Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Краткий обзор литературы по основным разделам диссертации 10
1.1. Дистанционные оптические методы наблюдения NO2 10
1.2. Временная изменчивость NO2 13
1.3. Широтное распределение N02 15
1.4. Воздействие вулканических извержений HaN02 16
Глава 2. Аппаратура и методика измерений 20
2.1. Измерения по прямому солнечному излучению 20
2.2. Измерения по рассеянному из зенита солнечному излучению 22
2.2.1. Автоматизированный спектрофотометр для измерения общего содержания и вертикального распределения N02 в атмосфере 22
2.2.2. Сумеречный метод наблюдений и обработка регистрируемых спектров 24
2.2.3. Апробация прибора 25
Глава 3. Методика восстановления общего содержания и вертикального распределения NO2 26
3.1. Определение общего содержания озона 26
3.2. Определение наклонного содержания N02 26
3.3. Фотохимическая модель суточного хода N02 31
3.4. Определение общего содержания и вертикального распределения N02 32
3.5. Ошибки восстановления содержания NO2 39
3.6. Сопоставление с данными спутниковых измерений 40
Глава 4. Измерения общего содержания N02 в различных регионах 45
4.1. Измерения в Антарктике 45
4.1.1. Измерения на антарктических станциях Молодежная и Мирный весной 1987 г. и летом 1988 г . 45
4.1.2. Измерения в море Уэдделла в сентябре-октябре 1989 г. 48
4.2. Широтное распределение NO2 по измерениям в Атлантике 50
4.2.1. Измерения в мае 1988 г. 50
4.2.2. Измерения в августе-сентябре и ноябре-декабре 1989 г. 57
Глава 5. Измерения общего содержания и вертикального распределения NO2 на Звенигородской научной станции 62
5.1. Временная изменчивость общего содержания и вертикального распределения N02 в стратосфере 62
5.1.1. Общие характеристики изменчивости 62
5.1.2. Различия утренних и вечерних значений содержания N02 64
5.1.3. Влияние вулканических извержений вулкана Пинатубо 67
5.1.4. Межгодовая изменчивость 70
5.1.5. Тренды содержания N02 73
5.2. Характеристики изменчивости содержания N02 в тропосфере 77
5.2.1. Статистические характеристики 77
5.2.2. Оценка образования N02 в области гроз 86
5.3. Эмпирическая модель вертикального распределения N02 88
Заключение 97
Литература 100
- Дистанционные оптические методы наблюдения NO2
- Автоматизированный спектрофотометр для измерения общего содержания и вертикального распределения N02 в атмосфере
- Определение общего содержания и вертикального распределения N02
- Измерения на антарктических станциях Молодежная и Мирный весной 1987 г. и летом 1988 г
Дистанционные оптические методы наблюдения NO2
Начало измерениям содержания N02 в атмосфере оптическими методами положено около тридцати лет назад А.У. Брюэром в Канаде [Brewer et al., 1973] и Дж. Ноксоном в США [Noxon, 1975]. В нашей стране первые измерения выполнены Г.И. Кузнецовым [1977].
NO2 имеет диффузные полосы поглощения в видимой и ближней инфракрасной области спектра с максимальными значениями сечения поглощением около 6-Ю"19 см2 в окрестности 400 нм [Solomon et al., 1999]. Различия между максимальным и минимальным поглощением в соседних полосах составляют около 50%, то есть порядка 3-10 см . С учетом того, что общее содержание NO2 в вертикальном столбе атмосферы изменяется в пределах от 1015 до 7-Ю15 мол/см2, дифференциальный эффект поглощения видимого излучения молекулами NO2 на вертикальном пути составляет в лучшем случае не более 0,2% от интенсивности падающего излучения. Столь незначительный эффект поглощения составляет главную трудность в определении содержания NO2 в земной атмосфере. По этой причине измерения проводятся при больших зенитных углах источника (солнца, луны), чтобы максимально увеличить поглощающую массу.
Все наземные оптические наблюдения NO2 делятся на две категории: измерения по прямому излучению и измерения по рассеянному из зенита излучению. Измерения по прямому солнечному излучению привлекательны простотой интерпретации спектров пропускания и, следовательно, простотой определения общего содержания NO2. Однако этот метод измерений имеет ощутимые недостатки. Максимальное значение массы NO2 на пути луча не превьппает 10 (слой NO2 сосредоточен в основном в интервале высот 20-40 км), поскольку из-за трудностей интерпретации наблюдения реально выполняются только до зенитных углов 87. Для расчета массы NO2 надо, вообще говоря, знать форму вертикального профиля ЫОг, что особенно важно для интерпретации измерений при больших зенитных углах Солнца. Кроме того, этот метод можно применять только в отсутствие даже незначительного загрязнения нижней тропосферы. Измерения по прямому солнечному излучению требуют свободного от облаков горизонта, и этот фактор резко сокращает количество измерений.
Метод измерения общего содержания ЫОг по прямому солнечному излучению применялся в семидесятых годах, в начале становления техники и методов наблюдения атмосферного NO2 [Kulkarni, 1975; Okazaki et al., 1979]. В настоящее время он используется А.Я. Арабовым на Кисловодском высокогорной станции ИФА [Еланский и др., 1986].
Метод измерений содержания NO2 по рассеянному из зенита солнечному излучению в течение сумерек имеет важные преимущества по сравнению с методом измерений по прямому излучению. Однако его применение сопряжено, вообще говоря, с решением обратной задачи или, в простейшем его варианте, с необходимостью информации о высоте максимума NCh. Этот метод позволяет увеличить максимальное значение массы N02 до 30 (при зенитном угле Солнца около 94). К достоинствам метода относятся: возможность проведения измерений практически при всякой погоде, простота автоматизации измерений (так как не нужна следящая система), возможность восстановления вертикального профиля N02, возможность контроля тропосферного загрязнения окислами азота. В настоящее время этот метод используется в подавляющем большинстве измерений содержания NO2 с поверхности Земли. Еще полтора десятка лет назад в мире насчитывалось лишь несколько экспериментальных групп, проводящих измерения NO2 [McKenzie and Johnston, 1984; Mount et al., 1987; Pommereau and Goutail, 1988; Елохов и Груздев, 1991], но их количество за прошедшие годы значительно выросло и продолжает расти [Lai et al., 1993; Pfeilsticker and Piatt, 1994; Van Rosendael et al., 1994; Grendel et al., 1995; Mayer et al., 1995; Yela et al., 1995; Gil et al., 1996; Wittrock et al., 1997; Гришаев и Зуев, 1996; Slusser et al., 1997; De Maziere et al., 1998].
Наряду с наземными наблюдениями N02 выполняются измерения оптическими методами со спутников [Mount et al., 1984; Russel et al., 1984; Chu and McCormick, 1986; Zawodny and McCormick, 1991; Dessler et al., 1996; Nedoluha et al., 1998; Тимофеев и др., 2000] и баллонов [Iwagami et al., 1985; Pommereau and Piquard, 1994]. И те и другие дают возможность получать вертикальное распределение N02. Серьезный недостаток баллонных измерений - их дороговизна и, вследствие этого, - эпизодичность измерений. Измерения со спутников позволяют получать картину распределения NO2, близкую к глобальной. Это, однако, не принижает значение наземных измерений. Спутниковые методы наблюдения вертикального распределения ЫОг эффективны для высот стратосферы (исключая нижнюю стратосферу) и мезосферы. В условиях сильно возмущенного аэрозольного стратосферного слоя (например, после мощных вулканических извержений) эффективность спутниковых методов измерения снижается [Elokhov and Gruzdev, 1998]. Пока существуют проблемы измерения общего содержания NO2 со спутников [Тимофеев и др., 2000].
По причине слабого поглощения NO2 в оптических измерениях важно использовать максимум информации об NO2 в регистрируемом спектре. Измерения могут выполняться на определенных длинах волн или в непрерывном диапазоне спектра. И в том и в другом случае важно использовать наиболее информативные участки спектра. Выбор длин волн, которые используются для определения наклонного содержания NO2, определяется спектральными особенностями сечений поглощения N02 и озона и положением фраунгоферовых линий [Noxon et al., 1979; Syed and Harrison, 1980, Solomon et al., 1987]. Использование всего непрерывно регистрируемого спектра повышает точность определения наклонного содержания N02, но требует обязательного учета Ринг-эффекта [Solomon et al., 1987; Sanders, 1996; Елохов и Груздев, 2000]. Вероятно, обработка всего регистрируемого спектра была впервые применена в работе [Okazaki et al., 1979].
Определение общего содержания NO2 в вертикальном столбе воздуха из данных наземных зенитных измерений требует, вообще говоря, решения обратной задачи. Однако большинство исследователей пользуется для этого пересчетным коэффициентом (enhancement factor), переводящим наклонное содержание в содержание в вертикальном столбе [Noxon et al., 1979]. Этот коэффициент зависит от вертикального распределения NO2. Его иногда можно качественно оценить из наблюдений [Noxon et al., 1979], но практически в большинстве случаев он полагается априорно известным. Решение обратной задачи для определения вертикального профиля NO2 впервые выполнено в [McKenzie et al., 1991] с использованием релаксационного метода Шахина [Chahine, 1972], в котором в качестве единственного ограничения, накладываемого на решение, используется требование его положительности. Метод использует аппроксимацию матрицы ядра интегрального уравнения диагональной матрицей. Он достаточно прост в реализации, обладает хорошей устойчивостью, но не содержит аппарата оценки методической погрешности решения. Альтернативный метод восстановления вертикального профиля N02, основанный на подходе Роджерса [Rodgers, 1976], развивается в работе [Preston et al., 1997]. Он позволяет оценить ошибки восстановления, но восстановленный профиль зависит от априорной информации о его форме (с неопределенностью до 25% в области высот 10-35 км). В настоящее время регулярные измерения вертикального профиля ЫОг выполняются только на Звенигородской научной станции (с 1990 г.) [Elokhov and Gruzdev, 1998; Елохов и Груздев, 2000].
Большой научный и практический интерес представляют измерения содержания NO2 в тропосфере, в частности, в пограничном слое атмосферы. Зенитные измерения позволяют оценить содержание NO2 в тропосфере, что было продемонстрировано Ноксоном [Noxon, 1978]. На ЗНС оценки содержания NO2 в столбе тропосферы и в приземном слое получаются на регулярной основе в процессе восстановления вертикального профиля NO2 [Elokhov and Gruzdev, 1995; Елохов и Груздев, 2000].
Автоматизированный спектрофотометр для измерения общего содержания и вертикального распределения N02 в атмосфере
В зенитных измерениях во время сумерек регистрируется солнечное излучение, претерпевшее рассеяние в атмосфере над прибором (рис. 2). Часть траектории солнечных фотонов от Солнца до точки рассеяния в области зенита проходит через атмосферу по наклонной линии, а часть траектории от точки рассеяния до прибора приблизительно по вертикали. Положение точки рассеяния зависит от зенитного угла Солнца и длины волны. При изменении зенитного угла Солнца область рассеяния в целом смещается в вертикальном направлении. С увеличением зенитного угла Солнца увеличивается относительный вклад более высоких слоев атмосферы в содержание NO2 вдоль траектории луча.
Наличие однородной облачности ослабляет регистрируемые потоки излучения, но не отражается принципиально на наблюдениях NO2 [Noxon et al., 1979]. Достаточно быстрая развертка спектра позволяет проводить наблюдения NO2 также в условиях медленно движущейся неоднородной или разорванной облачности. При измерениях с борта корабля корабельная качка в большинстве случаев также не отражалась на качестве измерений содержания N02, поскольку метод зенитных наблюдений N02 мало чувствителен к точности направления прибора в зенит [Noxon et al., 1979].
При обработке спектров пропускания атмосферы необходимо выделить слабый эффект поглощения N02. Насколько эта процедура будет корректной, зависит от точности привязки записанного спектра к точному положению используемых длин волн. При развертке спектра начальная привязка может сбиваться, и ее необходимо выполнять для каждого скана. Дополнительная трудность возникает, когда скорость развертки в прямом и обратном направлениях неодинакова. Кроме того, играет роль люфт микровинта, из-за чего движения вперед и назад могут иметь систематический сдвиг.
В данной работе подготовительная обработка регистрируемых спектров осуществляется следующим образом. Для начальной привязки спектра используется положение ртутной линии 4358,33 А. Прямой и обратный спектры путем процедуры сжатия или растяжения приводятся к единому линейному масштабу по длине волны, а затем сворачиваются в единый спектр. Для привязки особенностей прямого и обратного спектров друг к другу используется корреляционная техника.
Все результаты зенитных измерений содержания N02, представленные в диссертации, получены с помощью одного прибора. Автоматизированный спектрофотометр для измерений содержания NO2 используется для регулярных измерений на Звенигородской научной станции с марта 1990 г. Станция входит в состав международной сети по обнаружению глобальных изменений стратосферы (NDSC), включающей только станции с признанным высоким качеством измерений. В августе 1991 г. в Канаде и в сентябре 1997 г. на ЗНС прибор и методика расчета наклонного содержания N02 прошли успешную проверку в международных сравнениях, проводившихся под эгидой NDSC. В результате последнего сравнения звенигородский прибор получил статус эталонного прибора для наблюдений N02 на территории бывшего СССР.
В настоящее время выполняются измерения содержания N02 на других станциях. Это Кисловодская высокогорная научная станция Института физики атмосферы им. A.M. Обухова РАН, станция Ловозеро Полярного геофизического института Кольского научного центра РАН, станция Института оптики атмосферы Сибирского отделения РАН в г.Томске, станция Иссык-Куль Киргизского государственного национального университета. Эти станции оснащены приборами, однотипными со звенигородским прибором. Методика измерений также однотипна. Автоматизация измерений на всех станциях выполнена автором диссертации. Расчет содержания NO2 проводится по его методике с помощью его программного обеспечения.
Для определения ОС озона по измеренным спектрам пропускания прямого солнечного излучения в ультрафиолетовой области спектра применялась многоволновая методика [Хргиан и Кузнецов, 1981]. Для определения ОС озона по спектрам рассеянного из зенита солнечного излучения использовались расчетные номограммы. Они вычислялись путем решения прямой задачи с помощью сферической модели атмосферы в приближении однократного рассеяния на молекулах и аэрозоле. В качестве вертикальных распределений температуры и плотности в модели использовались средние профили по данным аэрологического зондирования за срок наблюдений. Содержание аэрозоля задавалось средним стандартным профилем [Elterman, 1968]. Форма вертикального профиля озона соответствовала данным озонного зондирования [Груздев и Ситнов, 1991]. Номограммы, характеризующие эффект поглощения озона в зависимости от зенитного угла Солнца, рассчитывались при разных значениях ОС озона, которое варьировалось путем пропорционального изменения вертикального профиля озона. ОС озона определялось по номограммам интерполяцией значений ОС озона, соответствующих двум номограммам, наиболее близким по величине поглощения озона к измеренному значению поглощения (при данном зенитном угле Солнца). Сравнение значений ОС озона, полученных в одновременных измерениях по прямому Солнцу и по зениту, показало их хорошее совпадение (см. раздел 4.1.1 и рис. 8).
Определение общего содержания N02 в вертикальном столбе воздуха и восстановление вертикального распределения ЫОг выполняется в два этапа. Сначала рассчитывается содержание NCb вдоль траектории солнечного излучения, регистрируемого прибором (т.н. наклонное содержание NO2), а затем определяется вертикальное распределение и общее содержание N02.
При определении наклонного содержания N02 использованы различные методы. На начальном этапе измерений, в антарктической экспедиции и в первых измерениях в Атлантике, применялся более простой метод определения ОС NO2. Для расчета наклонного содержания N02 по спектрам прямого солнечного излучения, записанным на диаграммную ленту (в измерениях в Антарктиде), использовались длины волн 434,9; 437,9; 439,0; 439,7; 441,2; и 442,0 нм. Метод расчета в целом близок к методу, применявшемуся Ноксоном [Noxon et al., 1979]. Для расчета наклонного содержания NO2 по спектрам, записанным на магнитную ленту, использовался весь спектр. Метод расчета аналогичен методу, описанному в работе [Solomon et al., 1987].
В большинстве измерений (в том числе, во всех измерениях на ЗНС) применялся описанный ниже более совершенный метод определения наклонного содержания NO2 [Sanders, 1996; Елохов и Груздев, 2000]. Его суть состоит в том, что содержание NO2 в наклонном столбе воздуха определяется нелинейным методом наименьших квадратов по деформации спектра, вызванной поглощением NO2 и озона, однократным молекулярным и аэрозольным рассеянием и Ринг-эффектом, относительно опорного спектра. Опорный спектр получен в стабильных условиях безоблачной атмосферы с низким содержанием NO2 из измерений при высоком положении Солнца.
Определение общего содержания и вертикального распределения N02
Используемый метод восстановления содержания NO2 не содержит аппарата оценки методических и случайных погрешностей. Методические погрешности включают собственно ошибку метода восстановления, ошибки, обусловленные неоднородностью горизонтального распределения ЫОг, ошибки, связанные с неточностью задаваемых параметров (температура, содержание озона и аэрозоля, температурная зависимость сечений поглощения и т.п.), ошибки, связанные с несовершенством используемых моделей рассеяния (в, частности, приближение однократного рассеяния) и суточного хода ЫОг (прежде всего, пренебрежение реакциями с участием CIONO2, которые могут вносить поправки в соотношение между окислами азота в верхней стратосфере, особенно в полярных областях). Нами были проведены численные эксперименты, которые показали, что наиболее важно учитывать сезонную зависимость температуры, содержания озона и суточного хода NO2. Получены оценки чувствительности метода к вариациям этих параметров. Однако общего подхода к оценке методической погрешности не существует. Один из путей апробации метода - сопоставление полученных с его помощью результатов с результатами независимых измерений с применением другой аппаратуры и методики, например, с результатами баллонных и спутниковых измерений.
Для оценки случайных ошибок восстановления содержания NO2 мы применили численное моделирование с использованием приемов, характерных для методов Монте-Карло. Суть его в следующем. Значения наклонного содержания NO2, получаемые из решения системы уравнений (7) усредняются в пределах каждого градуса зенитного угла. Полученные значения наклонного содержания характеризуются соответствующими среднеквадратичными погрешностями. Погрешность обычно растет с ростом зенитного угла. Кроме того, на нее влияют условия наблюдений (например, неоднородная облачность), нестационарность содержания NO2 (обычно при загрязнении нижней тропосферы).
Обратная задача восстановления вертикального профиля N02 решается не только для средних значений наклонного содержания (что собственно и дает искомый профиль), но также для значений наклонного содержания, которые случайным образом выбираются в окрестностях средних значений. Случайный выбор осуществляется в соответствии с гауссовым распределением, дисперсия которого определяется по экспериментальным данным, а именно по разбросу значений наклонного содержания относительно среднего значения в пределах каждого градуса зенитного угла. Полученные таким образом вертикальные профили NO2 распределены в некоторой окрестности профиля, полученного по средним значениям наклонного содержания. Размер окрестности зависит от высоты. Теперь для каждой высоты определяются левый и правый интервалы, внутрь которых попадает 95% (90%, 99% и т.п.) значений содержания NO2 соответственно из левой и правой окрестности. При достаточно большом количестве случайных испытаний (обычно 1000) эти интервалы суть левый и правый 95% доверительные интервалы. Подобная процедура одновременно также выполняется для значений интегрального содержания N02 в стратосфере и тропосфере.
Для выявления возможностей и оценки надежности используемого метода восстановления вертикального распределения N02 необходимо сопоставление получаемых результатов с результатами независимых измерений с помощью отличающейся аппаратуры и методики. Такое сопоставление было выполнено по четырем вертикальным профилям NCh, измеренным со спутника SAGE-II при его пролетах над ближайшей к ЗНС точкой 22 и 23 марта 1992 г. и 6 и 7 апреля 1993 г. На рис. 7 представлены результаты измерений на ЗНС и со спутника для этих дней. В 1992 в стратосфере было высокое содержание аэрозоля в результате извержения летом 1991 г. вулкана Пинатубо. Данные наземных и спутниковых измерений профиля NO2 за 22 и 23 марта 1992 г. удовлетворительно соответствуют друг другу выше 30 км (рис. 7, а, б). Ниже 25 км спутниковые данные неудовлетворительны, в то время как наземные измерения дают разумный результат. В следующем году, когда стратосфера была существенно чище, оба метода дали близкие результаты с очень хорошим соответствием на высотах от 20 до 35 км (рис. 7, в, г). Следует отметить резкое увеличение неопределенности спутникового профиля NO2 в нижней стратосфере и принципиальную возможность оценки вертикального распределения NO2 в тропосфере и нижней стратосфере по наземным измерениям.
В 1996 и 1998 гг. данные наблюдений N02 на ЗНС использовались для валидации измерений ОС N02 со спутника ERS-2 с помощью аппаратуры GOME [Тимофеев и др., 2000]. Было получено сильное расхождение между данными измерений на ЗНС и со спутника в 1996 г. Это заставило внести коррективы в методику обработки спутниковых измерений, что позволило к 1998 г. повысить качество получаемых со спутника данных.
Измерения на антарктических станциях Молодежная и Мирный весной 1987 г. и летом 1988 г
Отрицательная аномалия NO2 в 1992-1994 гг. сезонно зависима с наибольшими абсолютными значениями летом. Сезонная зависимость отражает годовой цикл NO2, в соответствии с которым больший дефицит N02 наблюдается при большем содержании N02. Рис. 19 показывает, что стратосфера очистилась от вулканического аэрозоля к 1995 г. (в смысле влияния аэрозоля на содержание NO2). Этот вывод полностью соответствует данным измерений площади поверхности стратосферного аэрозоля [Randel et al., 1999].
Аномалии в вертикальном распределении NO2 показаны на рис. 20. Отрицательным отклонениям соответствуют сплошные изолинии, чтобы подчеркнуть эффект Пинатубо. Соответствующая отрицательная аномалия содержания N02 охватывает большую часть стратосферного слоя N02. Максимальный эффект уменьшения содержания N02 отмечен в 1992 г. в слое 20-30 км. Следует отметить, что он смещен вниз относительно максимума вертикального распределения NO2 (ср. с рис. 1 б и 30), так что максимальное процентное уменьшение концентрации NO2 отмечено ниже высотного максимума NO2 [Elokhov and Gruzdev, 1995]. Дефицит NO2 в 1992-1994 гт. имеет сезонный ход. Согласно рис. 20 эффект Пинатубо в уменьшении стратосферного содержания N02 начал проявляться в августе 1991 г., через два месяца после извержения вулкана. Эта задержка позволяет оценить скорость меридионального переноса основного вулканического аэрозольного облака, хотя первые следы вулканического аэрозоля были отмечены ранее [Jager, 1992; Бурлаков и др, 1992]. Принимая во внимание, что основные извержения вулкана Пинатубо (15 с.ш., 120 в.д.) произошли 15 и 16 июня 1991 г., среднюю скорость меридионального переноса вулканического облака в северные умеренные широты можно оценить в 20 широты в месяц.
Помимо эффекта Пинатубо на рис. 19 и 20 проявляются другие значительные аномалии N02. В интегральном стратосферном содержании N02 это положительная аномалия в апреле 1996 г. со значениями около 0,3-10 мол/см2 ( 8% от соответствующего среднего содержания NO2) по утренним данным и 0,6-Ю15 мол/см2 ( 11%) по вечерним данным, отрицательная аномалия феврале 1998 г. со значениями около -0,8-1015 мол/см2 (-47%) по утренним данным и -1 10 мол/см ( 36%) по вечерним данным, отрицательная аномалия летом 1999 г. со значениями в июле около -0,4 1015 мол/см2 ( 8% и 6% относительно средних значений утреннего и вечернего содержания), отрицательная аномалия весной и летом 2000 г. со значениями до (0,6-Ю,8)-1015 мол/см (около 12% летом). Эти аномалии обусловлены, вероятно, особенностями атмосферной циркуляции. Метеорологическая обстановка в апреле 1996 г. характеризовалась антициклонами, особенно устойчивыми в первой половине месяца, которые перемежались циклонами. Метеорологическую обстановку в феврале 1998 г. определял устойчивый и длительный антициклон. Связанное с этим понижение активности планетарных волн в феврале 1998 г. в этом регионе могло иметь результатом ослабление меридионального переноса окислов азота (в составе NOx) из более низких широт и, как следствие, привести к отрицательной аномалии NCb. Рис. 19 показывает, что аномалия 1998 г. по времени довольно протяженная и сохраняется до середины лета. Продолжительная отрицательная аномалия летом 1999 г. связана, вероятно, с устойчивым и длительным (около двух месяцев) блокирующим антициклоном, наблюдавшимся над европейской частью России в июне-июле.
Рис. 20 показывает, что вышеупомянутая положительная аномалия общего содержания NO2 в стратосфере в апреле 1996 г. (рис. 19) обусловлена избытком NO2 в нижней стратосфере. Следует отметить, что избыток NO2 в слое 15-25 км сопровождается дефицитом NO2 в окрестности высотного максимума NO2. Следовательно, эта похожая на диполь аномалия связана с деформацией формы вертикального профиля NO2. Деформация профиля также проявляется в опускании изолиний концентрации NO2 на соответствующих высотах на рис. 16. Аномалия с «дипольной» структурой, но другого «знака», отмечена также в марте 1997 г. (рис. 20). Однако она не проявляется как заметная аномалия в ОС NO2, поскольку положительные и отрицательные отклонения содержания NO2 компенсируют друг друга при интегрировании по высоте. Отрицательная аномалия 1998 г. охватывает большую часть стратосферного слоя N02. Наибольший дефицит N02, превышающий 4-Ю15 мол/см3 отмечен в начале лета в слое 20-25 км. Он составляет приблизительно 40-45% от дефицита N02 в 1992 г. Отрицательные аномалии летом 1999 г. и весной-летом 2000 г. характеризуются меньшими отклонениями, но охватывают полностью стратосферный слой NO2.
Рис. 19 показывает наличие возможного тренда интегрального содержания NO2 в стратосфере с 1995 г. (после исчезновения эффекта Пинатубо). Оценки трендов требуют более тщательного контроля качества данных измерений. Этой цели служит рис. 21, который аналогичен рисунку 19, но данные на нем удовлетворяют более строгому критерию отбраковки. Отбрасывались, в частности, данные с достаточно высоким содержанием N02 в тропосфере, характерным для эпизодов загрязнения нижней атмосферы окислами азота. Среднемесячные значения содержания N02 определялись, если после отбраковки сомнительных данных оставалось не менее шести дней измерений за месяц.
Линейные тренды, вычисленные по значениям отклонений за все месяцы, начиная с января 1995 г., показаны на рис. 21 штриховыми линиями. Значения трендов по данным утренних и вечерних измерений близки между собой и составляют соответственно (-0.90±0.22)-1014 и (-0.91±0.33)-10и мол/см2 в год. В процентном отношении к многолетнему среднегодовому значению содержания N02 тренд составляет (-3.2±0.8)% в год для утренних и (-2.3±0.8)% в год для вечерних данных. Сезонные тренды для весны, лета и осени в целом близки к годовым трендам и в среднем составляют около 10й мол/см2 в год. Зимние тренды примерно в два раза меньше по абсолютной величине, но статистически незначимы.
Полученные оценки линейных трендов ОС N02 противоположны по знаку и в несколько раз превышают по абсолютной величине тренды N02 в тропической области и в средних широтах южного полушария [Randel et al., 1999; Liley et al., 2000]. Рассмотрим возможные причины трендов.
К фиктивному тренду содержания NO2 могут приводить изменения характеристик прибора. Это изменения спектрального хода чувствительности фотоэлектронного умножителя и изменения аппаратной функции спектрофотометра. В течение измерений на ЗНС изменения этих параметров не отмечены. Таким образом, причину тренда Шг следует искать в фотохимии и циркуляции атмосферы.
