Стратосфералық күкіртті аэрозольдер - Stratospheric sulfur aerosols

Стратосфералық күкіртті аэрозольдер болып табылады күкірт - бай бөлшектер бар стратосфера аймақ Жер атмосферасы. Олар бар атмосфера қабаты Хунге қабаты немесе жай стратосфералық аэрозоль қабаты деп аталады. Бұл бөлшектер. Қоспасынан тұрады күкірт қышқылы және су. Олар табиғи түрде жасалады, мысалы фотохимиялық құрамында күкірт бар газдардың ыдырауы, мысалы. карбонилсульфид. Жоғары деңгейде болған кезде, мысалы. сияқты күшті жанартау атқылауынан кейін Пинатубо тауы, олар күн сәулесін шағылыстыру арқылы және стратосферадан құлап бара жатқанда бұлттарды өзгерту арқылы салқындатқыш әсер етеді.[1] Бұл салқындау бөлшектер құлағанға дейін бірнеше жыл бойы сақталуы мүмкін.

Ан аэрозоль Бұл тоқтата тұру жақсы қатты бөлшектер немесе сұйықтық а-дағы тамшылар газ. The сульфат бөлшектер немесе күкірт қышқылы атмосферадағы тамшылардың диаметрі шамамен 0,1-ден 1,0 микрометрге дейін (метрдің миллионнан бір бөлігі).

Күкірт аэрозольдері кең таралған тропосфера нәтижесінде ластану бірге күкірт диоксиді жанудан көмір және табиғи процестерден. Жанартаулар күші ретінде стратосферадағы бөлшектердің негізгі көзі болып табылады жанартау атқылауы құрамында күкірт бар газдарды стратосфераға жібереді. Вулкандардың Хунге қабатына салыстырмалы әсері кез келген уақыт кезеңіндегі атқылаудың саны мен мөлшеріне, сондай-ақ бөлінген күкірт қосылыстарының мөлшеріне байланысты айтарлықтай өзгереді. Тек стратовуландар бірінші кезекте фельсикалық сияқты магмалар осы ағындарға жауап береді мафиялық ішінен магма атылды қалқан жанартаулары стратосфераға жететін түтіктерге әкелмейді.

Стратосфералық күкірт аэрозольдерін әдейі жасау ұсынылған геоинженерия туындаған кейбір мәселелерді шешуге мүмкіндік беретін әдіс ғаламдық жылуы. Алайда, бұл жанама әсерлерсіз болмайды[2] және емдеу аурудан гөрі нашар болуы мүмкін деген болжам жасалды.[3]

Пинатубо атқылауы бұлты. Бұл жанартау стратосфералық күкіртті аэрозольдердің көп мөлшерін шығарды және тақырыпты түсінуге үлкен үлес қосты.

Шығу тегі

Жанартау «инъекциясы»

Табиғи күкіртті аэрозольдер көптеген мөлшерде түзіледі СО2 шығарылды жанартаулар,[4] тікелей стратосфераға өте үлкен мөлшерде енгізілуі мүмкін (Жанартаудың жарылу индексі, VEI, 4 немесе одан жоғары) атқылау. Құрамындағы тропосфералық күкірт қосылыстарымен байланысты кешенді талдау атмосфера, Бейтс және басқалар ұсынады.[5]

IPCC AR4 дейді жарылғыш вулкандық оқиғалар эпизодтық сипатта болады, бірақ олардан туындаған стратосфералық аэрозольдар аэрозольдердің микрофизикалық сипаттамаларына сезімтал қысқа және ұзақ толқын әсерімен планетаның радиациялық энергетикалық балансына айтарлықтай өтпелі толқулар әкеледі..[6]

Вулкандық белсенділігі жетіспейтін кезеңдерде (демек, SO тікелей айдау)2 стратосфераға), тотығу COS (карбонилсульфид ) стратосфералық күкіртті аэрозоль өндірісінде басым болады.[7]

Химия

Негізгі мақала: Күкірт циклі

Стратосфералық күкірт аэрозольдарының химиясы олардың пайда болуына байланысты айтарлықтай өзгереді. Вулкандық шығарындылар құрамы бойынша айтарлықтай ерекшеленеді және күл құрамында күрделі бөлшектер және күлдің құрамында басқа бөлшектердің болуына байланысты күрделі химия бар.[8]

Күкірт аэрозольдерінің түзілуіне де, жойылуына да әсер ететін химиялық реакциялар толық зерттелмеген. Дәл бағалау қиын, мысалы, күл мен су буының болуы вулкандық өнімдерден аэрозоль түзілуінде маңызды ма, жоқ па, және химикаттардың (мысалы, SO2 және H2S) аэрозоль түзілуіне оңтайлы. Бұл белгісіздік күкірт аэрозоль түзілуінің геоинженерлік пайдалану тәсілдерін анықтауға қиындық туғызады.

Ғылыми зерттеу

Вулкандық шығарындылардан шыққан стратосфералық сульфаттар уақытша салқындатуды тудырады; тұрақты салқындатуды көрсететін күлгін сызық тропосфералық сульфаттан

Осы аэрозольдерді түсіну көбінесе зерттеуге негізделген жанартау атқылауы,[9] атап айтқанда Пинатубо тауы ішінде Филиппиндер,[10] бұл 1991 жылы эффектілерді мұқият зерттеу үшін ғылыми әдістер жеткілікті дамыған кезде пайда болды.[11]

Зертханада аэрозольдердің түзілуін және олардың атмосфераға әсерін де зерттеуге болады. Нақты бөлшектердің үлгілерін қалпына келтіруге болады стратосфера әуе шарларын немесе ұшақтарды пайдалану.[12]

Компьютерлік модельдер аэрозоль бөлшектерінің мінез-құлқын түсіну үшін пайдаланылуы мүмкін және олардың жаһандық климатқа әсерін модельдеуде әсіресе пайдалы.[13] Зертханадағы биологиялық тәжірибелер мен далалық / мұхиттық өлшеулер биологиялық жолмен пайда болатын ұшпа күкіртті газдардың түзілу механизмдерін құра алады.[5]

Әсер

Күкірт аэрозолдары үшін газдардың шығарылуы вулкандардың эпизодтық қоздыруының негізгі механизмі екендігі анықталды. ғаламдық салқындату.[14] The Климаттың өзгеруі жөніндегі үкіметаралық панель AR4 стратосфералық сульфатты аэрозольдерді ғылыми түсінік деңгейі төмен деп санайды. The аэрозоль бөлшектері ақшыл түсті құрайды[3] аспандағы тұман Бұл а жасайды жаһандық күңгірт күн сәулесінің аз бөлігі Жер бетіне жетуге болатын әсер. Бұл а ғаламдық салқындату әсер. Шын мәнінде олар а-ның кері функциясын орындайды парниктік газ бұғаттау кезінде күн сәулесінен көрінетін жарық түсуге бейім инфрақызыл жарық Жер бетінен және оның атмосферасынан шығарылады. Бөлшектер сонымен қатар инфрақызыл энергияны тікелей сәулелендіреді, өйткені олар кеңістіктегі жылуды жоғалтады.

Жанартаулардың атқылауына байланысты күн радиациясының төмендеуі

Барлық аэрозольдер жұтып және шашырау күн және жер үсті радиация. Бұл санда көрсетілген Жалғыз шашырау Альбедосы (SSA), шашыраудың шашырауға және жұтылуға қатынасы (жойылу) бөлшек сәулеленуі. Егер шашырау басым болса, салыстырмалы түрде аз сіңірілсе және жұтылу жоғарылаған сайын азаяды, шексіз сіңіру үшін нөлге айналады, егер SSA бірлікке ұмтылады. Мысалы, теңіз-тұзды аэрозольдің SSA мөлшері 1-ге тең, өйткені теңіз-тұз бөлшегі тек шашырайды, ал күйенің SSA-ы 0,23 құрайды, бұл оның негізгі атмосфералық аэрозоль сіңіргіш екендігін көрсетеді.

Аэрозольдер, табиғи және антропогендік, жолды өзгерту арқылы климатқа әсер етуі мүмкін радиация атмосфера арқылы беріледі. Аэрозольдердің әсерін тікелей бақылау айтарлықтай шектеулі, сондықтан олардың ғаламдық әсерін бағалауға кез-келген талпыныс міндетті түрде компьютерлік модельдерді қолдануды білдіреді. The Климаттың өзгеруі жөніндегі үкіметаралық панель, IPCC, дейді: Байланысты радиациялық мәжбүрлеу парниктік газдар ақылға қонымды жоғары дәлдікпен анықталуы мүмкін ... аэрозольдік радиациялық күштерге қатысты белгісіздіктер үлкен болып қалады және көп жағдайда қазіргі уақытта тексеру қиын әлемдік модельдеу зерттеулерінің бағаларына сүйенеді..[15] Алайда, олар көбінесе тропосфералық аэрозоль туралы айтады.

Аэрозольдердің жойылуында маңызы бар озон[4] байланысты беткі химия әсерлер.[16] Озонды бұзу соңғы жылдары үлкен тесіктер жасады озон қабаты, бастапқыда Антарктика содан кейін Арктика. Озон қабатындағы бұл саңылаулар планетаның қоныстанған және вегетативті аймақтарын жабу үшін кеңею мүмкіндігіне ие, бұл экологиялық апатқа алып келеді.

Озонның бұзылуы негізінен жүреді полярлық аймақтар,[17] бірақ озонның түзілуі негізінен тропиктік.[18] Озон ғаламшарға таралады Brewer-Dobson айналымы.[19] Сондықтан аэрозольдердің қайнар көзі мен дисперсиялық схемасы олардың озон қабатына әсерін түсінуде маңызды.

Тернер вулкандық аэрозольдер әсерінен күннің батуынан шабыт алды

Аэрозольдер сәулені шашыратады, бұл аспанның пайда болуына әсер етеді күннің батуы. Аэрозольдердің концентрациясын өзгерту атмосфера пайда болуына күрт әсер етуі мүмкін күннің батуы. 1816 жылдағы аспан көрінісінің өзгеруі, «Жазсыз жыл» (атқылауына байланысты Тамбора тауы ), суреттерге шабыт болды Тернер. Одан әрі жанартау атқылауы және геоинженерия күкірт аэрозольдерін қамтитын жобалар күннің батуына әсер етуі мүмкін,[20] және аспанда тұман жасау.

Аэрозоль бөлшектері стратосферадан құрлық пен мұхитқа түседі. Түсетін бөлшектердің көлеміне байланысты әсерлер экожүйелер үшін маңызды болуы мүмкін немесе болмауы да мүмкін. Мүмкін болатын геоинженерлік сценарийлерде қолданылатын аэрозольдердің мөлшерін модельдеу жер үсті экожүйелеріне шөгуден болатын әсер айтарлықтай зиянды емес деп болжайды.[21]

Климаттық инженерия

Негізгі мақалалар: Күн радиациясын басқару және Стратосфералық сульфатты аэрозольдер (геоинженерия)

Мұны стратосфералық күкіртті аэрозольдердің жасау мүмкіндігі жаһандық күңгірт эффект оларды қолданудың мүмкін үміткеріне айналдырды климаттық инженерия әсерін және әсерін шектеуге арналған жобалар климаттық өзгеріс деңгейлерінің көтерілуіне байланысты парниктік газдар.[22][23] Сияқты алдыңғы газдарды жеткізу H2S және СО2 арқылы артиллерия, ұшақ және шарлар ұсынылды.[23]

Осы ұсынылған техниканы түсіну ішінара бар атмосфералық процестің бейімделуіне негізделген.[24] Техниканың жағымсыз және жағымды жақтары климаттық инженерия бойынша салыстырмалы (бірақ таза алыпсатарлық) ұсыныстарға қарағанда жақсы түсініледі. Ол ішінара орналастырылған кез келген осындай шешімнің әрекет ету жылдамдығына негізделген,[25] айырмашылығы көміртекті секвестрлеу сияқты жобалар көмірқышқыл газының ауаны ұстап қалуы бұл ұзақ жұмыс істей алады.[2] Алайда бұл процестерді түсінуде олқылықтар бар, мысалы, стратосфералық климатқа және жауын-шашынның өзгеруіне әсер етеді,[1] және одан әрі зерттеу қажет.[26]

Кем дегенде екі жағымсыз әсер жарықтың шашырауының негізгі физикасына, өсімдіктердің қалай өсетініне және күн панельдерінің жұмысына байланысты жақсы негізделген.

  • Экожүйені жарықтан айыру: Фотосинтез - Жердегі тіршіліктің негізі. Фитопланктондардың, ағаштардың және дақылдардың өсуіне қажетті қысқа толқынды радиацияны біркелкі азайту арқылы технологияны қолдану алғашқы өнімділіктің төмендеуін қамтамасыз етеді [27]ғасырдың соңына дейін осы уақыттағы парниктік газдардың деңгейіне және олардың жалпы радиациялық күшіне пропорционалды 2-5% аралығында[28]. Бұл әсер адамның тамақ өсіру қабілетін және экожүйенің қалпына келу қабілетін пропорционалды түрде төмендетеді.
  • Күн энергиясы технологияларының көрмесі: Қысқа толқындардың біркелкі азаюы күн сәулесіндегі фотоэлектриканы өсімдіктерге қарағанда 2-5% -ға әсер етеді [29]. коллиматталған кіретін күн сәулесінің шашырауының жоғарылауы электр энергиясын өндіру үшін күн жылу энергиясын шоғырландыру тиімділігін (RCP8.5 үшін 11% -ға) күрт төмендетеді [30] [31] күн цементін өндіру сияқты химиялық реакциялар[32].

Сондай-ақ қараңыз

Әдебиеттер тізімі

  1. ^ а б Бала, Г .; Даффи Б .; Тейлор, Э. (маусым 2008). «Геоинженерлік схемалардың әлемдік гидрологиялық циклға әсері». Америка Құрама Штаттарының Ұлттық Ғылым Академиясының еңбектері. 105 (22): 7664–7669. Бибкод:2008PNAS..105.7664B. дои:10.1073 / pnas.0711648105. ISSN  0027-8424. PMC  2409412. PMID  18505844.
  2. ^ а б Уигли, Т.М. (2006). «Климатты тұрақтандыруға жұмсартылған / геоинженерлік аралас тәсіл». Ғылым. 314 (5798): 452–4. Бибкод:2006Sci ... 314..452W. дои:10.1126 / ғылым.1131728. PMID  16973840.
  3. ^ а б Робокк, А. (2008). «Геоинженерліктің жаман идея болуы мүмкін 20 себеп» (PDF). Atomic Scientist хабаршысы. 64 (2): 14–18. Бибкод:2008BuAtS..64b..14R. дои:10.2968/064002006.
  4. ^ а б «Вулкандық күкірт аэрозольдері климатқа және жердің озон қабатына әсер етеді». Америка Құрама Штаттарының геологиялық қызметі. Алынған 17 ақпан 2009.
  5. ^ а б Бейтс, Т.С., Б.К. Лэмб, А.Гюнтер, Дж. Диньон және Р.Е. Стойбер (1992). «Табиғи көздерден атмосфераға шығарылатын күкірт». Атмосфералық химия журналы. 14 (1–4): 315–337. Бибкод:1992JAtC ... 14..315B. дои:10.1007 / BF00115242.CS1 maint: бірнеше есімдер: авторлар тізімі (сілтеме)
  6. ^ Соломон, С .; және т.б., редакция. (2007). «2.7.2.1 Вулкандық аэрозольдердің радиациялық әсері». І жұмыс тобының 2007 жылғы климаттың өзгеруі жөніндегі үкіметаралық панельдің төртінші бағалау есебіне қосқан үлесі. Кембридж, Ұлыбритания және Нью-Йорк, Нью-Йорк, АҚШ: Кембридж университетінің баспасы. Алынған 2011-06-14.
  7. ^ «Сульфат аэрозольдары».
  8. ^ Матера, Т.А., Ч.Оппенгеймер, А.Г.Аллен және А.Ж.С. McGonigle (2004). «Италиядағы үш қарама-қарсы вулкандардан шығарындылардың аэрозольды химиясы». Атмосфералық орта. 38 (33): 5637–5649. Бибкод:2004 ж. EN..38.5637M. дои:10.1016 / j.atmosenv.2004.06.017.CS1 maint: бірнеше есімдер: авторлар тізімі (сілтеме)
  9. ^ Барони, М., М.Х. Тименс, Р.Дж. Дельмас және Дж.Саварино (2007). «Стратосфералық жанартау атқылауларындағы жаппай тәуелсіз күкірттің изотоптық құрамы». Ғылым. 315 (5808): 84–87. Бибкод:2007Sci ... 315 ... 84B. дои:10.1126 / ғылым.1131754. PMID  17204647.CS1 maint: бірнеше есімдер: авторлар тізімі (сілтеме)
  10. ^ Өзім, S., J.-X. Чжао, Р.Е. Холасек, Р. Торрес және А.Дж. Король (1997). «1991 жылғы Пинатубо тауының атқылауының атмосфералық әсері». Өрт және балшық: Пинатубо тауының атқылауы және лахарлары, Филиппиндер. Вашингтон Университеті. ISBN  978-0-295-97585-6.CS1 maint: бірнеше есімдер: авторлар тізімі (сілтеме)
  11. ^ Джейсон Вулф (5 қыркүйек 2000). «Вулкандар және климаттың өзгеруі». Жер обсерваториясы. НАСА. Алынған 19 ақпан 2009.
  12. ^ Палумбо, П., А. Ротунди, В. Делла Корте, А. Чюччи, Л. Коланжели, Ф. Эспозито, Э. Маззотта Эпифани, В. Меннелла, Дж. Бруцато, Ф.Ж.М. Ритмейгер, Дж. Дж. Флинн, Дж. - Б. Ренард, Дж.Р. Стефенс және Э. Зона. «DUSTER эксперименті: жоғары стратосферадағы аэрозольді жинау және талдау». Алынған 19 ақпан 2009.CS1 maint: бірнеше есімдер: авторлар тізімі (сілтеме)[тұрақты өлі сілтеме ]
  13. ^ «Стратосфералық инъекциялар жерді салқындатуға көмектеседі, компьютерлік модельдер». ScienceDaily. 15 қыркүйек 2006 ж. Алынған 19 ақпан 2009.
  14. ^ Rampino MR, Self S (23 тамыз 1984). «Күкіртке бай жанартау атқылары және стратосфералық аэрозольдер». Табиғат. 310 (5979): 677–9. Бибкод:1984 ж. 310..677R. дои:10.1038 / 310677a0.
  15. ^ О.Баучер; т.б. (2001). «6-тарау. Климаттың өзгеруіне радиациялық әсер ету». Дж.Т. Хоутон; т.б. (ред.). Климаттың өзгеруі 2001 жыл: ғылыми негіз. І жұмыс тобының климаттың өзгеруі жөніндегі үкіметаралық панельдің үшінші бағалау есебіне қосқан үлесі. Климаттың өзгеруі жөніндегі үкіметаралық панель. Архивтелген түпнұсқа 2016-09-05. Алынған 2011-06-14.
  16. ^ Галстук, Х .; т.б. (2003). «Сульфат аэрозолының тропосфералық NOx және озон бюджеттеріне әсері: модельдік модельдеу және TOPSE дәлелдері». Дж. Геофиз. Res. 108 (D4): 8364. Бибкод:2003JGRD..108.8364T. дои:10.1029 / 2001JD001508.
  17. ^ Чарльз Уэлч. «Озон тесігі-озонды жою». Theozonehole.com. Алынған 19 ақпан 2009.
  18. ^ Чарльз Уэлч. «Озон». Solcomhouse.com. Алынған 19 ақпан 2009.
  19. ^ Дилан Джонс. «Брюэр-Добсон айналымы» (PDF). GCC жазғы мектебі.
  20. ^ Олсон, Д.В., Р.Л.Дочер және М.С. Олсон (ақпан 2004). «Аспан қызыл түске боялған кезде: Айғайдың артындағы оқиға». 107 (2). Sky & Telescope. 29-35 бет.CS1 maint: бірнеше есімдер: авторлар тізімі (сілтеме)
  21. ^ Кравиц, Б., А. Робок, Л. Оман және Г. Стенчиков (2008). Сульфатты аэрозольдармен стратосфералық геоинженериядан қышқылдың шөгуі. Американдық геофизикалық одақ, күзгі кездесу. Бибкод:2008AGUFM.U43A0041K.CS1 maint: бірнеше есімдер: авторлар тізімі (сілтеме)
  22. ^ Жуу B. & J.M.T. Томпсон (1996). «Жаһандық және арктикалық климаттық инженерия: сандық модельдер». Фил. Транс. R. Soc. A. 366 (1882): 4039–56. Бибкод:2008RSPTA.366.4039C. дои:10.1098 / rsta.2008.0132. PMID  18757275.
  23. ^ а б Crutzen, P. J. (2006). «Альбедоны стратосфералық күкіртті инъекциялардың көмегімен жақсарту: саясат дилеммасын шешуге үлес?». Климаттың өзгеруі. 77 (3–4): 211–220. Бибкод:2006ClCh ... 77..211C. дои:10.1007 / s10584-006-9101-ж.
  24. ^ Чжао, Дж .; Turco, R. P .; Toon, B. B. (1995). «Пинатубо жанартау аэрозолдарының стратосферадағы модельдеу моделі». Геофизикалық зерттеулер журналы. 100 (D4): 7315. Бибкод:1995JGR ... 100.7315Z. дои:10.1029 / 94JD03325. hdl:2060/19980018652.
  25. ^ Мэттьюс, Х. Д .; Калдейра, К. (Маусым 2007). «Өтпелі климат - көміртекті планетарлық геоинженерия модельдеу». Америка Құрама Штаттарының Ұлттық Ғылым Академиясының еңбектері. 104 (24): 9949–9954. Бибкод:2007PNAS..104.9949M. дои:10.1073 / pnas.0700419104. ISSN  0027-8424. PMC  1885819. PMID  17548822.
  26. ^ Эндрю Чарльтон-Перес және Элеонора Хайвуд. «Стратосферадағы геотехниканың шығындары мен артықшылықтары» (PDF). Алынған 17 ақпан 2009.
  27. ^ Уокер, Дэвид Алан (1989). «Фотондар ағынының тығыздығы функциясы ретінде жапырақ фотосинтетикалық O2 эволюциясын автоматты түрде өлшеу». Корольдік қоғамның философиялық операциялары B. 323 (1216). дои:10.1098 / rstb.1989.0013. Алынған 20 қазан 2020.
  28. ^ IPCC, деректерді тарату орталығы. «Өкілді концентрация жолдары (RCP)». Климаттың өзгеруі жөніндегі үкіметаралық панель. Алынған 20 қазан 2020.
  29. ^ Мерфи, Даниэль (2009). «Стратосфералық аэрозольдардың тікелей күн сәулесіне әсері және күн энергиясын шоғырландыруға әсері». Environ. Ғылыми. Технол. 43 (8): 2783–2786. дои:10.1021 / es802206b. Алынған 20 қазан 2020.
  30. ^ Смит, Кристофер Дж; Крук, Джулия А .; Крук, Рольф; Джексон, Лоуренс С .; Оспри, Скотт М .; Форстер, Пирс М. (2017). «Стратосфералық сульфат геоинженериясының ғаламдық күн фотовольтаикасына және шоғырланған күн энергиясының ресурстарына әсері». Қолданбалы метеорология және климатология журналы. 56 (5): 1483–1497. дои:10.1175 / JAMC-D-16-0298.1.
  31. ^ Мерфи, Даниэль (2009). «Стратосфералық аэрозольдардың тікелей күн сәулесіне әсері және күн энергиясын шоғырландыруға әсері». Environ. Ғылыми. Технол. 43 (8): 2783–2786. дои:10.1021 / es802206b. Алынған 20 қазан 2020.
  32. ^ ГЕЛИОСКП. «Күн энергиясының концентрацияланған цемент өндірісі». helioscsp.com. Алынған 20 қазан 2020.