Введение к работе
Актуальность теш. Проблем» изменения химического состава атмосферы в результате развития мировой экономики была осознана человечеством в середине 70-х годов нашего века. Последующие интенсивные исследования установили, что хозяйственная деятельность в масштабе планеты "увеличивает атмосферные концентрации углекислого газа (С02). метана (СН4), закиси азота 4и2о), угврното гаэа (СО) и хлорфторыетанов или фреонов (ХФМ). *Внимание мировой науки к указанным газам вызвано двумя основными причинами: I) Дашше примеси являются источниковыми для атмосферной фотохимии и участвует в сложных фотохимических процессах, которые контролируют содержание озона (03) в стратосфере и тропосфере. Уменьшение общего содержания озона (0С0) как результат росте атмосферных концентраций источниковых газов» в первую очередь, фреонов, ведет к росту годовой дозы uv-в облучения биологических объектов, что очень опасно для живой природы. 2) Молекулы этих газов, поглощая тепловое излучение Земля и коротковолновую радиацию Солнца, оказывают сальное влияние на температуру атмосферы в на ее циркуляцию. Отрицательный тренд ОСО в средних ойротах обоих полушарий, катастрофическое падение содержания 03 в весенней Антарктике, а также температурные тренды за последее столетие надежно зафиксированы данными наблюдений. Связанную с этой проблемой научную задачу можно сформулировать так: дать надежную количественную оценку прошлого, настоящего и будущего содержания в атмосфере важнейших примесей и оценить связанные с этим содержанием возможные изменения озонового слоя, атмосферной циркуляции, температуры атмосферы и подстилающей поверхности. В настоящее время основным методом теоретического решения этой задачи яглязтея численное математическое моделирование динамических, радиационных и фотохимических процессов в средкезональной стратосфере и тропосфере. Применение одномерных моделей ограничено ох грубой параметризацией процессов перенося, а трехмерных большими вычислительными затратами. Ножно выделить три наиболее важные задачи, связанные с развитием среднэзонаяьшг моделей фотохимии, радиации и динамики атыосферы. I) Процессы, форызрущие. циркуляцию атмосферы, ее химический состав и термический режим, существенно влияют друг на друга через различные обратные связи. Поэтому при моделировании газового состава и термической структуры атмосферы
необходимо учитывать -главные вз -этих обратных связей. Модели, отвечаїсцае данному требованиз, называют согласованными или интерактивными (от английского "interact" - взаимодействовать). 2) Время реакции атмосферы на изменение содержания источниковых газов могет составлять десятки и более лет. интегрирование численной модели на столь длительные срока требует использования' достаточно точных и устойчивых численных методов во всех модельных блоках. Это позволит избегать накопления ошибок вычисления, в « процессе интегрирования модели. 3) Интарактпвность процессов также играет большую роль в тропосфере ввиду сильной радиационной; связи стратосферы и тропосферных слоев. Поэтому учет' интерактивных изменений температуры нюней атмосферы также является важной задачей развития двухмерных моделей.
В связи с зтпм целью данной работы является:
- разработать среднезональнув, нестационарнз о, глобальную модель
фотохшаьеских, радиационных в динамических процессов, полностью
интерактявнуы в стратосфере и частично интерактивную (относительно
тешературы) в тропосфере;
- проверить данную модель путем расчета газового состава,
температуры а циркуляции современной атмосферы (на 1980 г.) и
сравнения полученных результатов с экспериментальными данными;
- разработанную модель использовать для численных оценок изменений
модельних переменных для сценария ігсс по приземным концентрациям
псточникоБых газов, озидазмыи к 2100 году в для условий ледникового
периода.
Научная новизна работы состоит в следующем:
і.Разработана среднезональная нестационарная модель фотохимических, радиационных в динамических процессов тропосферы и стратосфера с высоким уровнем интерзктиввости. Численная реализация модели включает наиболее устойчивые в точные численные алгоритмы, что позволяет, осуществлять интегрирование модели на длительные срока бзз искажения результата вычислительными модельными шумами.
2.Получены численные оценка влияния роста приземных концентраций всточниковых газов по сценарию ірсо-^в- на температуру, циркуляцию в пзовый состав тропосферы стратосферы для 2100 года.
З.Дана количественная оценка жошіиїн наш антропогенного
'О
уменьшения ОСО за счет парникового сфокта. Показзно, что выхолащивание стратосферы за счет роста парниковых газов в два раза уменьшает восмогяое уменьшение ОСО в результате увеличения хлорных, азотных а водородных радакзлоз.
4.Рассчитаны изменения газового состава, теипературы и циркуляции атиосфери к І9Б0 году по сравнению с ледниковым периодом. В результате этих расчетоз обоснована вагашя роль процессов переноса в формирования весенних минимумов озона в полярной стратосфере киного полушария.
Теоретическая и практическая ценность работы:
Реализован на ЭШ комплекс высокоточных алгоритмов по решении задач переноса прьмесей в сфзрической, неоднородной по высоте атмосфере и решению система уравнений среднезокалыгой динамики в сферической системе координат. Указанные алгоритмы объединены в одну численную модель с проверенными на практике современными методами расчета радиационных притоков тепла, фотодиссоциаций и фотохимических превращений.
Разработавшая модель мокет быть использована для решения широкого круга задач по фотохимии, радиации и динамики стратосферы, и тропосферы, а также задач с учетом взаимодействия указашшх групп процессов. Некоторыми из этих проблей являются:
- оценка потенциальной опасности для озонового слоя новых
химических веществ, содерйащих галогены, в том числе альтернативных
заменителей современных фторхлорметанов, опасных для озона;
- изучение влияния на газовый состав, температуру и циркуляцию
стратосферы различных циклов солнечной активности;
анализ воздействия на состояние стратосферы мощных вулканических пзваркений.
-Основные положения, выносимые на защиту:
Т. Среднезональная интерактивная модель фотохимических, радиационных и динамических процессов тропосферы и стратосферы. Ее численные алгоритмы решения уравнения переноса малых газов и уравнений среднезональной динамики.
2. Результаты сравнения расчетов по данной модели известных
распределений теипературы и концентраций малых газов с данными
спутниковых и других натурных экспериментов.
3. Количественная оценка компенсации уменьшения ОСО в
результата роста фторхлоруглеводородов за счет радиационного воздействия парникових газов на циркуляцию и термический реши стратосферы.
4. Результати расчетов изменения газового состава стратосферы и тропосфзры к 1990 году, по сравнению с периодом оледенения.
Апробация работы: Основные полоненая и результаты диссертационной'работы докладывались на xvn Ассамблее европейского геофизического общества в Эдинбурге (Великобритания, 1992 г.)р на международной нгучной конференции "Электродинаыика и химический состав иезосферы." ( Ннений Новгород, 1992 г.), на заседании viii кездународной рабочей группы по российско-американскому сотрудшчеству в области исследования изменений окрунащей среда (Санкт-Петербург, 1994 г.). на научных сешнарах Института химии атмосферы Общества Макса Планка (Майнц, РГ, 1994 г.).
По теме диссертации опубліковано 5 печатных работы.
Автор лично разработал динамический (исключая расчет температури в тропосфере) и транспортный блоки модели, провел объединение отдельных блоков в единую модель, принимал участие з потановке задачи, провел расчеты и осуществил анализ результатов численных экспериментов.
Структура и объем работы: