Распределение озона в атмосфере и его связь с динамическими процессами различного масштаба Еланский, Николай Филиппович

Введение к работе

Актуальность темы. За последние десятилетия все более возрас
тающий интерес к атмосферному озону перевел чисто научную задачу
изучения источников, стоков и переноса этой"малой примеси в разряд
наиболее актуальных экологических проблей.' Это вызвано несколькими
причинами. Во-первых, озон играет ванную роль в процессе преобра
зования солнечной энергии в атмосфере п в формировании климата
Земли, Во-вторых, он активно взаимодействует с другими составляю
щими атмосферы и в значительной степени определяет её химический
состав. Оказываясь при этом наиболее чувствительный звеном в сис
теме фотохимических связей, он способен резко отреагировать на
загрязнение атмосферы. В-третьих, перенос и распределение озона в
атмосфере отражает структуру воздушных течений, вихревых и волно-
еых процессов. Наличие действенной системы контроля содержания озо
на' в атмосфере и большие возможности её совершенствования делают
его эффективным индикатором динамических процессов. В-четвертых,
озонный слой формирует благоприятный для Хивой природы режим УФ
радиации на поверхности Земли. Любые резкие изменения содержания
озона будут иметь для неё неблагоприятные последствия. В-пятых,
благодаря высокой реакционной способности, озон оказывает непосред
ственное воздействие на кивне организмы и еысокиэ концентрации.в
приземном воздухе могут неблагоприятно сказаться на их жизнедея
тельности. * -"*"

Ванное место атмосферного озона в системе взаимодействия человека и окружающей среда вызвало интерес не только специалистов, но и мировой общественности. Под её влиянием в 1985 г. была принята Международная конвенция о защите озонового слоя, а в 1987 г. подписан Монреальский протокол, регламентирующий производство опасных

для озона галогеноуглєЕодородов. СССР, как страна ратифицировавшая эти соглашения, взяла на себя обязательства по структурной перестройке некоторых отраслей народного хозяйства и внедрению в производство новых озонобезопасных технологий. Конкретным воплощение;* в >лізнь этих намерений стало принятие Правительством России в 1992т "Государственной программы по производству "озонобезопасных хладо-нов и обеспеченно выполнения международных обязательств по охране сзоноеого слоя". Аналогичные программы приняты е ряде других страв. Однако они не охватывают Есё время растущий круг вопросов, связанных с проблемой атмосферного озона.. Большое беспокойство вызывает, в частности, развитие сверхзвуковой авиации и ракетной техники. Поэтому решение проблемы, очевидно, требует больших усилий специалистов е различных областях знаний и больших материальных и финансовых затрат.

Основой всех фундаментальных и прикладных исследований по данной проблеме являются эффективно работавшая система наблюдений озона, позволявшая выделять и анализировать его изменения под вли-' янием динамических и фотохимических факторов, и математическое моделирование, объясняющее механизмы такого влияния и позволяющее прогнозировать поведение озона в будущем. Эти ключєенє направления активно развивались. Совершенствовалась мировая озонометрическая сеть. Были созданы новые автоматизированные спектрофотометры Еркера. К середине 1992 г. эти приборы уже регулярно действовали на 40 озонометрических станциях. В ряде стран начались регулярные ' наблюдения приземной концентрации озона. Модернизировалась спутниковая система наблюдений озона. Были успешно реализованы программы TOMS ,*SBUV, SAGvl некоторые другие.

Начались интенсивные наблюдения содержания других газовых примесей в атмосфере. Реформация о их распределении в атмосфере до-

полненная исследованиями кішетики фотохимических взаимодействий послужили основой совершенствования фотохимического моделирования изменений газового состава атмосферы.

Важное место в этом процессе занимают исследования озона проводимые в нашей стране. На всех этапах их отличала явно выраженная направленность на изучение пространственно- временной изменчивости распределения озона и её связей с атмосферной циркуляцией. Этому направлению исследований в мире всегда уделялось большое внимание, как связующему звену в исследованиях озона. Однако в последние года в связи с накоплением богатой информации о коли-честЕеяном составе атмосферы и необходимостью интерпретации его пространственных и временных изменений оно становится одним из ведущих.

Диссертационная работа находится в русле этих основных направлений и это определяет актуальность её темы.

Цель работы. Основной целью настоящей работы является разработка алгоритмов и методов дистанционных измерений содеркания озона в атмосфере, наблюдение с их использованием пространственных и временных его вариаций, исследование связей с динамическими процессами различного масштаба и изучение физических механизмов трансформации полей озона на основе применения методов математического моделирования.

Научная новизна. Для наблюдения глобальных и мезомасштабню: особенностей распределения озлна были создшш алгоритмы восстановления как общего содержания, так и вертикальных профилей, базирующиеся на точном описании процессов многократного рассеяния в плотных никних слоях атмосферы. Впертые были построены подробные, карты распределения озона над большей частью земного пара. Их анализ выявил некоторые неизвестные ранее характерные особенности.

Для изучения тонкой структуры распределения О8она был предло-кен новый метод, основанный на наблюдениях неоднородностей окраскг сумеречного лимба Земли. Созданы алгоритмы для расчета вертикальное стратификации озона и других поглощающих примесей по наблюдения!: сумеречного лимба и яркости заходящего (или восходящего) Солнца. Наблюдения с орбитальных станции "Салют-4 и 7" дали уникальные сведения о слоистой структуре озона и аэрозоля.

Численные оценки и математическое моделирование, выполненные с использованием полученной информации о вариациях озона в атмосфере, позволили получить количественные данные о вкладе различных циркуляционных механизмов в меридиональный перенос озона, воздействии*: струйных течений, внутренних гравитационных волн, солнечных затмений на озонный слой. Предложен и ЕперЕые реализован метод исследования структуры воздушных течений в зоне орографических возмущений по деформации полей озона.

Заложена основа спектрального измерительного комплекса. Создана озонометрическая станция, входящая в мировую сеть. На ней получены уникальные ряды общего содержания озона и N0₂, концентрации приземного озона. Наблюдения на станции и в других регионах, вкючая Антарктиду,дали ряд новых сведений о долговременной изменчивости озона и характере влияния местных циркуляционных процессов на перенос озона в пограничном слое атмосферы. -

Основные результаты и положения, выносимые на защиту, состоят в следующем:

I. Разработаны осноеы спектрального наземного измерительного комплекса. Создана аппаратура и методы, которые позволили начать регулярные измерения озона и других примесей на научной станции ША на Северном Кавказе. Совершенствование аппаратуры и проведение регулярных калибровок и сравнений позволили войти станции "Кисловодск"

в состав мировой озовометрической сети.

1. Разработаны методы восстановления общего содержания и вертикального распределения озона в атмосфере по отраженному Землей УФ солнечному излучению. Проведена полная- обработка озонового эксперимента на спутнике "Космос-121". Созданы вычислительные алгоритмы.

2. Предложены методы восстановления тонкой структуры распределения озона и аэрозоля по наблюдениям спектральной яркости и окраски лимба Земли и яркости заходящего (восходящего) Солнца. Проведены эксперименты на орбитальных станциях "Салгот-4 и 7". Выделена характерная стратификация вертикального распределения примесей в тропосфере и стратосфере.

4. По данным наблюдений со спутника "Космос-121" построены карты
распределения общего содер^іния озона в широтной зоне 20ю.ш. -

60с.ш. Выделены крупномасштабные и мезомасштабные особенности распределения, связанные с действием атмосферной циркуляции.

5. Получены количественные оценки меридионального переноса озона средней меридиональной циркуляцией, квазигоризонтальными стационарными и подеикными вихрями. Осноеной Еклад в перенос дает средняя циркуляция.

6. С помощью аналитического моделирования исследован механизм перераспределения озона в зоне струйных течений и причины появления характерных аномалий поля озона, обнаруженных со спутника "Космос-121". Струйное течение играет активную роль е формировании полей озона.

7. Разработана фотохимическая модель, для изучения быстрых изменений озона. Проведена её верификация на примере воздействия солнечного затмения на озоноеый слой. Показано, что внутренние гравитационные еолны оказывают определенное действие на содержание озо-

на. Получены количественные оценки -воздействия и исследован его механизм.

8. Предложен метод исследования волновых процессов в зоне орографических возмущений по деформации полей озона. Выделены характерные образования в распределении озона над рядом горных систем по наблюдениям с самолета. Применение метода для восстановления параметров течений и еолноеых структур показало его высокую эффективность.

9. Выделены временные вариации содеркания озона и других примесей по многолетним наблюдениям на станции "Кисловодск". Показано, что цнркуляционные процессы и орографические эффекты определяют вариации озона различного временного масштаба и эти эффекты должны учитываться при оценки трендов и точности наблюдений на мировой озонометрической сети.

10. Выделено и изучено влияние местных циркуляционных процессов
на концентрацию озона е приземном слое воздуха в ряде регионов.

Научная обоснованность и достоверность основных результатов, положений и еыводов подтверждается комплексным характером выполненных исследований,(сочетавших теоретические и экспериментальные методы практически по воем разделам диссертационной работы, подробной Еалидацией полученных эмпирических данных на основе привлечени-независЕмой информации о поведении малых примесей в атмосфере и метеорологических данных, а также сравнением с проведенными позднее наблюдениями со спутников, самолетов и на наземных озонометричэскжх станциях.

Научная и практическая значимость.- Разработанные алгоритмы могут использоваться для оперативного построения полей озона по дан-ныл наблюдений уходящей УФ радиации из атмосферы. Большие перспективы у предло::.еннкх метода и алгоритмов восстановления тонкой

структуры распределения озона и аэрозоля. Обнаруженная стратификация вертикального распределения примесей, охватывающая значительные районы земного шара, является важной основой для расширения исследований в этом направлении, т.к. она имеет широкое прикладное значение для целей прогноза изменения состава атмосферы и климата Земли.

Ряд полученных результатов, касающихся механизмов переноса примесей, имеют практическое применение для прогноза регионального и глобального загрязнения атмосферы. Учитывая выявленные связи между изменениями озона и аэрозоля, эти результаты будут полезны для объяснения причин возникновения аномалий озона в атмосфере и УФ осеє-пенности на земной поверхности.

Хорошие перспективы имеет метод изучения волновых процессов по данным о деформации полей озона. Использование новых средств измерений, таких как лидары, дает ему несомненные преимущества перед традиционными подходами к решению этой задачи. Аналогичное применение мог.ет найти использование данных о концентрации малых примесей в приземном воздухе для изучения различных факторов, формирующих рехэм загрязняющих веществ в'воздушных бассейнах городов и промышленных районов. Полученные в работе.результаты могут быть использованы, а частично уже используются, например, в ЦАО, ІТО, ИПГ, НПО "Тайфун", МГУ, НГУ, СПбГУ, ИХФ, ИЗПХФ.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Ломоносовских чтениях физического факультета .'ЛГУ (1971, 1973 и 1974 ~гг), Международной конференции по физическим аспектам загрязнения атмосферы (Вильнюс, 1974), семинарах и заседаниях Ученого Согета ИФА РАН (1975-1992 гг), заседании ООФАГ АН СССР (1987г), на Межведомственных семинарах по атмосферному озону (І976-І99І гг), Всесоюзных и Международных совещаниях по атмосферному озону (Москва,

- TO -

1977, Руиспири, 1979, Тбилиси, 1981, Ленинград, І985), 1-ом Всесоюзном симпозиуме по исследованию средней атмосферы (Москга, 1983), Генеральной ассамблее ШТ (ФРГ, 1983* Ванкувер, 1987), 3-ем Всесоюзном совещании по атмосферной оптике и актинометрии (Томск, 1983) Четырехлетнем симпозиуме по атмосферному озону (Халкидики, 1984, Геттинген, 1983, Шарлотсвилл, 1992), Международном симпозиуме по горным Еолнам (Пекин, 1984), Международном совещании по КАШ? (Сочи, 1985), Международном совещании по долговременным изменениям атмосферного озона (Зальцбург, 1985), Всесоюзном совещании по горной метеорологии (Києе, 1985), Всесоюзном симпозиуме по фотохимическим процессам земной атмосферы (Москва, 1987), Советско-американском симпозиуме по исследованию атмосферного озона .Москва, 1987), СоЕетско-американском симпозиуме по влиянию солнечной активности на климат (Ялта, 1987), 2-ом Всесоюзном симпозиуме по результатам исследований средней.атмосферы (Обнинск, 1987), Всесоюзном совещании по исследованиям е Антарктике (Ленинград, 1987), Всесоюзной конференции по исследованиям оптически активных компонент атмосферы (Выборг, 1988), Международном совещании по тропосферному озону (Геттинген, 1988), Всесоюзном симпозиуме по Взаимосвязи региональных и глобальных процессов в атмосфере и гидросфере (Тбилиси, 1988) Зыездной сессии ООФАГ АН СССР (Нальчик, 19897, Международной конференции по исследованию средней атмосферы (Душанбе, 1989), Соеєт-спо-американском совещании по проекту Метеор 3/ТШ5 (.Вашингтон, 1989), Всесоюзной конференции по состоянию и охране воздушного бассейна курортных районов -(Кисловодск, 1989), СоЕетско-амершсан-ском совещании по сотрудничеству в космосе, проект 8-3 ('.!осква, ІУ90, Ленинград, 1990), Сессии КОСПАР (Гаага, 1990), Всесоюзном съезде физиологов растений (Минск, 1990), Европейском совещании по исследованиям атмосферы оптическими методами (Тромсе, 1991),

- II -

Международном семинаре по наблюдениям двуокиси азота в атмосфере (Ванкувер, 1991).

Структура работы. Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения и списка цитируемой литературы. Работа содержит Г;64 страницы текста, 99 рисункоЕ, 23 таблицы, оиблиографню из 211 наименований.