Может ли дождь очистить атмосферу?

Может ли дождь очистить атмосферу?

Известно, что дождевые капли притягивают аэрозоли из атмосферы. Когда капля дождя пролетает сквозь атмосферу, она может впитать десятки и сотни мелких аэрозольных частиц до того, как ударится о землю. Процесс, при котором капли и аэрозоли соединяются, называется коагуляцией (естественное явление, которое может очищать воздух от вредных веществ, таких как сажа, сульфаты и органические частицы).

Специалисты по химии атмосферы в Массачусетском технологическом институте (МТИ) пытаются понять, насколько эффективен дождь в очистке атмосферы. С учётом высоты облака, размера его капель, а также диаметра и концентрации аэрозолей, команда может предсказать вероятность того, что капля дождя вымоют частицы из атмосферы.

Ученые проводили эксперименты в группе МТИ «Collection Efficiency Chamber» в трёхметровой стеклянной камере, генерируя отдельные капли с регулируемыми скоростью и размером. Когда капли падали, исследователи закачивали в камеру аэрозольные частицы и измеряли скорость, с которой капли и аэрозоли соединялись.

Благодаря полученным измерениям они рассчитали коагулятивную эффективность дождя – способность капли впитывать частицы, когда она падает. В целом, было обнаружено, что меньшие капли лучше впитывают загрязняющие воздух вещества. Благоприятствуют коагуляции также условия низкой относительной влажности воздуха.

По словам Дэна Цзицзо (Dan Cziczo), доцента атмосферной химии в МТИ, новые результаты, опубликованные в августовском журнале «Атмосферная химия и физика» 2015 года, на сегодняшний день являются наиболее точными данными о коагуляции. Эти данные, говорит учёный, можно экстраполировать, чтобы определить потенциал дождя в поглощении различного спектра частиц в разных экологических условиях.

«Скажем, вы хотите выяснить, как облака в Бостоне очищает атмосферу по сравнению с облаками над Чикаго, которые находятся гораздо выше. Мы хотим сделать это с помощью созданных нами расчётов эффективности коагуляции, – говорит Цзицзо. –  Этот анализ может способствовать решению таких вопросов, как качество воздуха, здоровье населения, а также последствия воздействия облаков на климат».

Соавторами доклада являются научный сотрудник Карин Ардон-Драйер (Karin Ardon-Dryer) и бывший научный сотрудник Яй-Вэнь Хуанг (Yi-Wen Huang).

Группа Цзицзо моделирует взаимодействие дождя и аэрозолей в лаборатории, опираясь на опыт предшественников. За последние десятилетия другие учёные также строили камеры для отслеживания коагуляции. Но исследователи Массачусетского технологического института обнаружили, что электрический заряд капель играет большую роль в привлечении частиц, поэтому Цзицзо и его коллеги начали менять заряды капель и частиц, чтобы ускорить процесс коагуляции.

«Вот где у нас, как у учёных, начали появляться неприятности, – говорит Цзицзо об исследовании. –  Чтобы процесс действительно заработал, мы проводили его в пространстве, отличающемся от атмосферного».

В результате исследователи стали свидетелями гораздо большего количества коагулятивных процессов. Однако, результаты базировались на электрических зарядах, которые были гораздо мощнее тех, что наблюдались в атмосфере.

«В некоторых случаях мы использовали в 10 или 100 раз больше энергии, что в природе можно наблюдать лишь в разгар сильнейшей грозы», – говорит Цзицзо.

Эксперименты, по словам ученого, существенно завышают очистные эффекты дождя.

Уменьшение заряда капли

Чтобы получить более точную картину коагуляции, группа Цзицзо построила новую камеру с генератором отдельных капель (прибор, который можно откалибровать для создания отдельных капель определённого размера, частоты и заряда). Как правило, генераторы капель слишком сильно заряжают капли. Чтобы создать электрические заряды, которые капли на самом деле имеют в атмосфере, команда использовала небольшой источник радиации, который отбирал малое количество заряда каждой капли.

Затем команда закачивала в нижнюю часть камеры аэрозольные частицы определённого размера. Когда капли падали на пол, они испарялись, оставляя только соль и, если коагуляция состоялась, аэрозоли. Остаточные частицы затем прокачивали через спектрометр, который определял, могут ли соли, а значит и капли, поглощать аэрозоли.

Исследователи провели несколько экспериментов, варьируя относительную влажность в камере, а также размеры капель и их частоту. Они рассчитали эффективность коагуляции для каждого запуска и обнаружили, что мелкие капли чаще впитывают аэрозоли, особенно в условиях низкой относительной влажности.

В конечном счёте, по словам Цзицзо, лучшее понимание взаимодействия частиц аэрозолей и капель поможет учёным ясно понять траекторию изменения климата. Ведь одним из основных факторов неопределённости в прогнозах относительно глобального потепления является то, как парниковые газы влияют на образование облаков. Поскольку облака играют важную роль в регулировании климата Земли, влияют на то, сколько тепла поглощается или испаряется, Дэн Цзицзо убеждён, что нам крайне важно понять связь между каплями воды в облаке и частицами в атмосфере.

«Этого типа данных не хватает в научной литературе; он должен улучшить модели, воспроизводящие впитывание облаками и каплями тумана аэрозольных частиц, – говорит Маргарет Толберт (Margaret Tolbert), профессор химии и биохимии в университете Колорадо, которая не принимала участия в исследовании. –  Улучшение понимания микрофизики аэрозоля, в конечном счёте, помогает спрогнозировать изменения качества воздуха и климата, поскольку эти взвеси являются определяющими для обоих».

Данное исследование финансировалось, в частности, за счёт Национального управления океанических и атмосферных исследований.

 

 

  • 11.03.2017


Комментарии