Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2022, T. 58, № 3, стр. 292-299
Моделирование регионального влияния ионов на формирование аэрозоля в атмосфере
А. Е. Алоян a, *, А. Н. Ермаков b, **, В. О. Арутюнян a
a Институт вычислительной математики им. Г.И. Марчука РАН
119333 Москва, ул. Губкина, 8, Россия
b Институт энергетических проблем химической физики РАН им. В.Л.Тальрозе ФИЦ ХФ им. Н.Н. Семенова РАН
119334 Москва, Ленинский пр. 38, корп. 2, Россия
* E-mail: ezmakr2010@yandex.ru
** E-mail: polclouds@yandex.ru
Поступила в редакцию 10.01.2022
После доработки 23.01.2022
Принята к публикации 09.02.2022
- EDN: EOXQOR
- DOI: 10.31857/S0002351522030014
Аннотация
Приведены результаты численных расчетов изменчивости в атмосфере Северного полушария счетных концентраций, аэрозольных частиц разных размеров, а также скоростей процессов ионной и бинарной нуклеации паров серной кислоты и воды. Расчеты выполнялись с использованием новой трехмерной модели регионального переноса и трансформации в атмосфере газовых и аэрозольных примесей с учетом процессов фотохимии, нуклеации с участием нейтральных молекул и ионов, а также конденсации/испарения и коагуляции. Полученные численные результаты указали на значимую роль в зимнее время процесса ионной нуклеации в формировании аэрозоля, особенно в нижней тропосфере и нижней стратосфере Северного полушария. При этом наряду с уровнем ионизации воздуха ключевыми факторами, определяющими динамику ионных процессов в атмосфере и их влияние на пространственно-временное распределение аэрозольных частиц, являются температура и относительная влажность.
ВВЕДЕНИЕ
Исследования формирования частиц аэрозоля остаются актуальными в физике и химии атмосферы. Участие аэрозольных частиц в рассеянии и поглощении солнечного излучения, а также в гетерогенных химических реакциях сказывается на климате и содержании в воздухе малых примесей и привлекает, поэтому пристальное внимание [1–3]. Ранее в [4–6] нами сообщалось о построении трехмерной модели переноса многокомпонентных газовых и аэрозольных микропримесей в регионе северного полушария с учетом химических и кинетических процессов их трансформации, а также бинарной нуклеации паров воды и серной кислоты и последующих процессов конденсационного роста частиц и их коагуляции. Недавние натурные эксперименты показали, однако, что такой механизм генерации зародышей вторичных частиц аэрозоля не дает объяснение наблюдаемым нуклеационным всплескам их образования в атмосфере [7]. В последние годы все большее внимание, поэтому привлекают процессы формирования вторичных аэрозольных частиц с участием атмосферных ионов [1]. Цель данной работы – использовать разработанную нами модель, включающую блок процессов ионной нуклеации [8], для оценки регионального влияния ионов на пространственно–временную картину распределения концентраций вторичного сульфатного аэрозоля в атмосфере.
МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ АЭРОЗОЛЯ
Уравнения изменчивости многокомпонентных газовых примесей и аэрозолей представим в следующем виде:
(1)
$\begin{gathered} \frac{{\partial {{C}_{i}}}}{{\partial t}} + {{u}_{j}}\frac{{\partial {{C}_{i}}}}{{\partial {{x}_{j}}}} = F_{i}^{{gas}} - P_{i}^{{nucl}} - P_{i}^{{ion - nucl}} - \\ - \,\,P_{i}^{{cond}} + P_{i}^{{chem}} + \frac{\partial }{{\partial {{x}_{j}}}}{{K}_{{jj}}}\frac{{\partial {{C}_{i}}}}{{\partial {{x}_{j}}}}, \\ \end{gathered} $(2)
$\begin{gathered} \frac{{\partial {{\varphi }_{k}}}}{{\partial t}} + \left( {{{u}_{j}} - {{\delta }_{{j3}}}{{w}_{g}}} \right)\frac{{\partial {{\varphi }_{k}}}}{{\partial {{x}_{j}}}} = F_{i}^{{aer}} + P_{k}^{{nucl}} + \\ + \,\,P_{k}^{{ion - nucl}} + P_{k}^{{cond}} + P_{k}^{{coag}} + P_{i}^{{chem}} + \frac{\partial }{{\partial {{x}_{j}}}}{{K}_{{jj}}}\frac{{\partial {{\varphi }_{k}}}}{{\partial {{x}_{j}}}}. \\ \end{gathered} $В работе наряду с бинарной нуклеацией паров воды и серной кислоты (Jbyn, см–3 с–1) рассматривался процесс их нуклеации и за счет атмосферных ионов (Jion, см–3 с–1). Уравнения (1)–(2) рассматриваются в области Dt = D × [0, T], где D = {[–X ≤ x ≤ X] × [–Y ≤ y ≤ Y] × [0 ≤ z ≤ H]}, H – верхняя граница расчетной области.
Начальные условия (при t = 0) задаются в следующем виде:
На боковых границах области для функций задаются следующие краевые условия:
(5)
${{\left. C \right|}_{\Omega }} = {{C}^{b}},\,\,\,\,{{\left. \varphi \right|}_{\Omega }} = {{\varphi }^{b}},\,\,\,\,{\text{при}}\,\,\,{{u}_{n}} < 0,$(6)
${{\left. {\frac{{\partial C}}{{\partial n}}} \right|}_{\Omega }} = 0,\,\,\,\,{{\left. {\frac{{\partial \varphi }}{{\partial n}}} \right|}_{\Omega }} = 0,\,\,\,\,{\text{при}}\,\,\,\,{{u}_{n}} \geqslant 0.$Здесь Ω – боковая поверхность, n – внешняя нормаль к Ω, un – нормальная компонента вектора скорости, Cb, φb – фоновые концентрации газовых веществ и аэрозолей соответственно.
Уравнения переноса и трансформации многокомпонентных газовых примесей и аэрозолей в атмосфере решались в границах заданной расчетной области. На поверхности земли (z = h) поглощение газовых примесей рассчитывалось с учетом суммы аэродинамического сопротивления, квазиламинарного сопротивления приземного слоя молекулярной диффузии и сопротивления поверхностному осаждению.
Для задания краевого условия на первом расчетном уровне (на верхней границе приземного слоя атмосферы) z = h, сопротивление вхождению примеси на поверхности земли задавалось суммой трех слагаемых: аэродинамического сопротивления ra, квазиламинарного сопротивления приземного слоя rb, возникающего вследствие молекулярной диффузии вблизи Земли, и поверхностного сопротивления rc, обусловленного поверхностным осаждением. Потоки примесей в приземном слое атмосферы рассматривались в виде:
(7)
$\nu \frac{{\partial {{C}_{i}}}}{{\partial z}} = \frac{1}{{{{r}_{a}} + {{r}_{b}} + {{r}_{c}}}}({{C}_{i}} - {{C}_{{i,surf}}}) - {\text{для}}\,\,{\text{газа}},$(8)
$\nu \frac{{\partial {{\varphi }_{k}}}}{{\partial z}} = \frac{{{{\varphi }_{k}} - {{\varphi }_{{k,surf}}}}}{{{{r}_{a}} + {{r}_{b}} + {{r}_{c}}}} + {{w}_{g}}{{\varphi }_{k}} - {\text{для}}\,\,{\text{аэрозоля}},$Аэродинамическое сопротивление вычисляли по формуле ${{{r}_{a}} = \frac{{\text{1}}}{{{{c}_{u}}{{c}_{\vartheta }}\left| u \right|}}}$. Коэффициент поверхностного сопротивления rc над сушей определяется из модели, описывающей перенос примесей в почве и деятельном слое океана с одновременным использованием потоков на разделе атмосфера–почва и атмосфера–океан. Для определения коэффициентов горизонтального и вертикального турбулентного обмена используется метод, предложенный в [9].
Ионная нуклеация
Эксперимент показывает, что в процессе ионной нуклеации участвуют по преимуществу отрицательные ионы [10, 11]. В присутствии в воздухе паров H2SO4 ионы ${\text{NO}}_{3}^{ - }$(НNO3)х(Н2О)y преобразуются в кластерные ионы ${\text{HSO}}_{4}^{ - }$, рост размеров которых в процессах кластеризации и рекомбинации с противоионами приводит, в конечном итоге, к зародышам аэрозольных частиц. Скорость нуклеации (Jion) рассчитывалась как поток частиц, проходящих через критический размер зародыша (rcr). Одновременно возникающие в воздухе нейтральные кластеры, включающие молекулы серной кислоты и воды, коагулируют как с нейтральными, так и с отрицательно заряженными кластерами. При этом их захват нейтральными аэрозольными частицами ведет к снижению Jion [12].
Применение в трехмерных численных моделях этого алгоритма нахождения Jion встречает, однако, большие сложности в виду необходимости использования огромных вычислительных ресурсов. Поэтому в данной модели для определения скорости нуклеации, зависящей от концентрации серной кислоты, температуры, относительной влажности, скорости ионизации и площади поверхности предшествующих частиц была использована параметризация Jion от этих параметров [12]. Подробнее о модели ионной нуклеации и алгоритме нахождения ее скорости по ходу расчетов [8].
Модель фотохимической трансформации
В качестве предшественников частиц т.н. вторичного аэрозоля [1], рассматривались процессы фотоокисления эмитируемых с поверхности серосодержащих компонентов антропогенного и биогенного происхождения, в том числе эмитируемого океанами диметилсульфида (CH3SCH3). Всего учитывалось 72 индивидуальных газовых компонента [5].
Ядра конденсации
Для описания пространственно-временной изменчивости в атмосфере их концентраций и спектра размеров в расчетах использовались 20 дискретных интервалов от ≈4 нм до 0.58 мкм. Отметим, что по данным натурных экспериментов счетная концентрация ядер конденсации изменяется по высоте в пределах от ∼ 10 до нескольких сотен частиц в 1 см3 [13]. При этом считалось, что ядра конденсации представляют собой инертные частицы, превращающиеся в сульфатный аэрозоль лишь при оседании молекул серной кислоты и воды или захвата мелких частиц сульфатного аэрозоля, возникающих в процессах нуклеации. Распределение концентрации ядер конденсации по размерам задавалось в диапазоне от 0.18 до 9.98 × 108 м–3 [14]. Суммарная удельная поверхность ядер конденсации в начальный момент составила ≈0.26 мкм2/м3. По данным [12] это сводит к минимуму их влияние на динамику ионной нуклеации.
Численные эксперименты выполнялись применительно к Северному полушарию и высотным профилям в разных географических точках в зимнее время при следующих входных параметрах. Число уровней по вертикали – 20 (от 100 до 46 000 м). В экспериментах вычислялись скорость бинарной нуклеации паров Н2О и Н2SO4, необходимая для нуклеации пороговая концентрация Н2SO4, скорость нуклеации, критический размер кластера, а также временная изменчивость функции распределения частиц по размерам. Метеорологическая информация заимствовалась из базы данных Европейского центра по среднесрочным прогнозам (ECMWF) для января 2002 г.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЧИСЛЕННЫХ РАСЧЕТОВ И ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1 и 2 в качестве примера приведены результаты рассчитанных по отдельности по региональной модели изменчивости скоростей ионной и бинарной нуклеации паров воды и серной кислоты. Представленные для высоты 7.2 км данные о скоростях этих процессов отвечают картине спустя 48 часов после инициализации модели. Похожие картины пространственной изменчивости скоростей ионной и бинарной нуклеации паров серной кислоты и воды были получены для других высот и других времен спустя инициализации модели. Из данных этих расчетов следует, что образование зародышей частиц в обоих процессах характеризуется значительной неоднородностью распределения в атмосфере. С наибольшей интенсивностью оба эти процесса протекают в умеренных и в высоких широтах. Это подтверждают расчеты вертикальных профилей скоростей формирования зародышей частиц в ряде географических точек в Северном полушарии в умеренных широтах и вблизи тропиков. Их результаты показывают, что процесс ионной нуклеации доминирует в нижней тропосфере и нижней стратосфере. При этом в нижней тропосфере, т.е. в условиях достаточно высоких по меркам бинарной нуклеации температур решающим оказывается влияние ионов на термическую стабильность ионных кластеров. В нижней стратосфере, т.е. в условиях низких температур решающим оказывается влияние ионов на термическую стабильность кластеров при дефиците влажности воздуха.
Преимущественному формированию зародышей вторичных аэрозольных частиц в процессе ионной нуклеации в высоких широтах способствует нарастающий в этом направлении уровень ионизации [12], а также достаточно низкие температуры и высокий уровней относительной влажности в воздухе. Подобное их сочетание, но для еще более низких температур в умеренных и высоких широтах необходимо и для формирования зародышей вторичных частиц в процессе бинарной нуклеации. С различиями распределения в атмосфере температур и относительной влажности, а также уровня содержания паров серной кислоты и связаны прослеживаемые на рис. 1 и 2 различия локализации областей осуществления ионной или бинарной нуклеации при формировании зародышей частиц аэрозоля. С ними связано и наблюдаемое влияние ионов на распределение частиц аэрозоля в атмосфере, предшественником которых выступает ионная нуклеация.
На рис. 3 показана картина распределения в сферической атмосфере скорости наработки зародышей вторичных частиц при одновременном учете участия в атмосфере процессов ионной и бинарной нуклеации паров серной кислоты и воды спустя 48 часов после инициализации модели на высоте 7.2 км. Из данных рис. 3 следует, что область формирования зародышей вторичных аэрозольных частиц при их одновременном осуществлении оказывается более однородной. Это связано с заполнением “пустых” областей в картине распределения источников зародышей частиц с участием ионов источниками зародышей возникающих в процессе бинарной нуклеации. Неясным при этом остается просматривающееся расширение зоны источников зародышей частиц к тропикам, несмотря на аддитивность скоростей процессов ионной и бинарной нуклеации. Так, по данным рис. 1 и 2 нижняя граница рассчитанных по отдельности распределений скоростей процессов ионной и бинарной нуклеации не опускается ниже 40° N, тогда как при одновременном их участии возникновение зародышей частиц смещается к заметно более низким широтам. И это притом, что уровень ионизации, необходимый для ионной нуклеации по мере сдвига к тропикам снижается, а пороговые концентрации серной кислоты для осуществления бинарной нуклеации, напротив заметно нарастают (до ≈ 5 × 106 см–3).
Вид рассчитанных распределений счетных концентраций аэрозольных частиц различных размеров (от 3.5 до 246 нм) на высоте 4.2 км спустя 48 ч инициализации модели показан на рис. 4–6. Отчетливо виден результат действия процессов нуклеации, ведущих к генерации новых частиц, что проявляется в изменении вида спектра ядер конденсации. Формирование новых частиц над обширным районом, прилегающем к о. Байкал, начинается уже на высотах ≈2 км, т.е. в условиях доминирования ионной нуклеации. Этому способствует высокая антропогенная нагрузка в данном регионе и, как результат, высокие концентрации паров серной кислоты (≥5 × 107 см–3), но не только. Благоприятствуют нуклеации и низкие температуры в зимнее время (≈230 К), и достаточно высокий уровень относительной влажности воздуха (0.6–0.7), что в совокупности приводит к уровню пороговых концентраций паров серной кислоты на порядок величины более низких, чем их содержание над данным регионом. По данным расчетов концентрация частиц самой мелкой (первой) моды (3.5 нм) составляет (4–5) × 107 м–3, притом, что начальный уровень содержания ядер конденсации более, чем на два порядка величины выше: ≈109 м–3. Наблюдаемый спад концентрации присутствующей в наибольшей концентрации частиц первой моды вызван генерацией в процессах нуклеации паров воды и серной кислоты мельчайших новых частиц и их захватом ядрами конденсации. Этот захват новых частиц сопровождается ростом размеров ядер конденсации. Одновременно с этим ядрами конденсации захватываются из воздуха молекулы серной кислоты и воды, что также ведет к росту размеров частиц первой моды. Результативно оба эти процесса, а также участие частиц первой моды в коагуляционных процессах, ведет к межмодовому переходу частиц из первой моды во вторую (25.8 нм) и последующие моды частиц, т.е. к снижению счетной концентрации частиц первой моды [8].
В качестве иллюстрации на рис. 7 показано изменение во времени спектра частиц ядер конденсации на высоте 3 км в Якутии (70° N, 120° E) в продолжении 25 суток. Отчетливо видно снижение счетной концентрации частиц аэрозоля первой моды и рост концентраций частиц во второй, третьей и последующих модах. Одновременно прослеживается и спад концентраций крупных частиц (≥130 нм), что вызвано их осаждением и поглощением подстилающей поверхностью. Возвращаясь к обсуждению данных рис. 4–6 отметим, что наряду с частицами вторичного аэрозоля в Байкальском регионе просматриваются также обширные области формирования таких аэрозольных частиц над Севером РФ (Баренцево и Карское моря), над Норвежским морем и над Скандинавией. Их возникновение, несмотря на низкий уровень инсоляции в зимнее время и невысокое содержание диоксида серы в атмосфере, прослеживается также и над континентальными районами в Якутии, Камчатке и Сахалине, а также над акваторией Чукотского, Берингово и Охотского морей. Формирование частиц в этих областях обязано в основном транспорту оксидов серы и сопровождающих его процессов окисления и бинарной нуклеации, что вызывается в зимнее время низкими температурами (220–245 К) и высокой относительной влажностью воздуха (≥0.65), доминирующей в нижней атмосфере от 5 до 12 км.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Приведены результаты расчетов распределения счетной концентрации вторичного сульфатного аэрозоля применительно к сферической атмосфере в зимнее время. Расчеты выполнялись с применением физически полной модели глобального переноса многокомпонентных газовых примесей и аэрозолей в региональном масштабе и сопутствующих физико-химических процессах. Наряду с бинарной нуклеацией паров воды и серной кислоты в расчетах принималась во внимание и их нуклеация с участием атмосферных ионов. Найдено, что ключевыми факторами определяющими влияние ионов на пространственное распределение аэрозольных частиц в атмосфере являются уровень ионизации, а также температура и относительная влажность Показано, что влияние ионов на распределение аэрозольных частиц в атмосфере прослеживается в нижней тропосфере и нижней стратосфере.
Список литературы
Seinfeld J.H., Pandis S.N. Atmospheric Chemistry and Physics. From Air Pollution to Climate Change. New York: Wiley-Interscience, 1997. 1326 c.
Akimoto H. Atmospheric Reaction Chemistry. Springer, 2016. 433 c.
Lowe D., MacKenzie R. Review of polar stratospheric cloud microphysics and chemistry // J. Atmos. Sol.–Terr. Phys. 2008. V. 70. № 1. P. 13–40.
Алоян А.Е., Ермаков А.Н., Арутюнян В.О. Формирование сульфатных аэрозолей в тропосфере и нижней стратосфере // Исследование возможной стабилизации климата с помощью новых технологий. Москва: Росгидромет, 2012. С. 75–98.
Алоян А.Е., Ермаков А.Н., Арутюнян В.О. Аэрозоль в верхней тропосфере и нижней стратосфере. Сульфатные частицы в северных широтах // Оптика атмосферы и океана. 2018. Т. 31. № 2. С. 136–142.
Aloyan A.E. Mathematical modeling of the interaction of gas species and aerosols in atmospheric dispersive systems // Russ. J. Num. Anal. Math. Model. 2000. V. 15. № 1–4. P. 211–224.
Kirkby J., Curtius J., Almeida J. et al. Role of sulphuric acid ammonia and Galactic cosmic rays in atmospheric aerosol nucleation // Nature 2011. V. 476. P. 429–433.
Aloyan A.E., Yermakov A.N., Arutyunyan V.O. Modeling the influence of ions on the dynamics of formation of atmospheric aerosol // Izv., Atmos. Ocean. Phys. 2021. V. 57. № 1. P. 104–109.
Kurihara Y., Televa R.E. Structure of tropical cyclone developed in three-dimensional numerical simulation model // J. Atmos. Sci. 1974. V. 31. № 5. P. 893–919.
Ferguson E.E. Ion–molecule reactions in the atmosphere // Kinetics of Ion–Molecule Reactions / Ed. by Ausloos P. Boston: Springer, 1979. P. 377–403.
Froyd K.D., Lovejoy E.R. Experimental thermodynamics of cluster ions composed of H2SO4 and H2O. 1. Positive ions // J. Phys. Chem. A 2003. V. 107. № 45. P. 9800–9811.
Yu F. Ion-mediated nucleation in the atmosphere: Key controlling parameters, implications, and look-up table // Geophys. Res. 2010. V. 115. D03206.
Hofmann D. J. Measurement of the concentration nuclei profile to 31 km in the Arctic in January and comparison with Antarctic measurements // Geophys. Res. Lett. 1990. V. 17. № 4. P. 357–360.
Алоян А.Е. Моделирование динамики и кинетики газовых примесей и аэрозолей в атмосфере. М.: Наука, 2008. 415 с.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Известия РАН. Физика атмосферы и океана