Азиатский аэрозольный слой тропопаузы (АТАЛ) расположен на высоте от двенадцати до 18 километров над Ближним Востоком и Азией. Это скопление аэрозолей в азиатском муссоне впервые было обнаружено в 2011 г. Однако его состав и влияние до сих пор неизвестны. Европейский консорциум ученых обнаружил, что этот слой состоит из кристаллического нитрата аммония. В камере Вильсона AIDA исследователи климата из Технологического института Карлсруэ (KIT) продемонстрировали, как это вещество образуется в верхних слоях тропосферы. Результаты опубликованы в журнале Nature Geoscience.
Используя разумное сочетание дистанционного зондирования, измерений на месте, расчетов метеорологической модели, конкретных лабораторных измерений и детального численного моделирования, команда изучила распределение и состав аэрозолей в ATAL. Аэрозоли представляют собой мельчайшие взвешенные частицы из различных природных и антропогенных источников. В атмосфере аэрозоли выступают в роли ядер конденсации, к которым присоединяются газообразные водяные пары и, таким образом, образуются облачные капли. Впервые через верхние слои азиатского муссона пролетел исследовательский самолет для изучения ключевых процессов глобального значения. Различные методы и инструменты дополняли друг друга для проверки результатов измерений. Ученые из KIT, Forschungszentrum Jülich (FZJ), Университета Иоганна Гутенберга и Института химии им. Макса Планка в Майнце, Института Альфреда Вегенера, Университета Вупперталя, Laboratoire de Métérologie Dynamique, Paris, и Istituto di Scienze dell'Atmosfera e del Клима, Рим, принял участие.
«Удивительно, но мы обнаружили кристаллический нитрат аммония в качестве основного компонента в больших частях ATAL», - говорит д-р Михаэль Хёпфнер из отдела атмосферных следовых газов и дистанционного зондирования Института метеорологии и климатических исследований КИТ (IMK- АЧС). Неожиданные результаты, измеренные, среди прочего, прибором GLORIA KIT и Forschungszentrum Jülich, были затем подтверждены исследователями климата в камере Вильсона AIDA KIT: «Наши эксперименты показали, что, вопреки преобладающему мнению, капли жидкого нитрата аммония кристаллизуются в твердые частицы при минус 50 градусов в присутствии мелких, в основном серосодержащих загрязнений. Эти твердые частицы продолжают существовать даже в температурно-влажностных условиях верхней тропосферы», - говорит доктор Роберт Вагнер из отдела исследований атмосферных аэрозолей Института метеорологии и метеорологии КИТ. Климатические исследования. С помощью спутниковых наблюдений исследователи действительно обнаружили большое количество аэрозолей нитрата аммония над Азией. Эти наблюдения восходят к 1997 году, когда ATAL еще не существовало.
"Этим мы решили давнюю загадку состава ATAL", - говорит Михаэль Хёпфнер. До сих пор считалось маловероятным, что этот аэрозоль существует на таких больших высотах, потому что предшествующий газообразный аммиак очень быстро вымывается из атмосферы дождем. «Но мы обнаружили беспрецедентные концентрации аммиака во время азиатского муссона: значения в пятьдесят раз выше, чем в предыдущих измерениях», - добавляет Хёпфнер. Этот аммоний в основном поступает из сельского хозяйства, в частности, из животноводства и внесения удобрений. Самые высокие выбросы аммиака в настоящее время наблюдаются в Азии. В сезон дождей загрязненные воздушные массы переносятся с поверхности земли на высоты до 18 км. Здесь аммиак реагирует с нитратом аммония, аэрозолем, влияющим как на формирование, так и на свойства облаков.
«Наши данные впервые доказывают, что аэрозоли нитрата аммония повсеместно присутствуют в верхних слоях тропосферы во время азиатского муссона», - говорит Хёпфнер. Эти результаты относятся, в частности, к взаимодействиям облаков и аэрозолей, которые представляют собой одну из самых больших неопределенностей в моделировании климата. Более того, полученные данные доказывают, что аммиак, выбрасываемый на землю, оказывает большое влияние на процессы в верхней тропосфере и, возможно, на азиатский климат.
Отслеживание аммиака: измерительный прибор GLORIA и облачная камера AIDA
Авиационная кампания была частью проекта StratoClim, в котором сотрудничают 37 научных организаций из одиннадцати европейских стран, США, Бангладеш, Индии и Непала под руководством Института Альфреда Вегенера, Центра полярных и морских исследований имени Гельмгольца.. Высотный самолет М55-Геофизика доставил 25 специально разработанных приборов на высоту более 20 км, что примерно вдвое превышает высоту, обычно достигаемую самолетами. Основным инструментом на борту «Геофизики» был инфракрасный спектрометр GLORIA (Gimballed Limb Observer for Radiance Imaging of the Atmosphere), измеряющий распределение по высоте различных газовых примесей вдоль траектории полета. Измерения во время полетов в основном были сосредоточены на аммиаке, так как он в значительной степени участвует в образовании аэрозольных частиц. В настоящее время GLORIA является единственным прибором, который может измерять аммиак на таких высотах.
На основе данных, измеренных спутниковым прибором MIPAS (интерферометр Майкельсона для пассивного атмосферного зондирования) IMK-ASF КИТ по высотному распределению более 30 газовых примесей в период с 2002 по 2012 год, ученые впервые получили глобальное распределение аммиака и аммиачной селитры одновременно. Для своих исследований они также использовали установку AIDA (Взаимодействие аэрозолей и динамика в атмосфере) в Северном кампусе KIT. Это единственная в мире установка, где можно изучать аэрозольные и климатические процессы в атмосферных условиях. На объекте могут быть смоделированы все условия температуры и давления в нижних и средних слоях атмосферы.