Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Изучение эволюции малых газовых составляющих (МГС) традиционно считается одной из основных задач в исследовании атмосферы Земли Эволюция МГС управляется фотохимическими процессами, которые, являясь одним из основных источников нагрева воздуха в средней атмосфере, оказывают влияние на большинство агмосферных параметров и об>сдавливают один из ключевых механизмов антропогенного воздействия на процессы, протекающие в различных областях атмосферы (озонные дыры, парниковый эффект, увеличение концентрации озона в пртемного слое и др ) В свою очередь, фотохимия подвержена влиянию всех типов атмосферного переноса, чувствительна к температуре, солнечной активности и другим атмосферным факторам Поэтому исследование эволюции МГС является важной составляющей анализа возможных изменений состояния всей земной атмосферы
Экспериментальное наблюдение за МГС атмосферы производится с помощью двух групп методов контактных и дистанционных Контактные измерения осуществляются посредством самолетов, зондов, стратостатов или ракет и, как правило, обеспечивают более высокую точность измерений При этом они имеют существенные ограничения по высоте (примерно 25 км для самолетов и зондов и 45-50 км для стратостатов) либо, как в случае ракетных измерений, оказываются весьма дорогостоящими и производятся эпизодически Дистанционные методы позволяют зондировать атмосферу в существенно большем диапазоне высот, однако для них существует проблема точности измерений, поскольку эти методы оперируют с интегральным сигналом, который формируется излучением, приходящим, как правило, из широкого диапазона высот и почти всегда сильно зашумлен-ным Поэтому, несмотря на многократный рост объема данных наблюдений за эволюцией МГС в последние годы (прежде всего, за счет спутниковых наблюдений), число доступных прямым и регулярным измерениям МГС по-прежнему невелико Естественный выход в такой ситуации - привлечение математических моделей атмосферных фотохимических систем, которые к настоящему моменту созданы и в значительной степени верифицированы для большинства областей земной атмосферы Основными задачами для данных моделей являются, во-первых, удовлетворительное воспроизведение наблюдаемого поведения интересующих нас МГС атмосферы, во-вторых, извлечение информации о плохо измеряемых компонентах из имеющихся экспериментальных данных В последнем случае математические модели используются для отыскания априорных связей между измеряемыми непосредственно и восстанавливаемыми характеристиками Отметим, что такой подход к обработке измеряемых данных может значительно (в разы) увеличивать информативность результатов экспериментальных кампаний по исследованию атмосферы Серьезным препятствием широко-
му применению атмосферных фотохимических моделей в указанных целях является их высокая размерность почти всегда в состав таких систем входит несколько десятков и более реагирующих между собой химических компонент, а эволюция этих систем зависит от большого числа параметров
В предшествующих диссертации работах (см, например, [1-5]) было показано, что исследование эволюции атмосферных фотохимических систем наиболее удобно проводить с помощью математически корректно упрощенных моделей (ниже, следуя работе [1], будем называть их базовыми динамическими моделями) Базовые динамические модели (БДМ) сохраняют в интересующей области значений параметров основные качественные и количественные свойства "полной" системы, но включают при этом минимально возможное число динамических переменных, описываемых дифференциальными уравнениями, и максимально возможное число переменных, описываемых локальными во времени и пространстве соотношениями Такие модели предназначались первоначально и были успешно использованы для анализа нелинейно-динамических свойств атмосферной фотохимии, обусловленных чисто химическими механизмами (без учета пространственных связей) [1-5] Очевидно, что указанные «врожденные» особенности БДМ позволяют существенно снижать время компьютерных расчетов в случае применения этих моделей при многомерном пространственном моделировании с учетом реальных процессов атмосферного переноса, а так же делают БДМ чрезвычайно эффективным инструментом для извлечения дополнительной информации из экспериментальных данных В данной работе базовые динамические модели привлекались для исследования фотохимических процессов в мезосфере Земли (диапазон высот 50-90 км)
Одним из интригующих свойств фотохимии мезосферы является возможность нелинейного отклика этой системы на сугочные вариации освещенности В работах [2, 4-8] с помощью нуль - мерных моделей было показано, что на высотах области мезопаузы (80-90 км) возможен широкий спектр периодических (субгармонических - с периодами 2, 3,4 и т д суток) и хаотических режимов поведения концентраций МГС Отметим что суточные вариации освещенности являются ключевым механизмом воздействия Солнца на химические процессы во всей атмосфере Однако, на сегодняшний день неизвестны какие-либо другие агмосферные фотохимические системы, которые обладают подобными нелинейно-динамическими свойствами Кроме того, интерес к нелинейным осцилляциям в районе мезопаузы продиктован возможностью их проявления в поведении основных параметров верхней мезосферы и в процессах генерации атмосферных волн Дело в том, что экзотермические реакции между МГС, входящими в состав мезосферной фотохимической системы, обеспечивают основной фотохимический нагрев воздуха мезосферы и на высотах области нелинейного отклика скорость притока тепла за счет данных процессов составляет несколько градусов в сутки [9] Поэтому нетривиальное поведение МГС в условиях верхней мезосферы может существенно проявляться в изменчиво-
сти температуры воздуха данной области В частности, хаотические осцилляции должны приводить к возникновению хаотической (нерегулярной) составляющей в зависимости от времени температуры воздуха Кроме того, присутствие в спектре фотохимического нагрева воздуха гармонической компоненты с периодом двое суток позволяет предположить существование связи между фотохимическими осцилляциямії с периодом двое суток и возбуждением квазидвухсуточньгх атмосферных волн Эти волны регулярно наблюдаются уже почти 40 лет, однако до сих пор не существует теории, позволяющей удовлетворительно объяснять все основные наблюдаемые особенности этого явления Заметим также, что поскольку данные процессы характеризуются примерно одинаковыми временными масштабами, можно ожидать, что воздействие квазидвухсуточной волны на область нелинейного отклика посредством локальной модуляции параметров фотохимии и через периодический перенос волновой компонентой ветра может существенно влиять на динамику МГС в этой области атмосферы Для того, чтобы говорить более определенно о возникновении данных явлений в реальных условиях мезосферы, необходимо провести детальный анализ нелинейно-динамических свойств мезосферной фотохимической системы не только с учетом квазидвухсуточной волны, но и других наиболее существенных типов атмосферного переноса В тоже время, исследования, проведенные в предшествующих диссертации работах [9-11], не позволяют дать исчерпывающий ответ на данный вопрос, поскольку в них рассмотрен далеко неполный спектр процессов переноса, которые потенциально могут воздействовать на динамику мезосферной фотохимической системы
В соответствие с вышесказанным первак цель диссертации заключалась в выявлении и анализе эффектов, обусловленных влиянием различных (не учитывавшихся ранее) типов атмосферного переноса на нелинейно-динамические свойства мезосферной фотохимической системы в районе мезопаузы (80-90 км) Для достижения поставленной цели с помощью базовых динамических моделей мезосферной фотохимии были решены следующие задачи
исследовано воздействие квазидвухсуточной атмосферной волны заданной амплитуды на двухсуточные фотохимические осцилляции в районе мезопаузы,
проведен анализ субгармонических режимов поведения мезосферной фотохимической системы с учетом вертикальной адвекции (перенос постоянной компонентой вертикальной скорости ветра) н горизонтальной турбулентной диффузии
Вторая цель диссертации заключалась в развитии методов применения базовых динамических моделей для восстановления по экспериментальным данным вертикальных распределений характеристик атмосферы, не измеряемых непосредственно Для продвижения в данном направлении в диссертации рассмотрены следующие задачи
проведен анализ возможностей БДМ мезосферной ФХС по восстановлению концентраций ряда малых газовых составляющих мезосферы и вертикальных профилей управляющих параметров данной ФХС, не измеряемых непосредственно, и разработаны соответствующие методы восстановления,
разработанные методы использованы для восстановления вертикальных распределений концентраций ключевых химических компонент мезосферы - атомарных кислорода и водорода, а также гидропероксида и паров воды по одновременным измерениям вертикальных распределений концентраций озона и гидроксила, проведенных в рамках спутниковых экспериментов CRISTA-MAHRSI
Научная новизна диссертационной работы определяется полученными в ней результатами
Путем аналитического исследования и численного моделирования показано, что наиболее существенным механизмом воздействия квазидвухсуточной атмосферной волны на двухсуточные фотохимические осцилляции в районе мезопаузы является периодический перенос малых газовых составляющих вертикальной компонентой скорости ветра в волне Данный механизм приводит к захвату фазы фотохимических осцилляции фазой осцилляции ветра и, тем самым, обуславливает формирование регулярного горизонтального распределения МГС верхней мезосферы с зональным волновым числом, близким к волновому числу атмосферной волны Минимальные амплитуды волны, необходимые для возникновения указанных эффектов, оказываются заметно меньше своих максимально возможных значений в реальных условиях мезопаузы
В результате проведенного численного моделирования обнаружено, чго влияние горизонтальной турбулентной диффузии на субгармонические фотохимические осцилляции в районе мезопаузы приводит к формированию реакционно-диффузионных волн в виде бегущих в зональном направлении фронтов и импульсов фазы этих осцилляции Показано, что в случае осцилляции с периодами двое и четверо суток скорость распространения данных волн прямо пропорциональна величинам коэффициента горизонтальной диффузии и градиента зональной неоднородности фазы суточных вариаций освещенности.
Путем численного моделирования показано, что учет вертикальной адвекции существенно модифицирует нелинейно-динамические свойства мезосферной фотохимической системы и, в зависимости от величины и направления скорости среднего вертикального ветра, может приводить как к подавлению нелинейных осцилляции малых газовых составляющих верхней мезосферы. так и к существенному усложнению спектра режимов их поведения При реально возможных значениях коэффициента вертикальной турбулентной диффузии и скорости вертикального ветра могут возникать сложные режимы поведения (в частности, трехсуточный и хаотический),
которые без учета вертикальной адвекции оказываются подавленными вертикальной диффузией
4 Предложен метод восстановления концентраций ряда малых газовых составляющих мезосферы, не измеряемых непосредственно, по экспериментальным данным Метод применен для обработки результатов одновременных измерений концентраций озона и гидроксила, проведенных в рамках спутниковых экспериментов CRIST A-MAHRSI, что позволило восстановить вертикальные распределения концентраций еще четырех ключевых химических компонент мезосферы - атомарных кислорода и водорода, а также пщропероксида и паров воды Показано, что в мезосфере и нижней гермосфере справедливо предельное соотношение между значениями концентраций ОН и Оз, зависящее от высоты Установлено, что данные CR1STA-MAHRSI удовлетворяют этому соотношению вплоть до высоты 87 км, а в вышележащей области имеется существенное расхождение между теорией и экспериментом
Научная достоверность и обоснованность результатов диссертации достигается соответствующими аналитическими оценками и численными расчетами Адекватность используемых моделей мезосферной фотохимической системы продемонстрирована как в предшествующих диссертации работах, так и непосредственно в диссертации
Практическая значимость проведенных исследований состоит в следующем
Во-первых, в диссертации проведен анализ возможных способов регистрации предсказываемых реакционно-диффузионных волн и измерения скорости их распространения в реальных условиях верхней мезосферы Проведение таких измерений предоставляет возможность прямой оценки величины одной из ключевых характеристик данной области атмосферы -уровня мелкомасштабной волновой турбулентности
Во-вторых, предложенный подход к восстановлению концентраций малых газовых составляющих мезосферы, не измеряемых непосредственно, по доступным экспериментальным данным является общим и может быть распространен на другие области атмосферы
В третьих, разработанный метод восстановления вертикального распределения концентрации паров воды в верхней мезосфере позволяет существенно повысить точность определения этой характеристики мезосферы в условиях формирования полярных мезосферных облаков
В четвертых, найденное предельное соотношение между значениями концентрации ОН и 03 может быть использовано для повышения точности измерений этих компонент в мезосфере и нижней термосфере
Результаты работы использовались при выполнении проектов РФФИ, Программы фундаментальных исследований ОФН РАН «Физика атмосферы электрические процессы, радиофизические методы исследований» и
Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Фундаментальные проблемы нелинейной динамики»
Личный вклад Из указанных ниже публикаций по теме диссертации работы [3*-4*, 8*-П\ 13*, 1б*-17*] выполнены совместно с научным руководителем, в работах [1*, 5*, 7*, 15*, 1*8], также выполненных совместно с научным руководителем. Г Р Зоннеманн принимал участие в тестировании алгебраического блока базовой динамической модели мезосферной фотохимической системы с помощью трехмерной модели фотохимии мезосферы и нижней термосферы, работы [2 , 6*, 12*, 14*, 20*] выполнены диссертантом без соавторов, в работе [19*] диссертант является научным руководителем своего соавтора (А П Гаштури).
Апробация результатов работы. Изложенные в диссертации результаты докладывались на семинарах и конкурсах работ молодых ученых ИПФ РАН, совещаниях по программе фундаментальных исследований ОФН РАН «Физика атмосферы электрические процессы, радиофизические методы исследований», на международных конференциях 4-ом и 5-ом Рабочих совещаниях программы «REACTOR» Европейского научного фонда (2003 г, Будапешт, Венгрия, 2004г, Прага, Чехия), 35-ой Научной ассамблеи COSPAR (2004г, Париж, Франция), Генеральной ассамблеиЕвропейского союза наук о Земле (2005 г, Вена, Австрия), Международном симпозиуме «Topical Problems ol Nonlinear Wave Physics» (2005 г, Санкт-Петербург -Нижний Новгород, Россия), на всероссийских конференциях 9-ой Всероссийской школе-семинаре «Волны - 2004» (Москва), 7-ой, 8-ой, 9-ой и 10-ой Всероссийской школе-конференции молодых ученых «МАПАТЭ» (2003г, Нижний Новгород, 2004г, Москва, 2005г, Борок, 2006г, Москва), 12-ой и 13-ой Научной школе «Нелинейные Волны» (2004 и 2006 г г , Нижний Новгород), XV научной сессии Совета по нелинейной динамике (2006г, Москва)
Публикации Основные результаты диссертации опубликованы в 6 статьях в реферируемых российских и международных научных журналах, 2 препринтах ИПФ РАН, 2 отчетах по программе фундаментальных исследований ОФН РАН, 4 сборниках трудов и 6 сборниках тезисов всероссийских и международных конференций
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы Всего в работе 55 рисунков, три таблицы Список цитируемой литературы состоит из 76 наименований. Общий объем диссертации 115 листов
