Том 36, номер 11, статья № 3

Аннотация:

Исследована временная изменчивость микрофизических параметров пиролизного дыма, восстановленных при обращении характеристик аэрозольного рассеяния и ослабления. В дымовом аэрозоле, полученном в результате термического разложения древесины сосны в режиме низкотемпературного пиролиза в Большой аэрозольной камере ИОА СО РАН, проведены измерения поляризационных индикатрис рассеяния и спектральных коэффициентов ослабления. С помощью разработанного алгоритма обращения данных оптических измерений восстановлены микроструктура и комплексный показатель преломления пиролизного дыма. В качестве анализируемых параметров микроструктуры рассматривались объемная концентрация и средний радиус частиц с разделением на субмикронную и грубодисперсную фракции. Исследована временная изменчивость микрофизических параметров дымового аэрозоля в течение 65 ч. Установлено, что вещественная часть показателя преломления находится в окрестности n = 1,55, мнимая часть заключена в интервале 0,007 < k < 0,009. Средний радиус субмикронных частиц изменяется в узком диапазоне 0,137–0,146 мкм. В процессе старения дыма средний радиус частиц суммарного ансамбля монотонно возрастал от 0,19 до 0,6 мкм преимущественно за счет относительного увеличения содержания грубодисперсного аэрозоля. Данные о комплексном показателе преломления и размерах дымовых частиц важны для оценки радиационного форсинга аэрозоля, совершенствования климатических моделей и алгоритмов оптического дистанционного зондирования.

Ключевые слова:

пиролизный дым, поляризационная спектронефелометрия, коэффициент ослабления, обратная задача, параметры микроструктуры, комплексный показатель преломления

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Кондратьев К.Я., Григорьев Ал.А. Лесные пожары как компонент природной экодинамики // Оптика атмосф. и океана. 2004. Т. 17, № 4. С. 279–292.
2. Карта пожаров. URL: https//fires.ru (дата обращения: 25.09.23).
3. National Interagency Fire Center (NIFC), Fire Information – Wildland Fire Statistics (2022). URL: https: // www.nifc.gov / fire-information / statistics / wildfires (last access: 25.09.23).
4. Zhang Y.-H., Wooster M.J., Tutubalina O., Perry G.L.W. Monthly burned area and forest fire carbon emission estimates for the Russian Federation from SPOT VGT // Remote Sens. Environ. 2003. V. 87, N 1. P. 1–15. DOI: 10.1016/S0034-4257(03)00141-X.
5. Witte J.C., Douglass A.R., da Silva A., Torres O., Levy R., Duncan B.N. NASA A-Train and Terra observations of the 2010 Russian wildfires // Atmos. Chem. Phys. 2011. V. 11. P. 9287–9301. DOI: 10.5194/acp-11-9287-2011.
6. Антохин П.Н., Аршинова В.Г., Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Белан С.Б., Воронецкая Н.Г., Головко А.К., Давыдов Д.К., Ивлев Г.А., Козлов А.В., Козлов А.С., Малышкин С.Б., Певнева Г.С., Рассказчикова Т.М., Савкин Д.Е., Симоненков Д.В., Скляднева Т.К., Толмачев Г.Н., Фофонов А.В. Органический аэрозоль в атмосфере Сибири и Арктики. Ч. 3. Продукты лесных пожаров // Оптика атмосф. и океана. 2017. Т. 30, № 9. С. 740–749. DOI: 10.15372/AOO20170903.
7. Shi Y.R., Levy R.C., Eck T.F., Fisher B., Mattoo S., Remer L.A., Slutsker I., Zhang J. Characterizing the 2015 Indonesia fire event using modified MODIS aerosol retrievals // Atmos. Chem. Phys. 2019. V. 19. P. 259–274. DOI: 10.5194/acp-19-259-2019.
8. Andreae M.O. Emission of trace gases and aerosols from biomass burning – an updated assessment // Atmos. Chem. Phys. 2019. V. 19. P. 8523–8546. DOI: 10.5194/acp-19-8523-2019.
9. Fuzzi S., Baltensperger U., Carslaw K., Decesari S., Denier van der Gon H., Facchini M.C., Fowler D., Koren I., Langford B., Lohmann U., Nemitz E., Pandis S., Riipinen I., Rudich Y., Schaap M., Slowik J.G., Spracklen D., Vignati E., Wild M., Williams M., Gilardoni S. Particulate matter, air quality and climate: Lessons learned and future needs // Atmos. Chem. Phys. 2015. V. 15. P. 8217–8299. DOI: 10.5194/acp-15-8217-2015.
10. Boucher O., Randall D., Artaxo P., Bretherton C., Feingold G., Forster P., Kerminen V.-M., Kondo Y., Liao H., Lohmann U., Rasch P., Satheesh S.K., Sherwood S., Stevens B., Zhang X.Y. Clouds and aerosols // Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change / T.F. Stocker, D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex, P.M. Midgley (eds.). Cambridge: Cambridge University Press, 2014. P. 571–657. DOI: 10.1017/CBO9781107415324.
11. Zhang J., Reid J.S., Christensen M., Benedetti A. An evaluation of the impact of aerosol particles on weather forecasts from a biomass burning aerosol event over the midwestern United States: Observational-based analysis of surface temperature // Atmos. Chem. Phys. 2016. V. 16. P. 6475–6494. DOI: 10.5194/acp-16-6475-2016.
12. Reid J.S., Koppmann R., Eck T.F., Eleuterio D.P. A review of biomass burning emissions part II: Intensive physical properties of biomass burning particles // Atmos. Chem. Phys. 2005. V. 5. P. 799–825. DOI: 10.5194/acp-5-799-2005.
13. Bond T.C., Doherty S.J., Fahey D.W., Forster P.M., Berntsen T., DeAngelo B.J., Flanner M.G., Ghan S., Kaercher B., Koch D., Kinne S., Kondo Y., Quinn P.K., Sarofim M.C., Schultz M.G., Schulz M., Venkataraman C., Zhang H., Zhang S., Bellouin N., Guttikunda S.K., Hopke P.K., Jacobson M.Z., Kaiser J.W., Klimont Z., Lohmann U., Schwarz J.P., Shindell D., Storelvmo T., Warren S.G., Zender C.S. Bounding the role of black carbon in the climate system: A scientific assessment // J. Geophys. Res.: Atmos. 2013. V. 118. P. 5380–5552. DOI: 10.1002/jgrd.50171.
14. Zanatta M., Gysel M., Bukowiecki N., Müller T., Weingartner E., Areskoug H., Fiebig M., Yttri K.E., Mihalopoulos N., Kouvarakis G., Beddows D., Harrison R.M., Cavalli F., Putaud J.P., Spindler G., Wiedensohler A., Alastuey A., Pandolfi M., Sellegri K., Swietlicki E., Jaffrezo J.L., Baltensperger U., Laj P. A European aerosol phenomenology-5: Climatology of black carbon optical properties at 9 regional background sites across Europe // Atmos. Environ. 2016. V. 145. P. 346–364. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2016.09.035.
15. Feng Y., Ramanathan V., Kotamarthi V.R. Brown carbon: A significant atmospheric absorber of solar radiation? // Atmos. Chem. Phys. 2013. V. 13. P. 8607–8621. DOI: 10.5194/acp-13-8607-2013.
16. Bond T.C., Bergstrom R.W. Light absorption by carbonaceous particles: An investigative review // Aerosol Sci. Technol. 2006. V. 40. P. 27–67. DOI: 10.1080/02786820500421521.
17. Andreae M.O., Rosenfeld D. Aerosol–cloud–precipitation interactions. Part 1. The nature and sources of cloud-active aerosols // Earth-Science Rev. 2008. V. 89, N 1–2. P. 13–41. DOI: 10.1016/j.earscirev.2008.03.001.
18. WHO: Air quality guidelines. Global update 2005. Particulate matter, ozone, nitrogen dioxide and sulfur dioxide. World Health Organization, 2006. URL: https://www.euro.who.int/_data/assets/pdf_file/0005/78638/E90038.pdf.
19. WHO: Health effects of particulate matter. Policy implications for countries in Eastern Europe, Caucasus and central Asia. World Health Organization, 2013. URL: http://www.euro.who.int/en/health-topics/environment-and-health/air-quality/publications/.
20. Reid J.S., Eck T.F., Christopher S.A., Koppmann R., Dubovik O., Eleuterio D.P., Holben B.N., Reid E.A., Zhang J. A review of biomass burning emissions part III: Intensive optical properties of biomass burning particles // Atmos. Chem. Phys. 2005. V. 5. P. 827–849. DOI: 10.5194/acp-5-827-2005.
21. Chubarova N., Nezval' Ye., Sviridenkov I., Smirnov A., Slutsker I. Smoke aerosol and its radiative effects during extreme fire event over Central Russia in summer 2010 // Atmos. Meas. Tech. 2012. V. 5. P. 557–568. DOI: 10.5194/amt-5-557-2012.
22. Горчакова И.А., Мохов И.И. Радиационный и температурный эффекты дымового аэрозоля в Московском регионе в период летних пожаров 2010 г. // Изв. РАН. Физ. атмосф. и океана. 2012. Т. 48, № 5. С. 496–503.
23. Скляднева Т.К., Белан Б.Д., Аршинов М.Ю. Радиационный режим г. Томска в условиях дымной мглы // Оптика атмосф. и океана. 2015. Т. 28, № 3. С. 215–222.
24. Журавлева Т.Б., Панченко М.В., Козлов В.С., Насртдинов И.М., Полькин В.В., Терпугова С.А., Чернов Д.Г. Модельные оценки динамики вертикальной структуры поглощения солнечного излучения и температурных эффектов в фоновых условиях и экстремально задымленной атмосфере по данным самолетных наблюдений // Оптика атмосф. и океана. 2017. Т. 30, № 10. С. 834–839; Zhuravleva T.B., Panchenko M.V., Kozlov V.S., Nasrtdinov I.M., Pol’kin V.V., Terpugova S.A., Chernov D.G. Model estimates of dynamics of the vertical structure of solar absorption and temperature effects under background conditions and in extremely smoke-laden atmosphere according to data of aircraft observations // Atmos. Ocean. Opt. 2018. V. 31, N 1. P. 25–30. DOI: 10.1134/S1024856018010153.
25. Панченко М.В., Журавлева Т.Б., Козлов В.С., Насртдинов И.М., Полькин В.В., Терпугова С.А., Чернов Д.Г. Оценка радиационных эффектов аэрозоля в фоновых и задымленных условиях атмосферы Сибири на основе эмпирических данных // Метеорол. и гидрол. 2016. № 2. С. 45–54.
26. Zhuravleva T.B., Kabanov D.M., Nasrtdinov I.M., Russkova T.V., Sakerin S.M., Smirnov A., Holben B.N. Radiative characteristics of aerosol during extreme fire event over Siberia in summer 2012 // Atmos. Meas. Tech. 2017. V. 10. P. 179–198. URL: http://dx.doi.org/10.5194/amt-10-179-2017.
27. Zhuravleva T.B., Nastrdinov I.M., Konovalov I.B., Golovushkin N.A., Beekmann M. Impact of the atmospheric photochemical evolution of the organic component of biomass burning aerosol on its radiative forcing efficiency: A box model analysis // Atmosphere. 2021. V. 12, N 12. P. 1555. DOI: 10.3390/atmos12121555.
28. Chand D., Schmid O., Gwaze P., Parmar R.S., Helas G., Zeromskiene K., Wiedensohler A., Massling A., Andreae M.O. Laboratory measurements of smoke optical properties from the burning of Indonesian peat and other types of biomass // Geophys. Res. Lett. 2005. V. 32. P. L12819. DOI: 10.1029/2005GL022678.
29. Andreae M.O., Gelencsér A. Black carbon or brown carbon? The nature of light-absorbing carbonaceous aerosols // Atmos. Chem. Phys. 2006. V. 6. P. 3131–3148. DOI: 10.5194/acp-6-3131-2006.
30. Chen Y., Bond T.C. Light absorption by organic carbon from wood combustion // Atmos. Chem. Phys. 2010. V. 10, N 4. P. 1773–1787. DOI: 10.5194/acp-10-1773-2010.
31. Chakrabarty R.K., Moosmüller H., Chen L.-W.A., Lewis K., Arnott W.P., Mazzoleni C., Dubey M.K., Wold C.E., Hao W.M., Kreidenweis S.M. Brown carbon in tar balls from smoldering biomass combustion // Atmos. Chem. Phys. 2010. V. 10, N 13. P. 6363–6370. DOI: 10.5194/acp-10-6363-2010.
32. Chakrabarty R.K., Gyawali M., Yatavelli R.L.N., Pandey A., Watts A.C., Knue J., Chen L.-W.A., Pattison R.R., Tsibart A., Samburova V., Moosmüller H. Brown carbon aerosols from burning of boreal peatlands: Microphysical properties, emission factors, and implications for direct radiative forcing // Atmos. Chem. Phys. 2016. V. 16, N 5. P. 3033–3040. DOI: 10.5194/acp-16-3033-2016.
33. Sumlin B.J., Heinson Yu.W., Shetty N., Pandey A., Pattison R.S., Baker S., Hao W.M., Chakrabarty R.K. UV–Vis–IR spectral complex refractive indices and optical properties of brown carbon aerosol from biomass burning // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2018. V. 206. P. 392–398. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2017.12.009.
34. Sumlin B.J., Pandey A., Walker M.J., Pattison R.S., Williams B.J., Chakrabarty R.K. Atmospheric photooxidation diminishes light absorption by primary brown carbon aerosol from biomass burning // Environ. Sci. Tech. Lett. 2017. V. 4, N 12. P. 540–545.
35. Рахимов Р.Ф., Макиенко Э.В., Панченко М.В., Козлов В.С., Шмаргунов В.П. Изменение микроструктуры древесных дымов в малогабаритной аэрозольной камере под воздействием различных факторов // Оптика атмосф. и океана. 2003. Т. 16, № 4. С. 337–346.
36. Рахимов Р.Ф., Козлов В.С., Макиенко Э.В. Некоторые особенности формирования дисперсной структуры дымовых аэрозолей при термическом разложении хвойной древесины. 1. Вариации массы сжигаемых образцов // Оптика атмосф. и океана. 2008. Т. 21, № 3. С. 218–222.
37. Козлов В.С., Рахимов Р.Ф., Шмаргунов В.П. Изменчивость конденсационных свойств смешанного дыма горения биомассы на различных стадиях его эволюции // Оптика атмосф. и океана. 2017. Т. 30, № 10. С. 846–855; Kozlov V.S., Rakhimov R.F., Shmargunov V.P. Variations in condensation properties of mixed smoke from biomass burning at different smoke evolution stages // Atmos. Ocean. Opt. 2018. V. 31, N 1. P. 9–18. DOI: 10.1134/S1024856018010086.
38. Рахимов Р.Ф., Макиенко Э.В. Некоторые методические дополнения к решению обратной задачи для восстановления параметров дисперсной структуры дымов смешанного состава // Оптика атмосф. и океана. 2010. Т. 23, № 3. С. 183–189; Rakhimov R.F., Makienko E.V. Some methodic additions to the solution of the inverse problem for the reconstruction of the parameters of the disperse structure of mixed smokes // Atmos. Ocean. Opt. 2010. V. 23, N 4. P. 259–265.
39. Ужегов В.Н., Ростов А.П., Пхалагов Ю.А. Автоматизированный трассовый фотометр // Оптика атмосф. и океана. 2013. Т. 26, № 7. С. 590–594.
40. Kozlov V.S., Konovalov I.B., Uzhegov V.N., Chernov D.G., Pol’kin Vas.V., Zenkova P.N., Yausheva E.P., Shmargunov V.P., Dubtsov S.N. Dynamics of optical-microphysical characteristics of smokes from Siberian wildfires in the big aerosol chamber at the stages of smoke generation and ageing // Proc. SPIE. 2020. V. 11560. P. 1156046. DOI: 10.1117/12.2575499.
41. Щелканов Н.Н. Методы вычисления случайных погрешностей параметров окружающей среды из экспериментальных данных // Оптика атмосф. и океана. 2012. Т. 25, № 9. С. 815–821.
42. Веретенников В.В. Совместное определение микроструктуры и показателя преломления аэрозоля по данным солнечной фотометрии // Оптика атмосф. и океана. 2007. Т. 20, № 3. С. 214–221; Veretennikov V.V. Simultaneous determination of aerosol microstructure and refractive index from sun photometry data // Atmos. Ocean. Opt. 2007. V. 20, N 3. P. 192–199.
43. Веретенников В.В., Меньщикова С.С., Ужегов В.Н. Изменчивость параметров микроструктуры приземного аэрозоля в летний сезон по результатам обращения измерений спектрального ослабления света на горизонтальной трассе в Томске. Часть I. Геометрическое сечение субмикронных и грубодисперсных частиц // Оптика атмосф. и океана. 2018. Т. 31, № 11. С. 857–866; Veretennikov V.V., Men’shchikova S.S., Uzhegov V.N. Variability in parameters of the near-surface aerosol microstructure in summer according to results of inversion of measurements of spectral extinction of light on a horizontal path in Tomsk: Part I – Geometrical cross section of fine and coarse particles // Atmos. Ocean. Opt. 2019. V. 32, N 2. P. 128–137. DOI: 10.1134/S1024856019020155.
44. Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами. М.: Мир, 1971. 165 с.
45. Фукс Н.А. Механика аэрозолей. М.: Изд-во АН СССР, 1955. 351 с.
46. Seinfeld J.H., Pandis S.N. Atmospheric Chemistry and Physics. From Air Pollution to Climate Change. Hoboken, New Jersey: John Wiley & Sons Inc., 2016. 1149 p.