Обновление: о вулканических сумерках в регионах Северного полушария с середины июля 2019 г.

Ранее мы писали о том, что в различных регионах Северного полушария начиная с конца второй-начала третьей декады июля наблюдаются необычные закаты и рассветы. Вкратце опишем их особенности (для простоты описание даётся только для закатов):

- пурпурные и/или фиолетовые оттенки: появляются через 10-15 минут после заката над обычными светлыми оттенками зари, достигают максимальной яркости через 5-10 минут после своего появления и полностью исчезают через 30-40 минут после заката;

- сумеречные лучи, если на расстояниях порядка нескольких сотен км в направлении зашедшего за горизонт солнца есть облака или горы — они дают тени;

- (редко) тонкие волокнистые белесоватые облака у горизонта: заметны в сумерках даже после того, как тропосферные облака, включая перистые, уже зашли в земную тень.

Понятно, что причину необычной окраски закатов нужно искать в стратосфере, а именно — в повышенном содержании аэрозолей на высотах около 15-25 км, в т. н. слое Юнге. Известно два механизма пополнения этого слоя аэрозолями:

— основной — вулканические извержения: при мощных извержениях с высотой эруптивной колонны 10-12 км и выше (соответствует 4 баллам и выше по шкале вулканической активности VEI) в верхнюю тропосферу и нижнюю стратосферу попадает вулканический материал, в том числе пепел и сернистый газ SO2. SO2 в стратосфере превращается в фотохимических реакциях в серную кислоту H2SO4. Образуются т. н. сульфатные аэрозоли, состоящие из мельчайших капелек водного раствора серной кислоты размером 0,1—1 мкм. Среднее время жизни SO2 в стратосфере — время, за которое количество SO2 уменьшается в e = 2.71... раз — составляет месяц;

(Влияние собственно сернистого газа на сумеречные явления мало — существенно влияют только сульфатные аэрозоли.)

— дополнительный — забрасывание частичек дыма (в основном сажи) в исключительно мощных пиро-кучево-дождевых облаках (cumulonimbus flammagenitus, pyrocumulonimbus), возникающих иногда над крупными очагами возгорания. Типичный размер частиц — также 0,1—1 мкм.

В заметке https://vk.com/wall-42886009_860572 мы указывали, что вероятной причиной таких «вулканических» закатов является дым от лесных пожаров - в частности, в Сибири и на Дальнем Востоке (Россия), на Аляске (США), в Канаде. Действительно, сезон пожаров 2019 г. во многом исключительный. Однако более подробный анализ показал, что настоящим «виновником» вулканических закатов, скорее всего, являются как раз вулканы.

Трансконтинентальный перенос дыма от природных пожаров — явление нередкое. См. например, событие июля 2013 г., когда дым от лесных пожаров в Канаде достиг центра Европейской России: http://meteoweb.ru/news/2013/07/wn2013071000.php. Как подчёркивается в заметке, 9 и 10 июля дым лесных пожаров в атмосфере над ЕТР придавал небу заметный белесоватый оттенок, а закаты и восходы приобретали насыщенно красный цвет — именно красный цвет, а не пурпурный или фиолетовый. Отметим, что тогда дым отмечался в основном в верхней тропосфере.

Рекордный по своим масштабам выброс дыма от лесных пожаров в нижнюю стратосферу произошёл 12 августа 2017 г. в западной Канаде. Восходящие потоки в грозовых пиро-кучево-дождевых облаках забросили огромные количества дыма (в основном сажи) на высоту 15-20 км, что по высоте выброса сравнимо с вулканическим извержением c VEI 4 или выше. (Подробнее см. Ansmann, A., Baars, H., Chudnovsky, A., Mattis, I., Veselovskii, I., Haarig, M., Seifert, P., Engelmann, R., and Wandinger, U.: Extreme levels of Canadian wildfire smoke in the stratosphere over central Europe on 21–22 August 2017, Atmos. Chem. Phys., 18, 11831–11845, https://doi.org/10.5194/acp-18-11831-2018, 2018.)Повышенная концентрация аэрозолей в нижней стратосфере отмечалась над Северным полушарием вплоть до начала 2018 г., однако фиолетовые закаты не наблюдались.

Перейдём к событиям 2019 г. Мощных пиро-кучево-дождевых облаков в первой половине лета 2019 г. в Северном полушарии не отмечалось (см. базу данных PyroCb: https://pyrocb.ssec.wisc.edu/). Мощные вулканические извержения, напротив, были. 21 июня 2019 г. около 18:10 по гринвичскому времени началось извержение вулкана Райкоке на Курильских островах. Основная фаза извержения продолжалась до 22 июня включительно. Облака пепла поднимались на высоту до 13-17 км, что при высоте тропопаузы 11 км указывает на заброс вулканического материала в нижнюю стратосферу (https://earthobservatory.nasa.gov/images/145226/raikoke-erupts). По спутниковым оценкам, масса выброшенного сернистого газа SO2 составила около 1,35 Тг (1 тераграмм = 1 мегатонна). Видно, что в системе движений циркуляции атмосферы облака сернистого газа обогнули умеренный пояс северного полушария примерно за две недели.

Для сравнения: при извержении вулкана пик Сарычева в 2009 г., после которого отмечались вулканические закаты, вулканический материал поднимался на высоту 8—16 км, а масса выброса SO2 указывается в различных источниках от 0,6 до 2 Тг.

Почти полное исчезновение SO2 в верхней тропосфере и нижней стратосфере произошло к концу июля—началу августа — примерно через 35—40 дней после основной фазы извержения Райкоке. Это сравнимо со средним временем жизни SO2 в стратосфере (1 месяц).

Для полноты укажем, что 26 июня произошло извержение вулкана Улавун в Папуа — Новой Гвинее. Высота эруптивной колонны достигла 19 км (https://www.volcanodiscovery.com/ulawun/news/82291/Ulawun-volcano-New-Britain-Papua-New-Guinea-activity-update-Major-subplinian-eruption-ash-to-at-leas.html) или даже 22 (!) км (https://www.nesdis.noaa.gov/content/himawari-8-sees-volcanic-cloud-mt-ulawun-eruption), но масса выброшенного SO2 составила всего около 0,15 Тг — на порядок меньше, чем при извержении Райкоке. Кроме того, большая часть выбросов сернистого газа попала в Южное полушарие, а не в Северное. Поэтому мы не будем больше останавливаться на этом извержении.

Для того чтобы более подробно изучить облака вулканического аэрозоля, рассмотрим данные лидаров.

Справка: атмосферный лидар (англ. lidar от light detection and ranging — обнаружение и определение дальности с помощью света) — это прибор, совмещающий в себе импульсный лазерный передатчик и фотоприёмник (обычно телескоп) с электронным блоком обработки сигналов, используемый для обнаружения и определения расстояний до различных удалённых объектов в атмосфере, сходный по принципу работы с микроволновым радаром. (http://glossary.ametsoc.org/wiki/Lidar)

Величина, аналогичная радиолокационной отражаемости, в лидарных измерениях носит название коэффициента рассеяния назад (англ. backscatter ratio) — это доля падающей энергии, рассеянная в единичном телесном угле (стерадиан) в направлении назад участком атмосферы единичной длины. В СИ измеряется в м^-1 ср^-1, но часто более удобно работать с км^-1 ср^-1.

Часто зондирующий пучок лидара поляризован (как правило, линейно). В таком случае совершенно обычно определяется коэффициент (степень) деполяризации принимаемого излучения (англ. depolarization ratio). Для сферических частиц он равен 0 — деполяризации нет, а вообще деполяризация тем выше, чем дальше форма частиц от сферической.

Типичные значения коэффициента деполяризации таковы: облачные капли — до 0,1, облачные кристаллы льда — 0,3—0,5.

Ниже приведены данные лидарных измерений, произведённых 5 июля 2019 г. спутником CALIPSO (англ. Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation, данные доступны по ссылке https://www-calipso.larc.nasa.gov/). Отчётливо видны облака вулканических аэрозолей на высотах 10—11,5 км, которые находятся выше обычных перистых облаков. Для сравнения приведён спутниковый снимок с наложенным слоем концентрации SO2. Видно хорошее согласие аэрозольных слоёв (они пронумерованы) на данных CALIPSO с местоположением полос SO2.

Для ещё более подробного анализа воспользуемся данными наземных лидаров сети MPLNET (англ. Micro-Pulse Lidar Network), принадлежащей NASA (https://mplnet.gsfc.nasa.gov/). Выберем станцию Фэйрбэнкс на Аляске, США: до неё первой из сети MPLNET дошли облака вулканического материала — примерно через трое суток после начала извержения. Поэтому по данным этого лидара можно проследить за «старением» вулканического аэрозоля.

Во-первых, со временем облака вулканического аэрозоля постепенно рассеиваются. Но куда более важно, что резко спадает их коэффициент деполяризации: от начальных значений около 0,17—0,20 через 3 суток после основной фазы извержения до 0,10—0,15 через 10 суток, 0,05—0,08 через 17 суток, 0,04 через 24—25 суток и 0,03 через 30 суток. Спадание происходит примерно в геометрической прогрессии. Это согласуется со средним временем жизни SO2 в стратосфере, равным 1 месяцу.

Именно такое поведение «стареющего» вулканического аэрозоля было установлено для извержения пика Сарычева в 2009 г. (см. Prata, A. T., Young, S. A., Siems, S. T., and Manton, M. J.: Lidar ratios of stratospheric volcanic ash and sulfate aerosols retrieved from CALIOP measurements, Atmos. Chem. Phys., 17, 8599–8618, https://doi.org/10.5194/acp-17-8599-2017, 2017). Авторы объясняют это формированием сульфатного аэрозоля вместе с выпадением более крупных частиц пепла, имеющих неправильную форму.

Для сравнения: снижение коэффициента деполяризации стратосферных слоёв дыма с 0,15—0,25 до <0,05 во время события 2017 г. (см. выше) произошло за 5-6 месяцев, как указывается в препринте Baars, H. et al.: The unprecedented 2017–2018 stratospheric smoke event: Decay phase and aerosol properties observed with EARLINET, Atmos. Chem. Phys. Discuss., https://doi.org/10.5194/acp-2019-615, in review, 2019.

Наконец, покажем лидарные измерения «зрелых» облаков сульфатных аэрозолей в конце августа 2019 г. 24 августа вулканический закат наблюдался во многих регионах ЕТ СНГ. На вертикальном профиле коэффициента рассеяния назад от 25 августа облака сульфатных аэрозолей видны как слабые волнистые полосы на высотах 8-20 км.

Таким образом:

— отсутствие аномальных пурпурных и фиолетовых закатов и рассветов после мощных выбросов дыма и сажи от природных пожаров в стратосферу развитыми пиро-кучево-дождевыми облаками, какие были, например, при лесных пожарах на западе Канады 12 августа 2017 г.;

— отсутствие мощных пиро-кучево-дождевых облаков в Северном полушарии в первой половине лета 2019 г.;

— сходства извержения Райкоке в июне 2019 г. по высоте выброса вулканического материала (16-17 км), по массе выброшенного SO2 (порядка 1 Тг) и по ходу «старения» вулканического аэрозоля с извержением пика Сарычева в 2009 г., после которого наблюдались вулканические закаты, —

весьма надёжно показывают, что вулканические закаты в Северном полушарии начиная с середины июля 2019 г. имеют вулканическое происхождение.

Источник: m.vk.com