Том 39, номер 06, статья № 3

Аннотация:

Аэрозольные частицы сажи (черного углерода) вносят существенный вклад в нагрев атмосферы за счет эффективного поглощения излучения в широком диапазоне длин волн и наряду с парниковыми газами играют важную роль в климатических изменениях. В настоящей статье представлен критический анализ гипотезы о вулканогенной саже в стратосфере (возможности образования частиц нанодисперсного черного углерода при вулканических извержениях плинианского типа и заброса их на большие высоты). Исследованы особенности термического разложения метана и образования восстановленного углерода в двухфазной газо-пепловой вулканической колонне. Критически оцениваются известные данные о наличии и свойствах углеродосодержащих частиц в стратосфере и их возможной, но пока не подтвержденной связи с мощными вулканическими извержениями. Комментируется обнаружение разнообразных форм восстановленного углерода в пеплах недавних извержений вулканов Камчатки (вулканический углеродный парагенезис). Обсуждается энергетическая конкуренция способов образования восстановленного углерода в формах высокодисперсных частиц сажи и углеродных продуктов, механически связанных с пирокластическим материалом. Результаты работы могут быть полезны для специалистов в областях физики атмосферных аэрозолей и климатологии при анализе основных источников черного углерода в атмосфере.

Ключевые слова:

черный углерод, магматические вулканы, плинианское извержение, метан, стратосфера, вулканические пеплы

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., Antuca-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. Береснев С.А., Васильева М.С. Гипотеза о вулканогенной саже и возможности ее наблюдательного подтверждения // Оптика атмосф. и океана. 2020. Т. 33, № 6. С. 463–470. DOI: 10.15372/AOO20200608; Beresnev S.A., Vasilieva M.S. The hypothesis of volcanogenic soot and the possibility of its observational confirmation // Atmos. Ocean. Opt. 2020. V. 33, N 5. P. 531–538.
4. Слезин Ю.Б. Механизм вулканических извержений (стационарная модель). М.: Научный мир, 1998. 127 с.
5. Woods A.W. The dynamics of explosive volcanic eruptions // Rev. Geophys. 1995. V. 33, N 4. P. 495–530. DOI: 10.1029/95RG02096.
6. Cioni R., Pistolesi M., Rosi M. Plinian and subplinian eruptions // The Encyclopedia of Volcanoes. London: Academic Press, 2015. Ch. 29. P. 519–535.
7. Fischer T.P., Chiodini G. Volcanic, magmatic and hydrothermal gases. // The Encyclopedia of Volcanoes. London: Academic Press, 2015. Ch. 45. P. 779–797.
8. 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., Savelieva 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.
9. 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. P. 112086E. DOI: 10.1117/12.2535585.
10. Теснер П.А. Образование углерода из углеводородов газовой фазы. М.: Химия, 1972. 136 с.
11. Шелдон Р.А. Химические продукты на основе синтез-газа. М.: Химия, 1987. 248 с.
12. Claridge J.B., Green M.L.H., Tsang S.C., York A.P.E., Ashcroft A.T., Battle P.D. A study of carbon deposition on catalysts during the partial oxidation of methane to synthesis gas // Catal. Lett. 1993. V. 22. P. 299–305. DOI: 10.1007/BF00807237.
13. 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. DOI: 10.1029/92GL01801.
14. 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. DOI: 10.1029/94JD03118.
15. Pueschel R.F., Boering K.A., Verma S., Howard D., Ferry G.W., 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.
16. Petzold A., Döpelheuer A., Brock C.R., Schröder 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.
17. 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. DOI: 10.1029/1999JD900453.
18. Beeler P., Kumar J., Schwarz J.P., Adachi K., Fierce L., Perring A.E., Katich J.M., Chakrabarty R.K. Light absorption enhancement of black carbon in a pyrocumulonimbus cloud // Nature Comm. 2024. V. 15. P. 6243. DOI: 10.1038/s41467-024-50070-0.
19. Ebert M., Weigel R., Kandler K., Gunther 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.
20. Schutze K., Wilson J.C., Weinbruch S., Benker N., Ebert M., Gunther 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.
21. 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. P. D21303. DOI: 10.1029/2008JD010150.
22. 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. P. 20803. DOI: 10.1029/2010GL044307.
23. Renard J.-B., Berthet G., Levasseur-Regourd A.-C., Beresnev S., Miffre A., Rairoux P., Vignelles D., Jégou F. Origins and spatial distribution of non-pure sulfate particles (NSPs) in the stratosphere, as detected by the balloon-borne Light Optical Aerosols Counter (LOAC) // Atmosphere. 2020. V. 11. P. 1031. DOI: 10.5194/acp-2019-904.
24. 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.
25. Scott J.D., Chittenden D.M. Chemical composition of particles of d < 0.20 μm in the lower stratospheric aerosol, spring 1993 // J. Arkansas Acad. Sci. 2002. V. 56, N 1. P. 153–156.
26. Батурин Г.Н., Дубинчук В.Т., Маневич Т.М. Формы нахождения углерода, фосфора и некоторых тяжелых металлов в вулканических пеплах // Докл. РАН. Геохимия. 2013. Т. 451, № 3. С. 318–322. DOI: 10.7868/S0869565213210159.
27. Карпов Г.А., Силаев В.И., Аникин Л.П., Васильев Е.А., Вергасова Л.П. Вулканогенный углеродный парагенезис на Камчатке // История науки и техники. 2017. № 7. С. 66–77.
28. Силаев В.И., Карпов Г.А., Аникин Л.П., Васильев Е.А., Вергасова Л.П., Смолева И.В. Минерально-фазовый парагенезис в эксплозивных продуктах современных извержений вулканов Камчатки и Курил. Часть 1. Алмазы, углеродные фазы, конденсированные органоиды // Вулканология и сейсмология. 2019. № 5. С. 54–67. DOI: 10.31857/S0203-03062019554-67.
29. Ткачев А.Г., Золотухин И.В. Аппаратура и методы синтеза твердотельных наноструктур. М.: Машиностроение, 2007. 316 с.
30. Pan Z., Krumeich F., Ziemianski P.P., van Bokhoven J.A. Tunable synthesis of carbon nanotubes via methane catalytic pyrolysis by adjusting Mo incorporation in Fe/MgO // Phys. Chem. Chem. Phys. 2025. V. 27. P. 18302–18308. DOI: 10.1039/d4cp04231j.
31. Карпов Г.А., Силаев В.И., Аникин Л.П., Ракин В.И., Васильев Е.А., Филатов С.К., Петровский В.А., Флеров Г.Б. Алмазы и сопутствующие минералы в продуктах трещинного Толбачинского извержения 2012–2013 гг. // Вулканология и сейсмология. 2014. № 6. С. 1–17. DOI: 10.7868/S0203030614060042.
32. Галимов Э.М., Карпов Г.А., Севастьянов В.С., Шилобреева С.Н., Максимов А.П. Алмазы в продуктах извержения вулкана Толбачик (Камчатка, 2012–2013 гг.) и механизм их образования // Геохимия. 2016. № 10. С. 868–872. DOI: 10.7868/S0016752516100034.
33. Гордеев Е.И., Карпов Г.А. Фундаментальные достижения академической науки в исследованиях вулканов и землетрясениях на Камчатке // Вулканология и сейсмология. 2022. № 4. С. 4–16. DOI: 10.31857/S0203030622040046.