Аерозолі на вітрі для науки
Дим, пісок, пилок, сажа, частинки сірки. аерозолі, що виділяються різними джерелами, не знають кордонів і переходять з одного континенту на інший. Роблячи це, вони впливають на клімат та метеорологію.
Ця "фотографія" аерозолів була отримана шляхом об'єднання спостережень із супутникового приладу modis nasa з результатами моделі Європейського центру прогнозування погоди середнього радіусу дії (cepmmt). Ми бачимо пил, піднятий штормами (червоним), морські бризки, змиті западинами (синім кольором), випари, які виділяють пожежі та пожежі (зеленим кольором) та промислове забруднення твердими частинками внаслідок спалювання викопного палива (білим).
Сімоне Мантовані, Метеорологічне та екологічне спостереження Землі,
n 5-9 березня 2010 р. жителі Ставрополя та Краснодарського краю на півдні Росії були здивовані, побачивши сніг. рожевий. Як пояснити цей відтінок? Російська Федеральна служба з гідрометеорології та моніторингу навколишнього середовища (Росгідромет) виявила, що колір був результатом природного явища, сніг змішався з частинками пилу і глини, піднятими піщаною бурею в Сахарі, Північна Африка. Такі рожеві снігопади вже траплялися в Росії в 2008 і 2009 рр. Ми побачимо, що Франція не пошкодована цим явищем.
Ці пили є аерозолями, тобто невеликими рідинами або твердими частинками, зваженими в повітрі. Це також стосується морських бризок, диму від лісових пожеж, піщаної бурі або навіть серпанку, такого як можна побачити у великих містах чи промислових регіонах. Ці частинки малі, від декількох нанометрів до декількох десятків мікрометрів у діаметрі.
Однак коли ці частинки знаходяться у великій кількості в атмосфері, як у попередніх прикладах, вони породжують оптичні явища, які можна спостерігати. Аерозолі взаємодіють зі світлом двома різними способами: дифузією вони змінюють напрямок поширення сонячної радіації; поглинаючи, вони пригнічують сонячне випромінювання. Інтенсивність явищ розсіювання та поглинання змінюється залежно від довжини хвилі видимого випромінювання (яка коливається від фіолетового до червоного), розміру аерозолів та їх хімічного складу. В результаті аерозольний шлейф може виглядати білим (у випадку великих частинок, які поглинають мало випромінювання), блакитним (для дрібних частинок, які переважно розсіюють короткі довжини хвиль), сірим (для частинок вогню, що поглинають всі довжини хвиль) або помаранчевим (для мінеральних частинки, які переважно поглинають певні довжини хвиль).
Аерозольні джерела
Існує багато джерел атмосферних аерозолів, і, як правило, розрізняють первинні аерозолі, які виділяються як частинки, від вторинних аерозолів, що походять із газоподібних сполук, які конденсуються в атмосфері. Первинні аерозолі є результатом процесів горіння, будь то рослинність, торф або викопне паливо, першим з яких є вугілля. Вторинні аерозолі, в свою чергу, знаходять своє походження серед сполук сірки, таких як диметилсульфід, що виділяється морським фітопланктоном, і діоксид сірки, що виділяється при згорянні вугілля та нафти, або навіть леткі органічні сполуки, включаючи природні джерела, побутові чи промислові, різні.
Аерозольні частинки настільки легкі, що залишаються завислими в атмосфері і переносяться вітрами. Після викиду частинки розріджуються в атмосфері, але врешті-решт падають назад, або осадженням на поверхню, або вимиванням через опади. Більші частинки також повільно падають через атмосферу через свою вагу, поки вони не осідають на поверхні. Чим більші частинки, тим вища швидкість падіння, саме тому лише найдрібніші частинки можуть переноситися далеко від вихідних областей. За підрахунками, якщо частинки викидаються в нижні шари, вони не затримуються в атмосфері більше двох тижнів. Якщо, навпаки, вони утворюються або виділяються у верхню частину атмосфери, яка називається стратосферою, час їх перебування підраховується в місяцях або роках. Короткий термін життя аерозолів в атмосфері та різноманітність джерел означають, що атмосферні аерозолі характеризуються значною мінливістю як за концентраціями, так і за фізико-хімічними властивостями. Ця висока мінливість не заважає аерозолям впливати на клімат.
Яка роль на клімат ?
Аерозолі, залежно від їх кольору та розміру, по-різному взаємодіють зі світлом. Таким чином, прозорі, прозорі частинки, такі як сульфати та нітрати, охолоджували б атмосферу. І навпаки, темні частинки, такі як сажа, брали б участь у нагріванні атмосфери, поглинаючи світло, навіть якщо локально поверхня Землі може охолонути через тіньовий ефект аерозолів. Крім того, сажа, яка осідає на засніженому полі, зменшує відбивальну силу снігу і, отже, сприяє потеплінню. У глобальному масштабі збільшення концентрації аерозолю в атмосфері протягом ХХ століття уповільнило глобальне потепління в цей період. Без охолоджуючого ефекту частинок, які відображають енергію Сонця, з початку 20 століття планета вже нагрілася б більш ніж на 1 ° C порівняно з 0,7 ° C, що спостерігається сьогодні.
Кількість викидів аерозолів продовжує зростати в Азії та в Тропіках, але в Європі та Північній Америці вони зменшилися з 1980-х років завдяки скороченню викидів діоксиду сірки, вирішених боротися проти кислотних дощів. Витончення аерозольного шару, яке спостерігається в розвинених країнах, могло сприяти потеплінню за останні два десятиліття. Питання, що виникають тоді, парадоксальні. Чи повинні ми сприяти поліпшенню якості повітря під загрозою прискорення потепління? Або ми повинні терпіти більшу кількість аерозолів, шкідливих для здоров'я людини та екосистем, але які дещо обмежують глобальне потепління? Тому аерозолі вимагають складних компромісів від політиків.
Однак можливі також взаємодії між цілями покращення якості повітря та цілями пом'якшення змін клімату. Наприклад, вуглецева сажа - це аерозоль, який сприяє потеплінню атмосфери і викиди якого іноді не залежать від викидів інших типів аерозолів. Контроль над викидами вуглецевої сажі зменшить глобальне потепління та обмежить захворювання органів дихання та серцево-судинної системи. Але частка глобального потепління, пов'язана з вуглецевою сажею, залишається обмеженою. Тому ми повинні продовжувати відстоювати скорочення довгострокових викидів парникових газів у довгостроковій перспективі.
Крім того, зменшення викидів вуглецевої сажі не повинно здійснюватися за будь-яких умов. Зменшення викидів вуглецевої сажі, яке могло б відбутися за рахунок збільшення викидів вуглекислого газу, не обов'язково є корисним. Нарешті, зменшення викидів аерозолю за надмірно дорогих цін не є необхідним, коли викиди вуглекислого газу можна зменшити за меншими витратами. У будь-якому випадку ми повинні знати, як виміряти аерозолі, щоб краще їх зрозуміти.
Вимірювання, що здійснюють збір та аналіз аерозолів на місці розкрити його розмір частинок, хімічний склад та оптичні властивості. Це найточніші, але вони за своєю природою місцеві та розсіяні. Іншими словами, вони навряд чи можуть дати повне уявлення про розподіл аерозолю в атмосфері. І навпаки, супутникові вимірювання забезпечують кращий просторовий покрив, але вони лише недосконало фіксують властивості аерозолів. Єдине, що вимірює супутниковий прилад, - це електромагнітне випромінювання, і тому ми можемо спостерігати лише властивості аерозолів, які залишають характерний підпис на цьому випромінюванні.
Аерозолі з неба
Багато супутникових приладів вимірюють сонячне випромінювання, відбите від атмосфери (зазвичай на довжинах хвиль від 400 до 900 нанометрів, що приблизно відповідає піковому випромінюванню, розсіяному аерозолями). Моделюючи те, що могло б бути сонячним випромінюванням, відбитим поверхнею і молекулами атмосфери, тобто за відсутності аерозолів, ми можемо різницею визначити кількість та деякі властивості аерозолів.
Інші прилади засновані на аналізі інфрачервоного випромінювання на довжинах хвиль порядку десяти мікрометрів, щоб характеризувати кількість, розмір та приблизну висоту пустельних шлейфів пустелі. Нарешті, лідар, кілька версій якого встановлені на супутниках спостереження, забезпечує доступ до вертикального профілю аерозолів, вимірюючи, як частинки розсіюють випромінювання, випромінюване лазерним джерелом.
На жаль, синхронні сонячні супутники, які залишаються найбільш придатними для вимірювання аерозолів по всій земній кулі, лише «спостерігають» за тропічними регіонами один раз на день, а кількість аерозолів можна виміряти лише жодною хмарою. Тому супутникове спостереження не може бути достатнім само по собі, і спостереження повинно доповнюватися моделюванням.
Поєднуючи щоденні вимірювання, зроблені, наприклад, за допомогою супутникового приладу modis від NASA, та моделі, яка представляє атмосферний цикл аерозолів як функцію метеорології, ми можемо відновити кліматологію оптичної товщини аерозолів.
Моделі включають модель, розроблену в Європейському центрі прогнозу погоди середнього радіусу (cepmmt), Великобританія (див. малюнок на сторінці 23). На отриманих нами знімках ми впізнаємо основні типи аерозолів: морські бризки в найвітряніших океанічних регіонах, пил, що транспортується з Сахари в Карибський басейн, дим від пожеж рослинності в Південній Америці та Африці на південь від Сахари, забруднення Індії та Китаю, і меншою мірою над Європою та Північною Америкою. Аерозолі транспортуються за вітром, і вони настільки ж мінливі, як і метеорологія ... Ці різні типи аерозолів лежать в основі різних метеорологічних явищ. Давайте розберемо декілька.
7 квітня 2002 року гори регіону Бофортен стали рожевими, на подив лижників, які скористалися останніми схилами сезону (див. малюнок на сторінці 24 нижче). Як і рожевий сніг, який випав у Росії, про який ми розповідали у вступі, колір виходить із сахарського пилу, що транспортується Сірокко, гарячого вітру, що приходить з Африки і який осідає на снігу після включення в нього дощів. Епізод не є незвичним, але гірські пейзажі виглядають дещо сюрреалістичними.
Літо 2007 року ознаменувалося дуже інтенсивними пожежами рослинності в Греції, а також в інших країнах Середземноморського регіону. Ці пожежі, як випадкові, так і кримінальні, було важко контролювати через умови посухи та стан рослинності. Шлейфи диму особливо видно на супутникових знімках над Середземним морем (див. малюнок навпроти). Самі вогні видно за допомогою супутникового дистанційного зондування, оскільки вони випромінюють на ближніх інфрачервоних довжинах хвиль (близько 3,7 мкм), які можна виміряти відповідними датчиками.
Рожевий сніг, помаранчеве небо.
23 жовтня 2009 року небо над містом Сідней та більшою частиною штату Новий Південний Уельс стає помаранчевим (див. малюнок на попередній сторінці). Аеропорт закривається, а літаки повинні бути перенаправлені в інші міста. Причиною цього стала гігантська піщана буря з червоно-оранжевого піску, який існує в австралійських пустелях. Концентрація частинок сягала 15 міліграмів на кубічний метр, майже у 1000 разів перевищуючи концентрацію у випадку чистої атмосфери. Поширена ситуація в деяких пустельних країнах, але досить незвична в Австралії, де пустелі старі і дуже зруйновані.
У квітні 2010 р. Виверження вулкана Ейяфьяллайокулл в Ісландії перервало повітряний рух у Європі. Велика кількість аерозолів викинулася в середину тропосфери, і хмара попелу утворилася на більшій частині північної Європи. Вулканічний попіл може бути дуже абразивним для авіаційних двигунів. Потім встановлені процедури моніторингу показали свої межі. Вулканологи мали лише неточне уявлення про кількість виділеної золи та її гранулометрію. Метеорологи могли відстежувати і передбачати рух зольних шлейфів за своїми атмосферними моделями, але, не знаючи точно джерела, вони не могли кількісно передбачити концентрації вулканічного попелу. Нарешті, державні органи, що регулюють цивільну авіацію, та виробники не домовились про пороги допуску вулканічного попелу для авіаційних двигунів. Решта ми знаємо: за принципом обережності повітряний простір деяких європейських країн був закритий для цивільної авіації на кілька днів, щоб уникнути будь-якого ризику аварії.
7 липня 2012 року місто Сіетл та узбережжя штату Вашингтон на північному заході США прокинулися від помутніння диму, що тривав кілька днів. Дим не виходив від великих лісових пожеж, які тоді вирували в штаті Колорадо. Засоби спостереження, які ми зараз маємо, показують, що цей особливо густий дим був наслідком ще більших пожеж, що трапляються в Сибіру. (див. малюнок вище). Шлейфи перетнули Тихий океан і причалили на заході США та Канади.
Міста також є важливими джерелами аерозолів; це особливо стосується мегаполісів, цих міських агломерацій, які можуть концентрувати більше десяти мільйонів жителів. Інтенсивна промислова діяльність, види транспорту та житловий сектор відповідають за викиди різноманітних твердих і газоподібних забруднювачів. Коли повітря не циркулює або мало, ці забруднювачі накопичуються над містом і погіршують якість повітря. Потім це накопичення забруднювачів створює буру хмару, також відому як смогу, що зменшує видимість атмосфери та створює ризик для здоров’я мешканців.
Це міське забруднення впливає не лише на мешканців та безпосереднє оточення міста. Це можна відчути в регіональному та континентальному масштабі. Значна частина міських забруднювачів у Північній Америці іноді транспортується через Мексиканську затоку та Північну Атлантику, навіть до Європи. Так само в Північній Америці було виявлено забруднення азіатськими мегаполісами.
Вплив частинок на здоров’я значною мірою залежить від їх розміру. Загальновизнано, що чим менше аерозолів, тим глибше вони можуть потрапити в дихальну систему. Щоб обмежити вплив міського забруднення на здоров'я населення, вводяться політики зменшення викидів, які обмежують концентрацію частинок у повітрі. Існують вимірювальні мережі для постійного контролю концентрації твердих частинок.
Наукове співтовариство та метеорологічні служби поступово залучаються до прогнозування якості повітря та хімічного складу атмосфери. Цепммт, за допомогою академічних та інституційних партнерів, зараз здійснює квазіопераційний моніторинг та прогнозування атмосферних аерозолів у глобальному масштабі. Вони використовують числові моделі прогнозування погоди та так звані методики асиміляції даних, які модифікують стан атмосфери, щоб зробити її одночасно узгодженою з фізичними принципами, що регулюють еволюцію атмосфери, та спостереженнями. Після встановлення початкового стану модель може бути використана для прогнозування розподілу аерозолю в атмосфері протягом декількох днів.
На шляху до оперативного прогнозу
Наприклад, ця система прогнозування досить добре передбачила подію 2009 року в Австралії. Пилова хмара над Сіднеєм була спричинена надзвичайно сильним вітром над посушливими землями та сприятливими погодними умовами для транспорту до узбережжя.
Однак, на відміну від екстремальних погодних ситуацій, у багатьох країнах процедури попередження та публічної інформації все ще перебувають у зародковому стані. Таким чином, якість повітря було оголошено досить добрим для регіону Сіднея, оскільки індекси якості повітря все ще часто враховують лише забруднення людського походження.
Зрештою, ця нова система прогнозування, доповнена іншими більш регіональними пристроями, буде корисною для попередження населення про пилові бурі або епізоди поганої якості повітря через лісові пожежі та забруднення. Не зумівши освоїти сили природи або зменшити забруднення, ми, принаймні, зможемо передбачити найвинятковіші ситуації та пристосуватися до них.