрёма ${{\beta }_{{{\text{ex}}}}}$ варьирует в пределах от 1.44 до 1.80.

Рис. 3.

Спектральные зависимости аэрозольной оптической толщины ослабления дымового аэрозоля при наличии в частицах аэрозоля черного углерода (кривые 1–6), коричневого и черного углерода (кривые 7–10) и для случаев аномального поглощения в области спектра 440–1020 нм (кривые 11–15).

Появление коричневого углерода в частицах дымового аэрозоля (в дополнение к присутствующим там черному углероду) приводит, в среднем, очевидно, к небольшому увеличению ${{\beta }_{{{\text{ex}}}}}$. При малых вкладах коричневого углерода это влияние сравнительно мало, что характерно для рассмотренных нами случаев (7–10 в табл. 1), когда ${{\beta }_{{{\text{ex}}}}}$ менялся в пределах от 1.24 до 1.92. При крупномасштабных задымлениях часто наблюдаются отклонения от степенной аппроксимации ${{\beta }_{{{\text{ex}}}}}(\lambda )$, обусловленные вариациями формы распределения частиц по размерам для тонкодисперсной фракции частиц дымового аэрозоля [18].

В случаях аномального поглощения наблюдается заметное снижение показателя Ангстрёма для АОТ ослабления диапазон изменения (0.96–1.39). Минимальное значение ${{\beta }_{{{\text{ex}}}}}$ = 0.96 зарегистрировано на станции NEON_DEJU. 10.07.2019 в 15:45 (11 в табл. 1), которое нельзя объяснить вкладом в ${{\tau }_{{{\text{ex}}}}}(\lambda )$ грубодисперсной фракции аэрозоля (он не превышает 1%).

Таким образом, в случае аномального поглощения дымового аэрозоля возникают существенные изменения спектральной зависимости АОТ от ослабления, которое приводит к значительным уменьшениям ${{\beta }_{{{\text{ex}}}}}$ (в 1.5 раза и больше).

ФУНКЦИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ЧАСТИЦ ДЫМОВОГО АЭРОЗОЛЯ ПО РАЗМЕРАМ

На сайте AERONET представлены усредненные по толще атмосферы функции распределения частиц аэрозоля по радиусам r диапазоне изменения r от 0.05 до 15 мкм. На рис. 4 показаны распределения объемов по размерам $dV(r){\text{/}}d\ln r$ (в относительных единицах) для дымового аэрозоля, восстановленные по данным мониторинга на станциях AERONET (уровень L1.5) на территории Аляски, включая Bonanza_Сreek, Kluane_Lake и NEON_DEJU во время крупномасштабных задымлений в июле 2019 г., а также (для сравнения) распределения, зарегистрированные при массовых пожарах в саванне в августе 2022 г. На наблюдаемых распределениях (рис. 4) отчетливо выделяются тонкодисперсная (субмикронная) и грубодисперсная фракции (mode) аэрозоля. Нетрудно видеть, что в дымовом аэрозоле доминирует тонкодисперсная фракция с модальными радиусами примерно 0.15 да 0.25 мкм, что согласуется с опубликованными ранее результатами [11]. При малых содержаниях дымового аэрозоля в толще атмосферы в суммарный объем частиц аэрозоля может вносить заметный вклад фракция грубодисперсного аэрозоля.

Рис. 4.

Функции распределения частиц дымового аэрозоля по обьемам при наличии в частицах аэрозоля черного углерода (кривые 1–6), коричневого и черного углерода (кривые 7–10) и для случаев аномального поглощения в области спектра 440–1020 нм (кривые 11–15).

Представляет интерес природа аномального поглощения дымового аэрозоля в видимой и ближней инфракрасной области спектра.

В монографии [19] (стр. 365) указано, что “дым, выделяющийся при сгорании топлив, состоит, главным образом, из сажи, смолы и золы. Частицы сажи или копоти образуют черный дым. Мелкие частицы жидких или полужидких смолистых веществ обладают желтым или коричневым оттенком”. Указанный оттенок цвета дыма свидетельствует о селективном поглощении дымового аэрозоля. Летом 2002 г. в Шатурском районе при лесо-травяных пожарах в Московской области нами были собраны аэрозольные пробы (с целью количественной оценки концентрации сажевого аэрозоля в задымленном воздухе), которые имели желтый цвет, что можно объяснить наличием смолы в частицах дымового аэрозоля. Эксперимент показал, что при возгонке канифоли образуется аэрозоль, который при сборе аэрозольных проб на кварцевый волокнистый фильтр образует желтую пленку.

Важную роль при образовании дымового аэрозоля при лесных пожарах на территории Аляски летом 2019 г. могли играть метеорологические условия во время пожаров и в предшествующий пожарам период времени. Летом 2019 г. Национальная метеорологическая служба США, а также центр ФОБОС, сообщали, что в июле 2019 г. были зарегистрированы рекорды температуры воздуха на Аляске. Более того, июль 2019 г. был 12-м месяцем подряд, когда на Аляске температура воздуха почти каждый день была выше нормы (http://www/rp5.ru; http://www.ncdc.noaa.gov/). Отметим, что в случае лесных пожаров на Аляске в 2004 и 2005 гг. длительных повышений температуры воздуха не было.

Вопрос о природе аномального поглощения нуждается в дополнительном исследовании.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

По данным мониторинга оптических и микрофизических характеристик дымового аэрозоля на станциях AERONET при массовых пожарах в бореальных лесах Аляски в июле 2019 г. были обнаружены аномальные спектры поглощения дымового аэрозоля в видимой и ближней инфракрасной области спектра (диапазон длин волн 440–1020 нм). Установлено, что при наличии указанного аномального поглощения мнимая часть коэффициента преломления вещества дымового аэрозоля достигала 0.315 на длине волны 1020 нм. Предложена степенная аппроксимация спектральных зависимостей мнимой части коэффициента преломления. Согласно данным мониторинга показатель степени, характеризующий скорость роста мнимой части коэффициента преломления с увеличением длины волны, варьирует от 0.7 до 2.3.

Проанализированы вариации спектральных зависимостей аэрозольных оптических толщин ослабления и поглощения c использованием степенных аппроксимаций, для которых показатели степени являются известными показателями Ангстрёма для спектров ослабления и поглощения. В отличие от часто наблюдаемых значений показателя Ангстрёма для спектра поглощения дымового аэрозоля (1.08–1.69) в табл. 1 при появлении аномального поглощения указанные показатели Ангстрёма снижаются до 0.16–0.5, а в одном случае он оказался отрицательным (–0.91). Уменьшается и показатель Ангстрёма для аэрозольной оптической толщины ослабления (в среднем с 1.65 до 1.18). Доминирующей фракцией дымового аэрозоля при наличии аномального поглощения, так же, как и в его отсутствие, является фракция тонкодисперсного аэрозоля.