Инфракрасное излучение

Оптическая толщина экстинкции (и поглощения) (как указывалось ранее в разделе, посвященном обсуждению оптических свойств загрязнений) дымового и пылевого аэрозолей в видимой части спектра больше, чем в инфракрасной. Аэрозоль сильнее поглощает солнечное излучение, чем тепловое излучение поверхности Земли и атмосферы; это непосредственно приводит к двум следствиям. Во-первых, влияние поглощающих аэрозолей на климат качественно отличается от парникового эффекта газовых примесей, таких как С02. Газы преимущественно поглощают инфракрасное излучение. Увеличение их концентрации приводит к увеличению поглощения длинноволнового излучения в атмосфере, что в свою очередь вызывает нагрев земной поверхности, так как затрудняет утечку тепла через атмосферу. Наоборот, наличие аэрозоля препятствует проникновению солнечного излучения к земной поверхности. Если аэрозоли непо-глощающие, то поверхность должна охлаждаться вне зависимости от оптической толщины аэрозоля, так как в этом случае аэрозольное загрязнение способствует увеличению планетарного альбедо. Если аэрозоль поглощает солнечное излучение, то поверхность будет нагреваться, когда аэрозольный слой оптически тонок и расположен у поверхности Земли. Если же аэрозольный слой расположен достаточно высоко или имеет большую оптическую толщину, поверхность будет охлаждаться. В работах Акермена и др. (Ackerman et al., 1985а) и Рамасвами и Киля (Ramaswamy, Kiehl, 1985) подробно обсуждаются различные возможности. Даже если аэрозольный слой становится оптически толстым в инфракрасном диапазоне длин волн, поглощение видимого света превалирует над поглощением теплового излучения. Важная роль, которую играет эта особенность зависимости коэффициента поглощения аэрозоля от длины волны, обсуждается в следующем разделе.
Во-вторых, из-за более слабого поглощения теплового излучения по сравнению с солнечным светом происходит формирование температурных градиентов в оптически толстом аэрозольном слое. Солнечный нагрев существен в верхней части слоя от верхней границы до уровня, соответствующего оптической толщине в видимом диапазоне, достигающей величины 1—2. Способность слоя охлаждаться за счет высвечивания в инфракрасном диапазоне прямо пропорциональна его способности поглощать тепловое излучение, определяющейся оптической толщиной слоя в длинноволновой части спектра. Поэтому охлаждение атмосферы за счет высвечивания теплового излучения через верхнюю границу слоя также преимущественно имеет место в области между вершиной аэрозольного облака и уровнем, где оптическая толщина для длинноволнового излучения достигает значения 1—2. Однако толщина слоя, в котором существенно инфракрасное охлаждение, больше, чем толщина слоя, где происходит солнечный нагрев, так как коэффициент экстинкции на единицу массы для длинных волн меньше, чем для видимого света. Поэтому, чтобы оптическая толщина для инфракрасного излучения была такой же, как и для видимого света, выделенный столб атмосферы должен содержать большую массу аэрозоля. Следовательно, тепловое излучение будет высвечиваться слоями атмосферы, расположенными существенно ниже областей солнечного нагрева. Различие толщин слоев инфракрасного высвечивания и поглощения солнечного излучения может уменьшиться при наличии в атмосфере примесей, таких как пары воды или СОг, активно излучающих в тепловом диапазоне. Однако спектральные характеристики оптически активных газовых примесей, поглощение которых характеризуется наличием инфракрасных окон, таковы, что они не способны полностью компенсировать различие оптических толщин аэрозоля в инфракрасном и видимом диапазоне длин волн.
В результате такого вертикального распределения радиационных нагрева и охлаждения в дымовом слое устанавливается профиль температуры с максимумом на вершине слоя или около нее. Это в свою очередь приводит к устойчивой стратификации аэрозольного слоя и препятствует вертикальному перемешиванию. Такой дифференциальный нагрев прекратится, когда температура слоя станет достаточно высокой и тепловое излучение с верхней границы слоя точно уравновесит поглощенную солнечную энергию. Однако, до того как это произойдет, нагретый воздух будет подниматься вверх и перемешиваться с окружающим воздухом над слоем, вынося аэрозоль вверх. Очевидно, что суточные вариации солнечного нагрева при относительно постоянном инфракрасном охлаждении вызов