MECHANISMS OF GENERATION AND DECAY OF ATMOSPHERIC AEROSOLS AND CLOUDS AND THEIR ECOLOGICAL SIGNIFICANCE

Л.С. Ивлев

Abstract


To understand meteorological and climatic changes, it is essential to consider the natural and anthropogenic mechanisms of generation and decay of atmospheric aerosols, which determine the composition and sizes of aerosol particles and thus modify interactions between solar radiation and clouds and influence the thermodynamics and kinetics of atmospheric processes. Heterogeneous catalysis at the surfaces of aerosol particles is instrumental in the elimination of gaseous contaminants from the atmosphere. Upon discharges of aluminium oxide-containing clay particles into the stratosphere, the direct decomposition of ozone molecules at their surfaces takes place. Ozone decomposition is observed at aerosol particles originating from soil and at ice particles in the atmosphere over polar regions. Anthropogenic increases in aerosol levels may have an impact on climate by altering the radiation balance of the Earth and influencing the hydrological cycle.

Keywords


marine aerosols, soil aerosols, anthropogenic aerosols, vulcanic aerosols, biogenic aerosols, polar aerosols, fractals, condensation and sublimation nuclei, stratospheric clouds, noctilucent clouds, sulfuric clouds, weather, climate, radiation factor

References


Абдуллаев С.Ф. Влияние глобального климата и меры по адаптации к климатическим изменениям // Природа и мы: вопросы экологически безопасного развития Таджикистана. – Душанбе, 2009. – C. 155–184.

Аршинов М.Ю. Исследования атмосферных наночастиц и их роли в формировании дисперсного состава аэрозоля // Автореф. дисс. … канд. физ.-мат. наук. – Томск, СО РАН, 2006. – 24 с.

Аэрозоль и климат / Ред. К.Я. Кондратьев – Л. : Гидрометеоиздат, 1991. – 541 с.

Веретененко С.В., Ивлев Л.С., Ульев В.А. Исследование вариаций стратосферного аэрозоля во время солнечных протонных событий января 2005 г. по данным GOMOS/ENVISAT // Проблемы Арктики и Антарктики. – СПб. : ААНИИ, 2008. – С. 126–130.

Голицын Г.С. Состав атмосферы и климат // Вестник РАН. – 1997. – Т. 67. – № 2. – С. 105–116.

Грин Х., Лейн В. Аэрозоли – пыли, дымы и туманы. – Л. : Химия, 1969. – 429 с.

Жабрев И.П., Каракин А.В., Лобковский Л.И. Пульсирующее глубинное пустотное пространство и свободная циркуляция метеорных вод в земной коре // Докл. РАН. – 1995. – Т. 345. – № 2. – С. 231–233.

Зуев В.Е., Титов Г.А. Оптика атмосферы и климат. – Томск : Спектр, 1996. – 271 с.

Ивлев Л.С. Аэрозоли, возникающие в результате деформации земной коры // «Естественные и антропогенные аэрозоли». Материалы межд. конференции. 29.09–04.10.1997. – СПб. : BBM, 1998. – С. 73–82.

Ивлев Л.С. Микроструктурные особенности аэрозолей вулканического происхождения // Оптика атмосферы и океана. – 1996. – Т. 9. – С. 1039–1057.

Ивлев Л.С. Влияние аэрозольных частиц на динамические и другие климатообразующие процессы в атмосфере // Начала физики климато- и погодообразования. Ч. 1. Т. 2. – СПб. : ВВМ, 2008. – 284 с.

Ивлев Л.С. Структура стратосферных аэрозолей в атмосфере // Параметризация некоторых видов непреднамеренного и направленного воздействия на атмосферные процессы. – Л. : ЛПИ, 1984. – С. 74–89.

Ивлев Л.С. Химический состав и структура атмосферных аэрозолей. – Л. : Изд-во ЛГУ, 1982. – 368 с.

Ивлев Л.С., Басов Л.Л., Сирота В.Г., Смышляев С.П. Фотостимулированный аэрозольный сток атмосферных озона и метана // Ж-л эколог. хим. – 1992. – № 1. – C. 77–86.

Ивлев Л.С., Давыдова-Мартинес В.И., Варгас О.А., Мартинес А. Изменчивость характеристик аэрозолей, озона и сернистого газа в приземном слое при землетрясении в Западной Мексике // Оптика атмосферы и океана. – 1998. – Т. 11. – С. 490–494.

Ивлев Л.С., Довгалюк Ю.А. Физика атмосферных аэрозольных систем. – СПб. : НИИХ СПбГУ, 2000. – 256 с.

Ивлев Л.С., Жуков В.М., Иванов В.А., Кудряшов В.И. Изучение структуры и элементного состава стратосферных аэрозолей импакторным методом во время советско-американского эксперимента 1987 года // Труды ГГО. – 1990. – Вып. 534. – C. 137–145.

Ивлев Л.С., Жуков В.М., Кудряшов В.И., Михайлов Е.Ф. Прямые измерения вещества вулканического происхождения в нижней атмосфере // Оптика атмосферы и океана. – 1993. – T. 6. – C. 1249–1267.

Ивлев Л.С, Иванов В.А., Жуков В.М. Эволюция морфологической структуры стратосферных аэрозолей // Труды Главной геофизической обсерватории. – 1990. –Вып. 534. – C. 146–153.

Ивлев Л.С., Карпов Г.А., Кист А.А., Кулматов Р.Б., Абдуллаев Р., Семова А.Ю., Федченко М.А. Исследование структуры и химического состава аэрозолей в приземном слое атмосферы районов вулканической активности Камчатки // Вулканология и сейсмология. – 1986. – № 1. – C. 32–42.

Ивлев Л.С., Колосов А.С., Терехин С.Н. Роль и механизмы эруптивных извержений в изменениях климата Земли // «Естественные и антропогенные аэрозоли». Сб. тр. междунар. конф. 21.05–24.05.2006. – СПб., 2008. – C. 145–159.

Ивлев Л.С., Кондратьев К.Я., Хворостовский С.Н. Влияние космического мусора на состав, оптические свойства и физические процессы в верхней и средней атмосфере // Оптический ж-л. – 2001. – Т. 68. – № 4. – C. 3–12.

Ивлев Л.С., Кудряшов В.И., Ариас М.Е., Варгас А.О. Комплексное исследование оптико-метеорологических параметров атмосферы в окрестности вулкана Колима (Мексика). Ч. 1. Сухой сезон // Оптика атмосферы и океана. – 1998. – T. 11. – C. 748–767.

Ивлев Л.С., Кудряшов В.И., Ариас М.Е., Варгас А.О. Комплексное исследование оптико-метеорологических параметров атмосферы в окрестности вулкана Колима (Мексика). Ч.2. Влажный сезон // Оптика атмосферы и океана. – 1998. – T. 11. – № 8. – C. 884–898. 25. Ивлев Л.С., Кудряшов В.И., Эдвардс А. Исследование микроструктуры и элементного состава аэрозолей вблизи вулкана Парикутин (Мексика) в период дождей // Известия Русского геoграфического общества. – 1998. – Т. 130. – Вып. 2. – C. 38–43.

Ивлев Л.С., Миронова И.А. Пространственно-временные характеристики мощных вулканических извержений // «Естественные и антропогенные аэрозоли». Сб. тр. IV международной конференции. 6.10–09.10.2003. – СПб. : BBM, 2005. – C. 182–185.

Ивлев Л.С., Попова С.И. Комплексный показатель преломления диспергированной фазы атмосферного аэрозоля // Изв. АН СССР, сер. Физика атмосферы и океана. – 1973. – T. 9. – C. 1034–1043.

Ивлев Л.С., Сирота В.Г., Хворостовский С.Н. Влияние окисления вулканической двуокиси на содержание сернокислотных аэрозолей и озона в стратосфере // Оптика атмосферы и океана. – 1990. – Т. 3. – C. 37–43. 29. Ивлев Л.С., Хворостовский С.Н. Исследование воздействия космического излучения на микроструктурные параметры и оптические свойства нижней атмосферы в средних и высоких широтах // Оптика атмосферы и океана. – 2000. – T. 13. – C. 1073–1086.

Ивлев Л.С., Хворостовский С.Н. Механизмы влияния высыпаний высокоэнергетических частиц на процессы образования облачного покрова в средних и высоких широтах // Тр. междунар. конф. «Физика атмосферного аэрозоля». – М. : ИФА РАН, 1999. – С. 176–190.

Кондратьев К.Я. Комплексный мониторинг последствий извержения вулкана Пинатубо // Исследования Земли из космоса. –1993. – № 1. – С. 111–122.

Кондратьев К.Я., Ивлев Л.С. Климатология аэрозолей и облачности. Т. 1. Природные и техногенные аэрозоли. – СПб. : ВВМ, 2008. – 555 с.

Кондратьев К.Я., Ивлев Л.С., Галиндо И. Применение понятия фактора обогащения при исследовании продуктов вулканических извержения // ДАН. – 1995. – T. 394. – C. 581–583.

Кондратьев К.Я., Ивлев Л.С., Крапивин В.Ф. Свойства, процессы образования и последствия воздействий атмосферного аэрозоля: от нано- до глобальных масштабов. – СПб. : ВВМ, 2007. – 858 с.

Кондратьев К.Я., Исидоров В.А. Воздействие сжигания биомассы на химический состав атмосферы // Оптика атмосферы и океана. – 2001. – T. 14. – C. 107–114.

Кропоткин П.Н. Возможная роль космических факторов в геотектонике // Геотектоника. – 1970. – № 2. – C. 30–46.

Кудряшов В.И., Ивлев Л.С. Анализ элементного состава атмосферных аэрозолей в районе вулканов Колима и Попокатепетль (Мексика) в 1994–1995 гг. // «Естественные и антропогенные аэрозоли». Материалы междунар. конф. 29.09–04.10.1997. – СПб. : BBM, 1998. – C. 457–479.

Кэйдл Р. Твердые частицы в атмосфере. – М. : Мир, 1969. – 284 с.

Лушников А.А., Загайнов В.А. Кинетическая эффективность конденсации при произвольной вероятности прилипания молекул к частицам // Изв. РАН. – 2002. – T. 387. – № 2. – C. 192–199.

Мархинин Е.К. Вулканы и жизнь (Проблемы биовулканологии). – М. : Мысль, 1980. – 196 c.

Матвеев Л.Т. Физика атмосферы. – СПб. : Гидрометеоиздат, 2000. – 778 с.

Матвеев Л.Т., Матвеев Ю.Л. Облака и вихри – основа колебаний погоды и климата. – CПб. : РГГМУ, 2005. – 326 с.

Монин А.С. Введение в теорию климата. – Л.: Гидрометеоиздат, 1986. – 512 с.

Пискунов В.Н. Теоретические модели кинетики формирования аэрозолей. – Саров : РФЯЦ-ВНИИЭФ, 2000. – 209 с.

Райст П. Аэрозоли. Введение в теорию. – М. : Мир, 1987. – 278 с.

Раст Х. Вулканы и вулканизм. – М. : Мир, 1982. – 344 с.

Розенберг Г.В. Свойства атмосферного аэрозоля по данным оптических исследований // Усп. физ. наук. – 1969. – T. 95. – № 1. – С. 159–208.

Смирнов В.В. Ионизация в тропосфере. – СПб. : Гидрометеоиздат, 1992. – 312 с.

Федотов С.А. Магматические питающие системы и механизм извержений вулканов. – М. : Наука, 2006. – 455 с.

Хаин В.Е. Цикличность и тектоника // Основные теоретические вопросы цикличности седиментогенеза. – М. : Наука, 1977. – C. 213–221.

Черемисин А.А., Кушнаренко А.В. Оценка фотофоретического взаимодействия аэрозольных частиц в стратосфере // Оптика атмосферы и океана. – 2010. – Т. 23. – С. 475–479.

Юнге Х. Химический состав и радиоактивность атмосферы. – М. : Мир, 1965. – 423 с.

Anastasio C., Martin S.T. Atmospheric nanoparticles // Rev. Miner. Geochem. – Vol. 44. – 2001. – P. 293–349.

Andreae M.O. Global distribution of fires seen from space // EOS Trans. – 1993. – Vol. 74. – P. 129–135.

Arias Villanueva E.М., Ivlev L.S., Kudryashov V.I. Variation of the aerosol concentration and chemical composition in lower layer of West States Mexico // Works of the Third International conference «Natural and anthropogeneous aerosols» / Ed. by L.S. Ivlev. – Saint Petersburg : CRI Phys. SPSU, 2003. – P. 54–71.

Calfee R.F., Gates D.M. Calculated slant-path absorption and distribution of atmospheric water vapor // Applied Optics. – 1966. – Vol. 5. – No 2. – P. 57–63.

Chvorostovsky S.N., Ivlev L.S. Space radiation influence on aeronomic processes in high-latitude atmosphere // Works of Third International Conference «Natural and anthropogeneous aerosols / Ed. by. L.S. Ivlev. – Saint-Petersburg : CRI Phys. SPSU, 2003. – P. 324–330.

Crutzen P.J., Zimmerman P.H. The changing photochemistry of the troposphere // Tellus. – 1991. – Vol. 43. – No 4. – P. 136–151.

Frost B., BucherK. Is water responsible for geophysical anomalies in the deep continental crust? A petrological perspective // Tectonophysics. – Vol. 231. – 1994. – P. 293–309.

Donchenko V.K., Ivlev L.S. Identification of different origin aerosols // Works of the Third International Conference «Natural and anthropogeneous aerosols» / Ed. by L.S. Ivlev. – Saint-Petersburg : CRI Phys. SPSU, 2003. – P. 41–51.

Ehhalt D.H., Dom H., Poppe О. The chemistry of the hydroxyl radical in the troposphere // Proc. Roy. Soc. Edinburgh. – 1991. – Vol. 97. – P. 17–34.

Friedlander S.K. Smoke, Dust and Haze: Fundamental of Aerosol Behavior. – N. Y. : John Wiley & Sons, 1977. – 423 p.

Galindo J., Ivlev L.S., Gonzalez A., Ayala R. Airborne measurements of particle and gas emissions from the December 1994 – January 1995 eruption of Popocatepetl Volcano (Mexico) // J. Volcanology Geotherm. Res. – 1998. – Vol. 83. – P. 197–217.

Griffin R. J., Dabdub D., Seinfeld J. H. Secondary organic aerosol. 1. Atmospheric chemical mechanism for production of molecular constituents // J. Geophys. Res. – 2002. –Vol. 107. – No 17. – P. AAC 3/1–AAC 3/26.

Griffin R. J., Nguyen K., Dabdub D., Seinfeld J. H. A coupled hydrophobic-hydrophilic model for predicting secondary aerosol formation // J. Chemistry. – 2003. – Vol. 44. – P. 171–190.

Grini A., Zender C.S., Colarco P.R. Saltation sandblasting behavior during mineral dust aerosol production // Geophys. Res. Lett. – 2002. – Vol. 29. – No 18. – P. 15/1–15/4.

Haigh J.D. Climate variability and the influence of the Sun // Science. – 2001. – Vol. 294. – Р. 2109–2111.

Han J.-H., Hung H.-M., Martin S.T. Size effect of hematite and corundum inclusions on the efflorescence relative humidities of aqueous ammonium nitrate particles // J. Geophys. Res. – 2002. – Vol. 107. – No 9–10. – P. AAC3/1–AAC3/10.

Hanson D.R., Eisele F.L. Measurement of prenucleation molecular clusters in the NH3, H2SO4, H2O system // J. Geophys. Res. – 2002. – Vol. 107. – No 12. – P. AAC10/1–AAC10/18.

Hansen J., Lacis A., Ruedy K. and Sato M. Potential climate impact of Mt. Pinatubo eruption. // Geophys. Res. Lett. – 1992. – Vol. 19. – P. 215–218.

Heintzenberg J., Okada K., Luo B.P. Distribution of optical properties among atmospheric submicrometer particles of given electrical mobilities // J. Geophys. Res. – 2002. – Vol. 107. – No 11. – P. AAC2/1–AAC2/10.

Houghton J.T., Seeley J. S. Spectroscopic observation of the water vapour content of the stratosphere // Quaterly J. Roy. Met. Soc. – 1960. – Vol. 86. – P. 116–120.

Ivlev L.S. The Earth as an open Ecosystem. // Global Climatology and Ecodynamics. Anthropogenic Changes to Planet Earth / Ed. by Cracknell A.P., Krapivin V.F., Varotsos C.A. – Chichester, UK : Springer Publ. Praxis, 2008. – P. 397–425.

Ivlev L.S. Chapter 10. Atmospheric Aerosols // Aerosols – Science and Technology / Ed. By I. Agranovski. – Wienheim : Wiley-CH, 2010. – 492 p.

Ivlev L.S., Galindo J., Kudryashov V.J. Estudio de Aerosoles y Cenizas Dispersados Durante la Eruption de Volcan Popokatepetl del 21 de Diciembre 1994 – Resultados Preliminares // Report Centro Univesitario de Investigaciones en Ciencias de la Tierra. – Colima, Mexico : Universidad de Colima, 1996. – P. 257–284.

Ivlev L.S., Klingo V.V., Chvorostovsky S.N. Crystal clouds generation during molecular ions aerosol charging // Works of the Third international conference “Natural and Anthropogeneous Aerosols” / Ed. by L.S Ivlev. – Saint-Petersburg : CRI Phys. SPSU, 2003. – P. 279–287.

Jacobson M.Z. Analysis of aerosol interactions with numerical techniques for solving coagulation, nucleation, condensation, dissolution, and reversible chemistry among multiple size distributions // J. Geophys. Res. – 2002. – Vol. 107. – No 19. – P. AAC 2/1–AAC 2/23.

Jaenicke R. Tropospheric Aerosols // Aerosol-Cloud-Climate Interactions. – Academic Press, 1993. – P. 1–31.

Jordan C.E., Dibb J.E., Anderson B.E., Fuelberg H.E. Uptake of nitrate and sulfate on dust aerosols during TRACE-P // J. Geophys. Res. – 2003. – Vol. 108. – No 21. – P. GTE 38/1–GTE 38/10.

Keller M., Jacob D., Wofsy S.C., Harris R. Effects of tropical deforestation on global and regional atmospheric chemistry // Climate Change. – 1991. – Vol. 19. – P. 139–158.

Kondratyev K.Ya. Multidimensional Global Change. – Chichester, U. K. : Wiley/Praxis, 1998. – 761 p.

Kondratyev K.Ya., Galindo I. Volcanic Activity and Climate. – Hampton, VA : Deepak Publ., 1997. – 382 p.

Kondratyev K.Ya., Ivlev L.S., Krapivin V.F., Varotsos C.A. Atmospheric Aerosol Properties, Formation, Processes and Impacts // Chichester, UK. : Springer Publ/Praxis, 2005. – 572 p.

Lean J., Rin D. Earth's response to a variable Sun // Science. – 2001. – Vol. 292. – P. 234–236.

Leyva Коntreras А., Ivlev L.S., Vasilyev A.V., Vasilyev S.L. Complex aerosol investigation of urban Mexico // Works of the Third international conference «Natural and Anthropogeneous Aerosols» / Ed. by. L.S Ivlev. – Saint-Petersburg : CRI Phys. SPSU, 2003. – P. 72–74.

Liu X., Penner J.E. Effect of Mount Pinatubo H2SO4/H2O aerosol on ice nucleation in the upper troposphere using a global chemistry and transport model // J. Geophys. Res. – 2002. – Vol. 107. – No 2. – P. AAC2/1–AAC2/18.

Martin R. V., Jacob D. J., Yantosca R. M., Chin M., Ginoux P. Global and regional decreases in tropospheric oxidants from photochemical effects of aerosols // J. Geophys. Res. – 2003. – Vol. 108. – No 3. – P. ACH 6/1–ACH 6/14.

Metzger S., Dentener F., Pardis S., Lelieveld J. Gas/aerosol partitioning. 1. A computationally efficient model // J. Geophys. Res. – 2002. – Vol. 107. – No 16. – P. ACH16/1–ACH16/24.

Metzger S., Dentener F., Krol M., Jenken A., Lelieveld J. Gas/aerosol partitioning. 2. Global modeling results // J. Geophys. Res. – 2002. – Vol. 107. – No 16. – P. ACH17/1–ACH17/23.

Moritz R.E., Bitz C.M., Steig E.J. Dynamics of recent climate change in the Arctic // Science. – 2002. – Vol. 297. – P. 1497–1502.

Narukawa M., Kawamura K., Hatsushika H., Yamazaki K., Li S.-M., Bottenheim J.W., Anlauf K.G. Measurement of halogenated dicarboxylic acids in the Arctic aerosols at polar sunrise // J. Atmos. Chem. – 2003. – Vol. 44. – P. 323–335.

Oberlander E.A., Brenninkmeijer C.A.M., Crutzen P.J., Elansky N.F., Golitsyn G.S., Granberg I.G., Scharffe D.H., Hofmann R., Belikov I.B., Paretzke H.G., van Velthoven P.F.J. Trace gas measurements along the Trans-Siberian railroad: The TROICA 5 expedition // J. Geophys. Res. – 2002. – Vol. 107. – No 14. – P. ACH13/1–ACH13/15.

Oreopoulos L., Marshak A., Cahalan R.F. Consistency of ARESE II cloud absorption estimates and sampling issues // J. Geophys. Res. – 2003. – Vol. 108. – No l. – P. 13/1–13/16.

Pinto J.P., Turco R.P., Toon O.B. Self-limiting physical and chemical effects in volcanic eruption clouds // J. Geophys. Res. – 1989. – Vol. 94. – No 8. – P. 11.165–11.174.

Quinn P.K., Miller T.L., Botes T.S., Ogren J.A., Andrews E., Shaw G.E. A 3-year record of simultaneously measured aerosol chemical and optical properties at Barrow, Alaska // J. Geophys. Res. – 2002. – Vol. 107. – No 11. – P. AAC8/1–AAC8/15.

Quinn P., Bates T. Comparison of regional aerosol chemical and optical properties from the European, Asian, and North American plumes // IGACtiv Newsletter. – 2003. – No 28. – P. 24–30.

Sansone F.J., Benitez-Nelson C.R., Resing J.A., De Carlo E.H., Vink S.M., Heath J.A., Huebert B.J. Geochemistry of atmospheric aerosols generated from lava-seawater interactions // Geophys. Res. Lett. – 2002. – Vol. 29. – No 9. – P. 49/1–49/4.

Shamir N.J., Veizer J. Celestial driver of Phanerozoic climate? // GSA Today. – 2003. – Vol. 13. – No 7. – Р. 4–10.

Seinfeld J.H., Pandis S.N. Atmospheric Chemistry and Physics. From Air Pollution to Climate Change. – N. Y. : Wiley Int., 1998. – 1327 p.

Sibson R.H.,Moore J.M., Rankin A.H. Seismic pumping – a hydrothermal fluid transport mechanism // J. Geol. Soc. – 1975. – Vol. 131. – P. 653–659.

Stratospheric Processes and their Role in Climate (SPARC). A Project of the WMO/ICSU/IOC World Climate Research Programme (WCRP). SPARC Assessment of Stratospheric Aerosol Properties. Feb. 2006. WCRP-124, WMO/TD No1295 // SPARC Report No 4. – 322 p.

The Carbon cycle / Ed. by. Wigley T.M.L., Schimel D.S. – Cheltenham, U.K. : Edward Elgar Publ. Co. Ltd., 2000. – 480 р.

Toon O.B., Pollack J. B., Ackerman T.P., Turko R.P., McKay C.P., Liu M.S. Evolution of impact generated dust cloud and its effects on the atmosphere // Geological Society of America Special Paper, 190. – 1982. – P. 187–200.

Turco R.P., Toon O.B., Pollack J. B., Sagan C. Global consequences of nuclear warfare. // EOS. – 63 – 1982. – Р. 1018.

Twomey S. Atmospheric Aerosols. – Amsterdam : Elsevier, 1977. – 348 p.

Twomey S.A., Piergrass M., Wolfe T.L. An assessment of the impact of pollution on global cloud albedo // Tellus. – 1984. – Vol. 36B. – P. 356–366.

Went F.W. Organic matter in the atmosphere and its possible relation to petroleum formation // Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. – 1960. – Vol. 46. – P. 212–215.

Wexler A.S., Clett S.L. Atmospheric aerosol models for systems including the ions H+, , NH4+, Na+, SO42–, NO3–, Cl–, Br– and H2O // J. Geophys. Res. – 2002. – Vol. 107. – No 14. – P. ACH14/1–ACH14/14.

Whitby K. Modeling of atmospheric aerosol particle size distribution // Progress Report. Particle Technology Lab., Mech. Eng. Dep., Univ. Minnesota, USA, 1975. – 42 p.




DOI: http://dx.doi.org/10.24855/biosfera.v5i2.844

© ФОНД НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ "XXI ВЕК"