Взаимосвязь изменения температуры воздуха и оптической толщины аридного аэрозоля по данным AERONET

ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН ______________________________________2011, том 54, №12____________________________________

ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ

УДК 551.521.3, 551.5S3

С.Ф.Абдуллаев, Б.И.Назаров, Т.Х.Салихов*, В.А.Маслов, У.Мадвалиев

ВЗАИМОСВЯЗЬ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ВОЗДУХА И ОПТИЧЕСКОЙ ТОЛЩИНЫ АРИДНОГО АЭРОЗОЛЯ ПО ДАННЫМ AERONET

Физико-технический институт им.С.У.Умарова АН Республики Таджикистан, Таджикский национальный университет

Выполнен анализ оптических свойств аридного аэрозоля пылевой мглы («афганца») 23 -25 августа 2010 года, согласно данным автоматической системы АЭРОНЕТ. Исследована корреляция температуры приземного слоя атмосферы с оптической толщиной аэрозоля пылевой мглы. Обнаружено, что эта зависимость проходит через пологий максимум.

Ключевые слова: аэрозоль - пылевые бури - оптическая толщина - температура воздуха.

Природные катаклизмы последних лет со всей очевидностью показывают необходимость всестороннего исследования широкого спектра физических свойств и химического состава атмосферного аэрозоля. Это позволит своевременно прогнозировать появление новых климатических аномалий, которые могут привести к локальным и глобальным экологическим катастрофам на нашей планете. Большая концентрация аэрозоля в атмосфере является одной из причин, порождающих крупномасштабные аномалии климата и характеристик атмосферы. В этой связи систематическое и комплексное экспериментальное изучение характеристик аэрозольного загрязнения атмосферы становится чрезвычайно важным. Пылевая мгла, или «афганец», который на протяжении около десяти дней ежегодно появляется над территорией юга Таджикистана, включая Гиссарскую долину и г. Душанбе, предоставляет своеобразные уникальные возможности для исследования этих характеристик. Очередное вторжение пылевой мглы на территорию юга Таджикистана, через Термез - Айвадж, произошло 23-25 августа 2010 г. Целью настоящей работы является установление взаимосвязи между изменением дневной температуры и оптической толщиной аридного аэрозоля, измеренной c помощью автоматической системы AERONET.

Станция всемирной автоматической системы AERONET включает в себя солнечный спектрофотометр, который одновременно измеряет и обрабатывает девять параметров атмосферы, включая приземную температуру и оптическую толщину т(Л) = ln[I0(А)/1(А)], где I0 (А) и I(А) -спектральные интенсивности падающего на атмосферу Земли и прошедшего до её поверхности светового потока на длине волны А) на семи длинах волн в диапазоне 340-1020 нм. С 5 июля 2010 г. такая система функционирует в лаборатории физики атмосферы ФТИ им С.У.Умарова АН РТ и ниже приводятся первые результаты, полученные с её помощью. На рис.1а показаны значения т(А) за ав-

Адрес для корреспонденции: Абдуллаев Сабур Фузайлович. 734063, Республика Таджикистан, г. Душанбе, ул.Айни, 299/1, Физико-технический институт АН РТ. E-mail: sabur.f.abdullaev@gmail.com

густ, где обнаруживается пик, соответствующий 23-25 августа (к сожалению, по техническим причинам другой пик временной зависимости т(Я), соответствующий началу августа, не удалось зарегистрировать). Усреднённые по каждому дню значения т(Я) за этот же период приведены в табл.1. Временная зависимость изменения оптической толщины т(Я) за 23 августа изображена на рис.1б, где виден её значительный рост до значения 3.5 (при отсутствии «афганца» среднее значение т(Л) < 0.5). Очевидно, что такую же временную динамику имеет и концентрация аэрозоля. На рис.2а приведены среднедневные значения температуры за август.

Т-------------1-------------1------------!------------1----------Г

10 II 12 13 14 15

Рис. 1. Временная зависимость аэрозольной оптической толщины (АОТ) атмосферы при разной длине волн: а) среднедневные значения за август 2010 г.; б) изменение АОТ за 23 августа 2010 г.

Таблица

Средние значения аэрозольной оптической толщины т(Я) и температуры воздуха за август 2010 г.

Дни/ X Т(Х) Т,С

340нм 440 нм 500 нм 675 нм 870 нм 1020 нм 30.78

1 0.252 0.201 0.191 0.156 0.157 0.134 30.70

2 0.466 0.406 0.392 0.353 0.35 0.333 26.17

3 - - - - - - 25.53

4 - - - - - - 30.93

5 0.33 0.275 0.261 0.223 0.224 0.202 31.55

6 0.53 0.405 0.379 0.287 0.268 0.222 32.38

7 0.464 0.35 0.324 0.251 0.244 0.219 33.10

8 0.447 0.34 0.309 0.232 0.215 0.181 34.05

9 0.419 0.322 0.294 0.225 0.211 0.18 32.80

10 0.414 0.326 0.302 0.235 0.223 0.189 33.15

11 0.424 0.342 0.317 0.25 0.233 0.202 32.10

12 0.523 0.429 0.399 0.315 0.289 0.251 31.20

13 0.857 0.734 0.679 0.533 0.463 0.402 30.60

14 0.616 0.523 0.4 0.383 0.34 0.294 31.53

15 0.481 0.41 0.386 0.315 0.291 0.258 31.35

16 0.46 0.396 0.378 0.318 0.301 0.269 31.07

17 0.42 0.354 0.334 0.272 0.255 0.223 32.23

18 0.446 0.37 0.345 0.271 0.247 0.213 32.80

19 0.464 0.39 0.369 0.287 0.261 0.224 33.43

20 0.463 0.389 0.362 0.28 0.25 0.211 32.95

21 0.497 0.418 0.388 0.297 0.261 0.22 33.13

22 0.44 0.366 0.338 0.255 0.225 0.186 27.95

23 2.878 2.803 2.772 2.659 2.601 2.526 25.40

24 1.114 1.089 1.089 1.052 1.036 0.999 26.35

25 0.437 0.41 0.408 0.381 0.379 0.355 27.65

26 0.502 0.461 0.453 0.417 0.413 0.388 29.43

27 0.33 0.298 0.294 0.266 0.267 0.243 30.08

28 0.539 0.507 0.503 0.47 0.474 0.434 30.25

29 0.547 0.495 0.483 0.438 0.427 0.398 29.75

30 0.521 0.464 0.449 0.401 0.391 0.361 30.50

31 0.484 0.424 0.41 0.362 0.354 0.327 30.75

Сравнивая рис.1а. и данные таблицы с рис.2а чётко обнаруживаем корреляцию между температурой и величиной АОТ т(Я), а именно: нагрев приземного слоя при малых концентрациях аэрозоля (аэрозоль вносит вклад в парниковый эффект) и охлаждение приземного слоя воздуха с дальнейшим ростом оптической толщины аэрозоля и его концентрации (антипарниковый эффект аэрозоля). Наличие данных системы ЛЕЯОКЕТ позволяет количественно определить корреляцию темпера-

туры приземного слоя и аэрозольной оптической толщины т(Я). Чтобы визуализировать эту корреляцию, надо изобразить на одном графике значения температуры и относящиеся к тому же времени измерения значения аэрозольной оптической толщины. На рис. 2б показана зависимость, при которой значения т(Я) соответствуют длине волны Я — 0.5 мкм. Видно, что зависимость имеет пологий максимум в области т(Я) < 2.5 . Определение положения максимума является весьма важным и, по-видимому, соответствует критическому значению концентрации аэрозоля, при которой происходит переход от парникового к антипарниковому аэрозольному эффекту.

0 1 2 3 4 5

Рис. 2. а) среднедневная температура за август 2010 г.; б) зависимость температуры приземного слоя от аэрозольной оптической толщины атмосферы на длине волны Я — 0.50 мкм, согласно данным системы

АЭРОНЕТ.

Для выявления особенностей динамики аэрозольного температурного эффекта в приземном слое на рис.3а изображено изменение температуры воздуха в течение двух пыльных дней - ТАЭ и за

предыдущий ясный день - Т, когда «афганец» отсутствовал. Результаты вычисления разницы тем-

ператур АТ = ТАЭ - Т0 (рис.Зб) для этих дней показали, что максимальное охлаждение воздуха составляло около 10 градусов и соответствовало вечернему времени. До этого времени происходило сильное ослабление падающего солнечного излучения пылевым аэрозолем. После прекращения сильного солнечного нагрева разница температуры запылённого и чистого воздуха уменьшалась за счёт теплообмена между нагретыми частицами аэрозоля и воздухом и последующим переносом тепла в приповерхностные слои воздуха. Конвективный ночной перенос тепла от поверхности почвы замедлялся пониженной температурой приповерхностного воздуха, возможно даже инверсионное запирание конвекции.

45 , у 0^1

Рис.3. а) изменение температуры в ясный день (22.08.2010 г.) и в период пыльной мглы (23-24.08.2010 г.); б) разность температур дней с пыльной мглой и в ясный день.

Радиационное ночное охлаждение почвы и приповерхностного слоя воздуха также тормозится экраном из запылённого и нагретого слоя воздуха. Известно, что аэрозоль более прозрачен в ИК-области спектра, чем в видимой, УФ и ближней ИК-области спектра. Для адекватной интерпретации изменения температуры приземного слоя воздуха необходимо знать значения величины т(Л) в инфракрасной части спектра. Как правило, для определения этих величин используется соотношение Ангстрема т(Л)/т(Л) = (Л /Л)а, (а -показатель Ангстрема [5]). Необходимо вначале определить величину а из имеющихся данных по т(Лг-), а затем можно вычислить т(Л) . Сравнение данных

показывает, что в период «афганца» отношения т0 5 / Т 02 ~ 109 были довольно малы, в то время как в ясную погоду эта величина менялась в более широких пределах 1.097 <т5 / Т 02 < 1.7. Отсюда

следует, что наличие аэрозольного слоя в атмосфере существенно увеличивает поглощение в ИК -области спектра. Фактически этот слой превращается в своеобразный оптический экран в инфракрасной области прозрачности атмосферы (7-10 мкм) как для поступающего от Солнца светового потока, так и для теплового излучения поверхности Земли. В результате температура приповерхностного запылённого воздуха ночью оказывается выше, чем чистого [6].

Таким образом, за счёт запирания конвективного и радиационного механизмов теплообмена при образовании сильно запылённого аэрозольного слоя температура приземного слоя атмосферы нелинейным образом зависит от концентрации частиц аэрозоля и их оптических свойств. В результате этого может проявиться как парниковый, так и антипарниковый эффект.

Настоящая работа выполнена при поддержке Международного научно-технического центра (проект Т-1688).

Поступило 29.12.2010 г.

ЛИТЕРАТУРА

1. Зуев В.Н, Титов Г.А. Оптика атмосферы и климат. - Томск: «Спектр», 1996, 272 с.

2. Будыко М.И, Голицын Г.С., Израэль Ю.А. Глобальные климатические катастрофы. - М.: Гидроме-теоиздат, 1986, 160 с.

3. Голицын Г.С., Шукуров А.Х. - ДАН СССР, 1987, т.297, №6, с.1334-1337.

4. Назаров Б.И., Голицын Г.С., Абдуллаев С.Ф. и др. - ДАН РТ, 1999, т.42, №10, с.59-63.

5. Назаров Б.И., Маслов В.А., Абдуллаев С.Ф.- Изв. РАН, сер. «Физика атмосферы и океана» 2010, т. 46, № 4, с. 505-511.

6. Назаров Б.И., Абдуллаев С.Ф., Маслов В.А. - Изв. РАН, сер. «Физика атмосферы и океана», 2010, т. 46, № 4, с. 512-518.

С.Ф.Абдуллаев, Б.И.Назаров, ТД.Салихов*, В.А.Маслов, У.Мадвалиев

БОХАМАЛОЦАМАНДИИ ^АРОРАТИ АТМОСФЕРА ВА ГАФСИИ ОПТИКИИ АЭРОЗОЛИ МИНТАЦАИ ХУШК МУВОФИКИ МАЪЛУМОТИ СИСТЕМАИ АЕРОНЕТ

Институти физикаю техникаи ба номи С.У.Умарови Академияи илм^ои Цум^урии Тоцикистон,

*Донишго%и миллии Тоцикистон

Хосиятх,ои оптикии аэрозоли минтакаи хушки чанги «афгон»-й рузх,ои 23-25 августи соли 2010 дар асоси маълумотх,ои системаи автоматикунонидашудаи АЭРОНЕТ та^лил карда шудааст. Бохдмвобастагии хдрорати кабати наздизаминии атмосфера бо гафсии оптикии аэрозоли ин чанг омухта ва мукарар карда шудааст, ки ин вобастагй максимуми хдмвор дорад. Калима^ои калиди: аэрозоль - туфони чанги - гафсии оптики -уарорати %аво.

S.F.Abdullaev, B.I.Nazarov, T.Kh.Salikhov*, V.A.Maslov, U.Madvaliev RELATION OF AIR TEMPERATURE VARIATION AND OPTICAL THICKNESS OF ARID AEROSOL ACCORDING DATA AN AERONET SYSTEM

S.U. Umarov Physical-Technical Institute, Academy of Sciences of the Republic of Tajikistan,

*Tajik National University

The analysis of optical properties arid an aerosol of a dust storms ("Afghan") on August, 23rd-25, 2010 the according the data of the automatic system AERONET has been done. Correlation of temperature of a ground layer of atmosphere with optical thickness of an aerosol of dust storms is investigated and is found out that this dependence passes through a flat maximum.

Key words: aerosol - dust storms - optical thickness - temperature of air.