Коротковолновое поглощение дымом лесных пожаров, в котором преобладает темно-коричневый углерод.

May 29, 2023

Nature Geoscience, том 16, страницы 683–688 (2023 г.) Процитировать эту статью

3663 Доступа

170 Альтметрика

Подробности о метриках

Лесные пожары выбрасывают в атмосферу большое количество черного углерода и светопоглощающего органического углерода, известного как коричневый углерод. Эти частицы нарушают радиационный баланс Земли за счет поглощения приходящей коротковолновой радиации. Обычно считается, что бурый углерод теряет свою поглощающую способность после выброса в атмосферу из-за фотохимического обесцвечивания под действием солнечного света. Следовательно, эффект потепления атмосферы, оказываемый бурым углеродом, остается весьма изменчивым и плохо представленным в климатических моделях по сравнению с эффектом относительно нереакционноспособного черного углерода. Учитывая, что в ближайшие десятилетия прогнозируется увеличение числа лесных пожаров во всем мире, становится все более важным количественно оценить это радиационное воздействие. Здесь мы представляем результаты измерений поглощения коротковолновых волн на уровне ансамбля и частиц в шлейфах дыма от лесных пожаров на западе США. Мы обнаружили, что темно-коричневый углерод обеспечивает три четверти поглощения короткого видимого света и половину поглощения длинного видимого света. Этот сильно впитывающий органический аэрозольный вид нерастворим в воде, устойчив к фотообесцвечиванию в дневное время и увеличивает поглощающую способность при атмосферной обработке в ночное время. Наши результаты показывают, что параметризацию бурого углерода в климатических моделях необходимо пересмотреть, чтобы улучшить оценку радиационного воздействия дымовых аэрозолей и связанного с ним потепления.

Аэрозоли дыма лесных пожаров вызывают сильное потепление атмосферы и сильное охлаждение поверхности, что так же важно для изменения климата Земли, как углекислый газ и другие парниковые газы1,2. Массовый состав дымовых аэрозолей преимущественно (>95%) органический (ОА) с незначительной (<3%) долей неорганики и графитовой сажи (ЧУ)2,3, причем последний считается доминирующим поглотителем приходящего коротковолнового излучения. солнечное излучение4. Характеристики светопоглощения ОА широко варьируются и остаются плохо изученными в климатических моделях5,6. В настоящее время вклад в потепление атмосферы от светопоглощающего ОА, находящегося в шлейфе, либо игнорируется, либо считается незначительным из-за фотообесцвечивания по сравнению с относительно нереактивным ЧУ в параметризации модели2,7,8.

Традиционная точка зрения гласит, что хромофоры ОА поглощают преимущественно короткие волны видимого света и незначительно – более длинные волны видимого света, что приводит к коричневатому или желтоватому внешнему виду, отсюда и оптическое название «коричневый углерод» (BrC)9,10. Общие методы, используемые для измерения BrC в лабораторных или полевых условиях, включают экстракцию растворителем растворимой органической фракции твердых частиц с последующим измерением объемного поглощения с использованием ультрафиолетовой (УФ)-видимой-инфракрасной спектрофотометрии11,12,13. Измеренное поглощение растворимого BrC впоследствии преобразуется в мнимый показатель преломления k, который обычно охватывает значения от 10–4 до 10–2 в диапазоне длин волн λ от 380 до 500 нм6,14,15. Таким образом, растворимый компонент дыма BrC слабо поглощает по сравнению с BC, который имеет высокое значение k ≈ 0,63 в УФ-видимом-ближнем инфракрасном спектре16. Более того, BrC очень чувствителен к обесцвечиванию или потере светопоглощающей способности в течение нескольких часов или дней после излучения17,18,19.

Недавние лабораторные исследования14,20,21,22,23 указывают на наличие темных компонентов BrC (d-BrC) в дыме от сжигания биомассы, которые сильно поглощают свет в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне. Этот класс BrC имеет низкую летучесть, нерастворим и имеет высокие значения k ≈ 0,2–0,4 в видимом спектре6,15. Показано, что при лабораторных ожогах компонент d-BrC составляет 5–15% массы дымового ОА, а остальная часть состоит из слабоабсорбирующего растворимого BrC14. Наблюдательные доказательства наличия d-BrC в шлейфах дыма от лесных пожаров и его значение для атмосферного коротковолнового поглощения остаются неуловимыми.

Мы объединили наблюдения в объемном и масштабном масштабе, чтобы охарактеризовать оптические и физико-химические свойства доминирующих светопоглощающих компонентов в шлейфах дыма от лесных пожаров на западе США. Это исследование было частью полевой кампании НАСА (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства)/Национального управления океанических и атмосферных исследований, спонсируемой в 2019 году, полевой кампании «Влияние пожаров на региональную и глобальную окружающую среду и качество воздуха»24, направленной на изучение состава шлейфа западных лесных пожаров. На борту наземной мобильной лаборатории Aerodyne и самолета НАСА Douglas DC-8 использовался комплект приборов для определения характеристик аэрозолей и газов. По мере возможности на каждой платформе проводились синхронизированные измерения для перехвата и изучения шлейфов в течение сезона лесных пожаров 2019 г. от ближней (менее 3 км) зоны управления пожаром до тропосферы (высота 10–11 км).