Крошечные частицы, большое влияние

Атмосферные аэрозоли, размер которых варьируется от нескольких нанометров до нескольких микрон, оказывают значительное влияние на климат. В Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) разработаны новые вычислительные инструменты, которые дают свежие представления о формировании, старении и переносе аэрозольных частиц природного и антропогенного происхождения. Два достижения — Aerosol Modeling Testbed и подход под названием particle resolved model (модель с разрешением на уровне частиц) — позволяют точнее оценить влияние аэрозолей на изменение климата.

Значительная неопределенность в климатических прогнозах связана со сложным взаимодействием облаков и аэрозолей и трудностями учёта этих процессов в климатических моделях. Эти мельчайшие частицы служат «зародышами» для капель облаков и кристаллов льда, из которых состоят облака, охлаждающие или нагревающие Землю. Аэрозоли также влияют на климат, поглощая и отражая солнечный свет. Влияние антропогенной деятельности на аэрозольный эффект возросло с конца XIX века, но оно остаётся неопределённым из-за сложных и плохо изученных связей.

Новый инструмент PartMC-MOSAIC представляет собой модель с разрешением на уровне частиц, которая точно описывает старение сложной смеси растворимых солей, пыли, сажи и органических соединений в атмосфере. Хотя она слишком ресурсоёмка для полномасштабных климатических моделей, она служит эталонным инструментом для их разработчиков. PartMC-MOSAIC впервые позволила провести детальное моделирование старения сложных внешне смешанных аэрозолей из-за коагуляции и конденсации полулетучих газов. Модель уже была применена для анализа эволюции идеализированного шлейфа выбросов аэрозолей Лос-Анджелеса.

Aerosol Modeling Testbed предоставляет вычислительную среду для систематической и объективной оценки работы модулей аэрозольных процессов — элементов крупных климатических моделей. Тестовая среда включает модель WRF-Chem, набор тестовых случаев и Analysis Toolkit для документирования оценки модулей. Исследователь запускает свой модуль через WRF-Chem, сравнивает результаты с контрольным моделированием и может количественно оценить изменения в работе модуля, в то время как все другие атмосферные процессы остаются неизменными.

Многие возможности, разработанные в рамках этой программы PNNL LDRD, уже применяются для интерпретации и оценки комплексных полевых наблюдений за различными типами аэрозолей и их влиянием на климат. Обработка аэрозольных процессов в модели Community Earth System Model была применена в Aerosol Modeling Testbed и оценивается с использованием измерений полевых экспериментов в Мексике и Барроу, Аляска.