Том 33, номер 06, статья № 8

Береснев С. А., Васильева М. С. Гипотеза о вулканогенной саже и возможности ее наблюдательного подтверждения. // Оптика атмосферы и океана. 2020. Т. 33. № 06. С. 463–470. DOI: 10.15372/AOO20200608.
Скопировать ссылку в буфер обмена
Аннотация:

Обсуждается предложенная ранее (Зуев и др., 2014) гипотеза о возможности образования нанодисперсных частиц черного углерода в эруптивной колонне вулканического извержения с индексом вулканической взрывности VEI ³ 4. Анализируются вероятные характеристики частиц вулканогенной сажи и их отличия от стратосферных частиц черного углерода другого происхождения. Выполнен краткий обзор пригодных инструментальных методик обнаружения частиц. Приведены наблюдательные факты о возможном обнаружении частиц вулканогенной сажи ранее. Предложена идея проведения комплексного эксперимента для наблюдательного подтверждения гипотезы.

Ключевые слова:

стратосфера, черный углерод, плинианское извержение, вулканогенная сажа

Иллюстрации:
Список литературы:

1. Kremser S., Thomason L.W., von Hobe M., Hermann M., Deshler T., Timmreck C., Toohey M., Stenke A., Schwarz J.P., Weigel R., Fueglistaler S., Prata F.J., Vernier J-P., Schlager H, Barnes J.E., Antuña-Marrero J-C., Fairlie D., Palm M., Mahieu E., Notholt J., Rex M., Bingen C., Vanhellemont F., Bourassa A., John M.C., Plane J.M.C., Klocke D., Carn C.A., Clarisse L., Trickl T., Neely R., James A.D., Rieger L., Wilson J.C., Meland B. Stratospheric aerosol – observations, processes, and impact on climate // Rev. Geophys. 2016. V. 54. P. 278–335. DOI: 10.1002/2015RG000511.
2. Зуев В.В., Зуева Н.Е., Куценогий П.К., Савельева Е.С. Вулканогенный нанодисперсный углеродный аэрозоль в стратосфере // Химия в интер. уст. разв. 2014. Т. 22. С. 83–88.
3. Зуев В.В., Зуева Н.Е., Савельева Е.С., Шелехов А.П., Шелехова Е.А. О роли вулканогенного разогрева тропической стратосферы в формировании очагов тепла в арктических регионах // Оптика атмосф. и океана. 2014. Т. 27, № 1. С. 69–74; Zuev V.V., Zueva N.E., Savel’eva E.S., Shelekhov A.P., Shelekhova E.A. The role of volcanic heating of the tropical stratosphere in formation of heat centers in the Arctic regions // Atmos. Ocean. Opt. 2014. V. 27, N 3. P. 262–267.
4. Зуев В.В., Зуева Н.Е., Савельева Е.С. Температурные и озоновые аномалии как индикаторы вулканогенной сажи в стратосфере // Оптика атмосф. и океана. 2014. Т. 27, № 8. С. 698–704; Zuev V.V., Zueva N.E., Saveljeva E.S. Temperature and ozone anomalies as indicators of volcanic soot in the stratosphere // Atmos. Ocean. Opt. 2015. V. 28, N 1. P. 100–106.
5. Zuev V.V., Zueva N.E., Savelieva E.S., Gerasimov V.V. Plinian eruptions as a potential source of black carbon in the stratosphere // Proc. SPIE. 2019. V. 11208. DOI: 10.1117/12.2535585.
6. Sigurdsson H., Houghton B., McNutt S.R., Rymer H., Stix J. The Encyclopedia of Volcanoes. London: Academic Press, 2015. P. 519–534.
7. Зуев В.П., Михайлов В.В. Производство сажи. М.: Химия, 1965. 328 с.
8. Суровикин В.Ф. Современные тенденции развития методов и технологии получения нанодисперсных углеродных материалов // Рос. хим. журн. 2007. Т. LI, № 4. С. 92–97.
9. Ess M.N., Vasilatou K. Characterization of a new miniCAST with diffusion flame and premixed flame options: Generation of particles with high EC content in the size range 30 nm to 200 nm // Aerosol Sci. Technol. 2019. V. 53, N 1. P. 29–44. DOI: 10.1080/02786826.2018.1536818.
10. Береснев С.А., Васильева М.С., Грязин В.И., Кочнева Л.Б. Фотофорез фрактало-подобных агрегатов сажи: микрофизическая модель, сравнение с экспериментом и возможные атмосферные проявления // Оптика атмосф. и океана. 2017. Т. 30, № 6. С. 457–462. DOI: 10.15372/AOO20170602; Beresnev S.A., Vasil’eva M.S., Gryazin V.I., Kochneva L.B. Photophoresis of fractal-like soot aggregates: Microphysical model, comparison with experiment, and possible atmospheric manifestations // Atmos. Ocean. Opt. 2017. V. 30, N 6. P. 527–532.
11. Береснев С.А., Грязин В.И., Грибанов К.Г. Анализ характеристик вертикального ветра в стратосфере // Метеорол. и гидрол. 2009. Т. 34, № 11. С. 37–47.
12. Gryazin V.I., Beresnev S.A. Influence of vertical wind on stratospheric aerosol transport // Meteorol. Atmos. Phys. 2011. V. 110. N 3–4. P. 151–162. DOI: 10.1007/s00703-010-0114-8.
13. Renard J.-B., Brogniez C., Berthet G., Bourgeois Q., Gaubicher B., Chartier M., Balois J.-Y., Verwaerde C., Auriol F., Francois P., Daugeron D., Engrand C. Vertical distribution of the different types of aerosols in the stratosphere: Detection of solid particles and analysis of their spatial variability // J. Geophys. Res. 2008. V. 113, N D21303. DOI: 10.1029/2008JD010150.
14. Renard J.-B., Berthet G., Salazar V., Catoire V., Tagger M., Gaubicher B., Robert C. In situ detection of aerosol layers in the middle stratosphere // Geophys. Res. Lett. 2010. V. 37. DOI: 10.1029/2010GL044307.
15. Renard J.-B., Dulac F., Berthet G., Lurton T., Vignelles D., Jégou F., Tonnelier T., Jeannot M., Couté B., Akik R., Verdier N., Mallet M., Gensdarmes F., Charpentier P., Mesmin S., Duverger V., Dupont J.-C., Elias T., Crenn V., Sciare J., Zieger P., Salter M., Roberts T., Giacomoni J., Gobbi M., Hamonou E., Olafsson H., Dagsson-Waldhauserova P., Camy-Peyret C., Mazel C., Décamps T., Piringer M., Surcin J., Daugeron D. LOAC: A small aerosol optical counter/sizer for ground-based and balloon measurements of the size distribution and nature of atmospheric particles – Part 1: Principle of measurements and instrument evaluation // Atmos. Meas. Tech. 2016. V. 9. P. 1721–1742. DOI: 10.5194/amt-9-1721-2016.
16. Renard J.-B., Dulac F., Berthet G., Lurton T., Vignelles D., Jégou F., Tonnelier T., Jeannot M., Couté B., Akik R., Verdier N., Mallet M., Gensdarmes F., Charpentier P., Mesmin S., Duverger V., Dupont J.-C., Elias T., Crenn V., Sciare J., Zieger P., Salter M., Roberts T., Giacomoni J., Gobbi M., Hamonou E., Olafsson H., Dagsson-Waldhauserova P., Camy-Peyret C., Mazel C., Décamps T., Piringer M., Surcin J., Daugeron D. LOAC: A small aerosol optical counter/sizer for ground-based and balloon measurements of the size distribution and nature of atmospheric particles – Part 2: First results from balloon and unmanned aerial vehicle flights // Atmos. Meas. Tech. 2016. V. 9. P. 3673–3686. DOI: 10.5194/amt-9-3673-2016.
17. Renard J.-B., Berthet G., Levasseur-Regourd A.-C.., Beresnev S., Miffre A., Rairoux P., Vignelles D., Jegon F. The complex origin and spatial distribution of non-pure sulfate particles (NSPs) in the stratosphere // Atmos. Chem. Phys. Discuss. 2019. DOI: 10.5194/acp-2019-904.
18. Pusechel R.F., Blake D.F., Snetsinger K.G., Hansen A.D.A., Verma S., Kato K. Black carbon (soot) aerosol in the lower stratosphere and upper troposphere // Geophys. Res. Lett. 1992. V. 19, N 16. P. 1659– 1662.
19. Sheridan P.J., Brock C.A., Wilson J.C. Aerosol particles in the upper troposphere and lower stratosphere: Elemental composition and morphology of individual particles in northern midlatitudes // Geophys. Res. Lett. 1994. V. 21, N 23. P. 2587–2590.
20. Ebert M., Weigel R., Kandler K., Günther G., Molleker S., Grooß J.-U., Vogel B., Weinbruch S., Borrmann S. Chemical analysis of refractory stratospheric aerosol particles collected within the arctic vortex and inside polar stratospheric clouds // Atmos. Chem. Phys. 2016. V. 16. P. 8405–8421. DOI: 10.5194/acp-16-8405-2016.
21. Murphy D.M., Froyd K.D., Schwarz J.P., Wilson J.C. Observations of the chemical composition of stratospheric aerosol particles // Q. J. R. Meteorol. Soc. 2014. V. 140. P. 1269–1278. DOI: 10.1002/qj.2213.
22. Bahreini R., Jimenez J.L., Wang J., Flagan R.C., Seinfeld J.H., Jayne J.T., Worsnop D.R. Aircraft-based aerosol size and composition measurements during ACE-Asia using an Aerodyne aerosol mass spectrometer // J. Geophys. Res. 2003. V. 108, N D23. P. 8635. DOI: 10.1029/2002JD003226.
23. Gao R.S., Schwarz J.P., Kelly K.K., Fahey D.W., Watts L.A., Thompson T.L., Spackman J.R., Slowik J.G., Cross E.S., Han J.-H., Davidovits P., Onasch T.B., Worsnop D.R. A novel method for estimating light-scattering properties of soot aerosols using a modified single-particle soot photometer // Aerosol Sci. Technol. 2007. V. 41. P. 125–135. DOI: 10.1080/02786820601118398.
24. Baumgardner D., Kok G., Raga G. Warming of the Arctic lower stratosphere by light absorbing particles // Geophys. Res. Lett. 2004. V. 31. L06117. DOI: 10.1029/2003GL018883.
25. Draxler R.R., Hess G.D. An overview of the HYSPLIT_4 modelling system for trajectories, dispersion and deposition // Australian Meteor. Mag. 1998. V. 47, N 4. P. 295–308.
26. Bègue N., Vignelles D., Berthet G., Portafaix T., Payen G., Jégou F., Benchérif H., Jumelet J., Vernier J.-P.,  Lurton T., Renard J.-B., Clarisse L., Duverger V., Posny F., Metzger J.-M., Godin-Beekmann S. Long-range transport of stratospheric aerosols in theSouthern Hemisphere following the 2015 Calbuco eruption // Atmos. Chem. Phys. 2017. V. 17. P. 15019–15036. DOI: 10.5194/acp-17-15019-2017.
27. Jegou F., Berthet G., Brogniez C., Renard J.-B., Francois P., Haywood J.M., Jones A., Bourgeois Q., Lurton T., Auriol F., Godin-Beekmann S., Guimbaud C., Krysztofiak G., Gaubicher B., Chartier M., Clarisse L., Clerbaux C., Balois J.Y., Verwaerde C., Daugeron D. Stratospheric aerosols from the Sarychev volcano eruption in the 2009 Arctic summer // Atmos. Chem. Phys. 2013. V. 13. P. 6533–6552. DOI: 10.5194/acp-13-6533-2013.
28. Chuan R.L., Woods D.C. The appearance of carbon aerosol particles in the lower stratosphere // Geophys. Res. Lett. 1984. V. 11, N 5. P. 553–556.
29. Scott J.D., Chittenden D.M. Chemical composition of particles of d < 0.20 mm in the lower stratospheric aerosol, spring 1993 // J. Arkansas Academy of Sci. 2002. V. 56, N 1. Art. 23.
30. Schütze K., Wilson J.C., Weinbruch S., Benker N., Ebert M., Günther G., Weigel R., Borrmann S. Sub-micrometer refractory carbonaceous particles in the polar stratosphere // Atmos. Chem. Phys. 2017. V. 17. P. 12475–12493. DOI: 10.5194/acp-17-12475-2017.
31. Strawa A.W., Drdla K., Ferry G.V., Verma S., Pueschel R.F., Yasuda M., Salawitch R.J., Gao R.S., Howard S.D., Bui P.T., Loewenstein M., Elkins J.W., Perkins K.K., Cohen R. Carbonaceous aerosol (soot) measured in the lower stratosphere during POLARIS and its role in stratospheric photochemistry // J. Geophys. Res. 1999. V. 104, N D21. P. 26,753–26,766.
32. Blake D.F., Kato K. Latitudinal distribution of black carbon soot in the upper troposphere and lower stratosphere // J. Geophys. Res. 1995. V. 100, N D4. P. 7195–7202.
33. Pueschel R.F., Boering K.A., Verma S., Howard S.D., Ferry G.V., Goodman J., Allen D.A., Hamill P. Soot aerosol in the lower stratosphere: Pole-to-pole variability and contributions by aircraft // J. Geophys. Res. 1997. V. 102, N D11. P. 13,113 – 13,118.
34. Petzold A., Döpelheuer A., Brock C.A., Schroeder F. In situ observations and model calculations of black carbon emission by aircraft at cruise altitude // J. Geophys. Res. 1999. V. 104, N D18. P. 22,171–22,181.