Оптическая модель стратосферного аэрозоля на основе результатов лидарных измерений в г. Обнинск

Представлены результаты лидарных измерений интегрального коэффициента обратного аэрозольного рассеяния (ИКОР) на длинах волн 532 и 355 нм в высотном слое стратосферы от 13 до 30 км с 2012 по 2025 гг. Проведено сопоставление временного хода ИКОР и содержании серы в стратосфере. Установлено, что в 2020-2025 гг. произошло значительное увеличение среднегодового содержания стратосферного аэрозоля по сравнению с предшествующим периодом относительного минимума аэрозоля 2014-2018 гг., хотя содержание серы существенно не изменилось. При этом данные проведенных измерений указывают на существенную разницу в содержании и составе аэрозоля в холодный и теплый период года. В холодный период определяющую роль играет перенос аэрозоля из тропиков в результате усиления циркуляции Брюера-Добсона. Заметное влияние на рост аэрозоля в период 2021-2025 гг., и в том числе на образование абсолютного максимума аэрозольного содержания в 2023 г., оказало неординарное извержение подводного вулкана Хунга-Тонга. Хотя выброс серы при этом извержении был относительно небольшим, но он сопровождался рекордным выбросом водяного пара [1]. Отмечалась также повышенная высота первоначального подъема продуктов извержения, часть из которых достигала мезосферных высот.
В летнее время 2020-2025 гг. содержание аэрозоля коррелирует с увеличением числа и интенcивности природных пожаров. По данным «Авиалесоохраны» максимальные по площади (более 8 млн. га) лесные пожары имели место в Дальневосточном федеральном округе в 2020, 2021 и 2024 гг. Отметим также рекордные лесные пожары в Канаде в 2023 г. По данным лидарного зондирования на увеличение присутствия аэрозоля природных пожаров (АПП) в стратосфере указывает рост отношения коэффициентов обратного рассеяния на длинах волн 355 и 532 нм. В связи с глобальным потеплением и увеличением как масштабов, так и интенсивности природных пожаров, можно ожидать дальнейшего роста содержания АПП в стратосфере.
Для адекватного учета АПП в задачах дистанционного зондирования и расчета ра-диационных параметров стратосферного аэрозоля необходима разработка оптической модели АПП. Увеличенная величина ОКОР отношения коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния на длинах волн 355 и 532 нм, предполагает присутствие микродисперсной (с характерным радиусом менее 0,1 мкм) фракции частиц АПП, оптически активной в ультрафиолетовой области спектра. На высокую концентрацию микродисперсных частиц в стратосфере, особенно в летне–осенний период, указывают проведенные в последние время контактные измерения с помощью баллонного кон-денсационного счетчика STAC [2], а также самолетного лазерного масс-спектрометра PALMS [3]. При разработке оптической модели АПП необходимо также учитывать верти-кальную стратификацию характеристик АПП. В нижней стратосфере на высотах в не-сколько км над тропопаузой АПП присутствует в результате тропосферно-стратосферного обмена. В этом случае время распространения АПП от источника до точки наблюдения может быть достаточно коротким – в пределах недели. В слое Юнга (18-23 км) АПП может быть перенесен из низких широт в средние в процессе меридиональной циркуляции Брюера-Добсона. В данном слое, скорее всего, будет наблюдаться так называемый «состарившийся» АПП. Его характеристики формируются в результате физико-химической трансформации первичного АПП.
С учетом этих обстоятельств предлагается модель стратосферного аэрозоля, от-дельно учитывающая нижнюю стратосферу и область слоя Юнга. В каждом области в общем случае модель является двухкомпонентной, содержащей микродисперсную и субмик-ронную компоненты. Каждая из компонент, в свою очередь, может содержать до двух отдельных фракций. Например, микродисперсная компонента может включать сажевую фракцию и органическую фракции. Последняя присутствует в виде одной из известных моделей аэрозоля коричневой сажи. Субмикронная компонента включает сульфатную фракцию и, в ряде случаев, фракцию АПП. Для сульфатной фракции разработана обоб-щенная модель, объединяющая как фоновые условия, так и случаи повышенного содержа-ния аэрозоля при вулканических извержениях средней мощности. Для субмикронной фракции АПП принята известная в литературе модель с не зависящим от длины волны по-казателем преломления m=1,555-0,025i и характерным радиусом частиц в интервале 0,1-0,3 мкм. Для каждой фракции задаются фиксированные лидарные отношения и отношения коэффициентов обратного рассеяния на длинах волн 355 и 532 нм. В то же время соотношение коэффициентов обратного рассеяния на длине волны 532 нм, соответствующих этим фракциям, задается зависящим от высоты. Предложенная модель является достаточно гибкой и позволяет интерпретировать различные ситуации появления АПП с учетом сопутствующей априорной информации.
Проведено апробирование модели для трех эпизодов наблюдения АПП в 2025 и 2026 гг. в слое стратосферы от 12 до 30 км. Получены высотные профили и оптические толщина слоев АПП и сульфатного аэрозоля. Установлено, в частности, что в нижней стратосфере существенную роль играет ослабление излучения на длине волны 355 нм за счет АПП, без учета которого получались бы завышенные значения отношений коэффициентов обратного рассеяния на длинах волн 355 и 532 нм.
Работа выполнена в рамках темы НИТР Росгидромета РФ № АААА-А20-120091590028-3.