Содержание к диссертации
Введение
1 Математические модели в фотохимии атмосферы
1.1 Краткая история развития фотохимических моделей атмосферы 11
1.2 Атмосферные процессы в фотохимических моделях 13
1.3 Типы современных фотохимических моделей 16
1.4 Примеры различных типов моделей газового состава атмосферы 22
1.5 Международные проекты сравнения моделей 30
2 Совместная химико-климатическая модель атмосферы РГГМУ-ИВМРАН
2.1 Стратегия комплексного использования моделей 44
2.2 Модель общей циркуляции атмосферы 46
2.3 Модель газового состава атмосферы 54
2.4 Учет влияния солнечной активности в модели 65
3 Модельное исследование чувствительности содержания атмосферного озона к вызванным солнечной активностью изменениям спектральных потоков солнечной радиации
3.1 Влияние изменений солнечной радиации 68
3.2 Методология 73
3.3 Результаты модельных экспериментов
3.3.1 Долгопериодная изменчивость атмосферного озона
3.3.2 Спектральный вклад солнечной радиации в изменение содержания озона 78
3.3.3 Чувствительность общего содержания озона к ф солнечного цикла
4 Модельное исследование влияния солнечной активности на газовый состав и тепловой режим атмосферы
4.1 Введение
4.2 Методология
4.3 Численные эксперименты с моделью
Заключение
Список использованных источников
- Атмосферные процессы в фотохимических моделях
- Примеры различных типов моделей газового состава атмосферы
- Модель газового состава атмосферы
- Долгопериодная изменчивость атмосферного озона
Введение к работе
Атмосфера Земли является естественной средой обитания человечества и всей биосферы Земли. По этой причине стабильность ее состава представляет собой необходимое условие выживания и качества жизни человечества. Кроме этого, состав атмосферы влияет на радиационный баланс всей планеты и ее поверхности, на уровень и спектральный состав ультрафиолетового облучения, на климат и погоду.
Атмосферный озон является одним из наиболее важных атмосферных газов Земли. Несмотря на то, что количество озона в атмосфере мало, он играет важную роль в происходящих в атмосфере физических процессах.
Сосредоточенный в более высоких слоях атмосферы, в стратосфере, на высотах до 30 км, озон играет роль своеобразного экрана, поглощающего губительное для всего живого на Земле жесткое (ультрафиолетовое) излучение. Тренд спада ОСО порождает усиление биологически активной ультрафиолетовой радиации (УФ-В), что обусловливает различные воздействия на экосистемы и человека. В то же время известно, что в приземном слое атмосферы озон является сильнейшим окислителем. Озон образуется как продукт автомобильных выхлопов и входит в состав ядовитого "смога" в атмосфере больших городов.
Поскольку стратосферный озон интенсивно поглощает солнечную радиацию, а тропосферный озон является парниковым газом, то несомненно, что изменения содержания озона в атмосфере должны воздействовать на климат. Значительно изменить количество озона - значит "сдвинуть" тепловое равновесие, нарушить стабильность всей атмосферы с плохо предсказуемыми пока последствиями.
Результаты наблюдений последнего времени обнаружили тревожные тенденции долгопериодной изменчивости газового состава и температурного режима атмосферы, такие как истощение толщины озонного слоя в
стратосфере, увеличение его содержания в тропосфере, глобальное потепление в тропосфере и выхолаживание стратосферы.
Эти изменения происходят одновременно и могут быть связаны, т.к. как увеличение, так и уменьшение температуры воздуха может привести к вариациям скоростей химических реакций с результирующим изменением содержания атмосферных газов. В свою очередь, изменение концентраций радиационно-активных газов в атмосфере, таких как озон, метан, фреоны или водяной пар, оказывает заметное влияние на радиационный нагрев и выхолаживание в атмосфере с соответствующими вариациями ее циркуляции и температурного режима.
Предполагается, что наблюдаемые изменения климата и газового состава атмосферы могут быть, в значительной степени, обусловлены антропогенным воздействием на окружающую среду. Вместе с тем, естественная природная изменчивость разных временных масштабов также может привести к существенным изменениям структуры и состава атмосферы, сравнимым по амплитуде с антропогенным воздействием. Одним из подобных естественных факторов является одиннадцатилетний цикл солнечной активности, в процессе которого потоки солнечной радиации в ультрафиолетовой области солнечного спектра могут значительно изменяться от минимума к максимуму солнечной активности.
Солнечная активность является природным фактором, который может оказать влияние как на физические, так и на химические процессы в атмосфере. Эта особенность солнечной активности позволяет поставить задачу ее использования для анализа важности учета обратных связей между химическими и радиационными процессами при моделировании газового состава и температурного режима атмосферы. С другой стороны, обратные связи между этими процессами могут существенно изменить масштаб и даже направление влияния солнечной активности на тепловой режим и газовый состав атмосферы.
Изучению влияния солнечной активности на изменения структуры и состава атмосферы в последнее время уделялось значительное внимание. Результаты этих, как экспериментальных, так и теоретических исследований показали, что, в основном, при увеличении солнечной активности от минимума к максимуму одиннадцатилетнего цикла отмечается увеличение температуры и содержания озона. Однако, в определенных ситуациях, отмечается и уменьшение температуры, и сокращение содержания озона. Одним из факторов, который может привести к корректировке генеральной положительной тенденции реакции температуры и содержания озона на увеличение солнечной активности вплоть до смены знака эффекта, может быть обратная связь между одновременным воздействием изменений солнечной активности на нагрев атмосферы и скорости химических реакций.
Механизмы, ответственные за эти особенности, должны изучаться с привлечением численных моделей. Для теоретического исследования влияния естественных и антропогенных факторов на содержание газов и температурный режим атмосферы используются численные математические модели газового состава (МГС) и общей циркуляции атмосферы (МОЦА). При этом, при использовании МГС для изучения проблемы изменения содержания атмосферных газов для вычисления пространственно-временного распределения всех влияющих на озон газовых составляющих часто используются поля ветра и температуры из моделей общей циркуляции атмосферы. С другой стороны, при применении МОЦА для изучения проблемы глобального потепления задаются фиксированные поля концентрации озона и других радиационно-активных газов атмосферы, необходимые для расчета нагрева атмосферы, который управляет атмосферной циркуляцией.
Взаимосвязь моделей общей циркуляции атмосферы и газового состава до недавнего времени не рассматривалась, хотя и является важной. В последнее время актуальным стало исследование изменений климата с учетом обратных связей между изменением газового состава, теплового
режима и циркуляции атмосферы с использованием химико-климатических моделей. Несмотря на то, что модельному исследованию влияния солнечной активности на изменения структуры и состава атмосферы в последнее время уделялось значительное внимание, при этом неявное воздействие солнечной активности на изменения климата еще изучено недостаточно.
Основные цели и задачи диссертационной работы
Основной целью настоящей работы является исследование с помощью глобальной химико-климатической модели взаимосвязи процессов, формирующих структуру и газовый состав нижней и средней атмосферы на примере влияния солнечной активности, которая одновременно воздействует на фотохимию, радиационные и динамические процессы в атмосфере.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Произвести обзор литературных источников и на его основе рассмотреть современные представления о численном моделировании основных физических и химических процессов, определяющих долгопериодную изменчивость атмосферного озона и температуры;
Разработать методику учета обусловленных солнечной активностью изменений спектральных потоков солнечной радиации в модели химии, динамики и радиации атмосферы;
Исследовать чувствительность содержания озона к изменению внеатмосферных потоков солнечной радиации в различных участках спектра;
Оценить раздельное и одновременное воздействие изменений спектральных потоков солнечной радиации на интенсивность химических реакций и нагрев в атмосфере;
Исследовать явное и неявное воздействие солнечной активности на изменения содержания озона и температуры за счет обратных связей
между изменением газового состава, теплового режима и циркуляции атмосферы.
Научная новизна
- разработана новая методика учета вариаций внеатмосферных потоков
солнечной радиации в 11-летнем цикле солнечной активности в химико-
климатической модели с использованием данных спутниковых измерений об
изменчивости спектральных потоков солнечной радиации;
- получены новые оценки влияния солнечной активности на
фотохимию, радиационные и динамические процессы в атмосфере;
- получены новые данные о степени влияния обратных связей между
физическими и химическими процессами на содержание озона и температуру
в атмосфере с использованием химико-климатической модели.
Основные положения, выносимые на защиту:
методика учета вариаций спектральных потоков солнечной радиации в 11-летнем цикле солнечной активности, используемая в моделях газового состава и общей циркуляции атмосферы;
модельные оценки чувствительности общего содержания озона к обусловленной солнечной активностью спектральной изменчивости солнечной радиации;
количественные оценки влияния изменения солнечных потоков на содержания озона и температуру в атмосфере;
результаты исследования неявного воздействия солнечной активности на изменения климата за счет обратных связей между изменением газового состава, теплового режима и циркуляции атмосферы.
Научная и практическая значимость работы заключается в том, что разработанная методика учета обусловленных солнечной активностью изменений потоков ультрафиолетовой радиации может использоваться в моделях химии, динамики и радиации для теоретического исследования долгопериодной изменчивости содержания озона и температуры атмосферы. Применение данной методики позволяет более точно воспроизвести картину глобального состояния стратосферного озонного слоя и его эволюции в ближайшем будущем. Полученные результаты могут быть использованы при анализе современных изменений климата.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников.
Атмосферные процессы в фотохимических моделях
Численные модели атмосферы учитывают большое количество разнообразных фотохимических, радиационных, динамических и микрофизических процессов, определяющих содержание озона в атмосфере, а также их взаимодействия [1,2].
В фотохимических превращениях составляющих атмосферы определенную роль играют взаимодействия излучения Солнца, поверхности Земли и атмосферы с ее газами и аэрозолями и перенос последних движениями атмосферы различных масштабов [1, 2, 6]. Основным источником озона в атмосфере Земли является фотодиссоциация молекулярного кислорода при поглощении молекулами кислорода ультрафиолетового излучения Солнца с длинами волн менее 245 нм [1,3]. С другой стороны, разрушение озона в атмосфере происходит, главным образом, в каталитических циклах с участием азотных, водородных, хлорных и бромных радикалов [1,3]. Эти радикалы образуются в атмосфере также в результате поглощения солнечной радиации химически стабильными атмосферными газами, главным образом в ультрафиолетовой области спектра. Потоки ультрафиолетового и видимого излучения Солнца, вызывающего фотодиссоциацию молекул газов воздуха, учитываются в радиационном блоке моделей.
В фотохимическом блоке моделей газового состава учитывается временная изменчивость химически активных газовых составляющих атмосферы. Основу при создании химического блока модели составляет детальный учет газофазных и гетерофазных (на поверхности и внутри частиц аэрозоля) фотохимических реакций и фотодиссоциационных процессов, которые могут повлиять на процессы образования и разрушения озона. Количество и тип рассматриваемых в модели фотохимических реакций, определяющих изменчивость основных влияющих на озон газов как в стратосфере, так и тропосфере, различны в моделях.
Для создания химической схемы в моделях газового состава атмосферы составлены списки реакций, рекомендованных для учета при рассмотрении фотохимических процессов в атмосфере. Информационные ресурсы об элементарных химических реакциях, протекающих в атмосфере, поддерживаемые организациями IUPAC (International Union of Pure and Applied Chemistry) и JPL (Jet Propulsion Laboratory) [8, 9], по мере накопления новых существенных изменений, публикуются в виде списка реакций. Также эту информацию можно найти в Интернете (http://jpldataeval.jpl.nasa.gov/index.html, http://www.iupac-kinetic.ch.cam.ac.uk/). В эти списки включены химические реакции и фотодиссоциационные процессы, которые в какой-либо степени способны повлиять на распределение малых газов атмосферы. Основой для данного списка и рекомендованных констант реакций являются лабораторные исследования.
Однако, включение в фотохимический блок модели всех газов, входящих в списки JPL или ШРАС, приведет к созданию блока с большим объемом исходной информации. Поэтому, обычно, в моделях учитывается изменчивость газовых составляющих, оказывающих непосредственное влияние пространственно-временное распределение и изменчивость озона в атмосфере. Для упрощения решения задачи химической китенетики разработан метод «сохранения семейств» [1, 10, 11]. Метод основывается на учете существования в атмосферной фотохимии большого числа обратимых реакций, скорости которых образуют малые разности больших чисел. Многие члены семейств находятся между собой в фотохимическом равновесии или близких к нему условиях, имеют общие или сходные фотохимические источники и стоки. Среди таких семейств выделяют: группа нечетного кислорода Ох (0(3Р), 0(JD), Оз), в которой атомарный кислород в разных состояниях находится в фотохимическом равновесии с Оз; группа нечетного азота NOy: N, NO; N02; N03; HN02; HN03; H02N02; N205; NOx: NO, N02; группа нечетного водорода HOx: Н; ОН; Н02; группа нечетного хлора С1у: С1, СЮ, ОС10, С100, НС1, НОСІ, C10N02, в которой можно выделить пару наиболее активных радикалов Clx = CI + СЮ. Аналогичные группы можно образовывать для соединений, содержащих другие галогеновые элементы: йод, бром, фтор.
На пространственно-временное распределение озона, так же как и других малых газовых составляющих атмосферы, оказывает влияние такой важный фактор, как изменение температуры, от которой зависят скорости многих химических процессов, влияющих на образование и разрушение озона. Важную роль в распределении озона играет динамика атмосферы, циркуляционные процессы, перенос воздушных масс. В качестве источника данных о параметрах переноса малых атмосферных газов можно использовать или данные расчетов с использованием модели общей циркуляции, или результаты измерений [1,2].
Химические, радиационные и динамические процессы описываются разными моделями, тесно связанными друг с другом, так что обычно выходные результаты одной модели служат исходными данными для другой. В идеальном случае все эти «блочные» модели следует объединить в одну трехмерную модель общей циркуляции атмосферы (ОЦА) с включением фотохимических процессов. Такие модели более всеобъемлющие, но при этом требуют для своей реализации мощную вычислительную технику и большой объем исходной информации.
В течение последних лет развитие численного моделирования отмечено значительным прогрессом, обусловленным как достижениями в исследованиях изменений климата, так и ростом вычислительных ресурсов, позволяющих более полно и детально описать основные физические, химические и радиационные процессы в атмосфере.
Примеры различных типов моделей газового состава атмосферы
Боксовые и одномерные фотохимические модели широко использовались в первых исследованиях по химии атмосферы. Такие модели обычно включают подробное описание химических реакций, протекающих в атмосфере, наиболее полно описывают вертикальную структуру газового состава.
Стационарная одномерная фотохимическая модель с сезонно меняющимися параметрами [13] включает около 90 реакций между соединениями азота, водорода, хлора, углерода и кислорода: N20, N0, N02, HN03, H02N02, Н20, Н2, ОН, Н02, Н202, НС1, НОСІ, CI, СЮ, C10N02, CFC13, CF2C12, СС14, СНЗС1, СНЗСС13, СН4, СО, Н2С0, О (ID), О(ЗР), 03 и др. Динамические процессы в модели описываются с помощью вертикальной составляющей коэффициента макротурбулентной диффузии kzz. Вычисление скоростей фотодиссоциаций производится на каждом шаге по времени с учетом изменений расчетной концентрации озона в предположении лишь прямого поглощения УФ-радиации (молекулярное рассеяние учитывается только для фотодиссоциации 02).
Модель применена для определения сезонного хода вертикальных профилей основных газовых составляющих современной стандартной атмосферы, а также для оценки антропогенного воздействия на ее газовый состав. Благодаря вычислительной экономичности фотохимической модели возможно широкое варьирование входных параметров, равно как и задание различных сценариев антропогенного влияния.
В радиационно-конвективной модели (РКМ) [13] предполагается радиационное равновесие в стратосфере, в тропосфере имеет место конвективное приспособление с заданным вертикальным градиентом температуры. Использованы уточненные методы расчета коротковолновой и волновой радиации (КВР и ДВР). При расчетах ДВР использована спектральная модель, содержащая 17 спектральных интервалов и учитывающая влияние аэрозоля, трехъярусной облачности и восьми газовых компонентов атмосферы: 03, Н20, С02, N20, N02, СН4, CFC13, CF2C12.
В диапазоне УФ и видимого излучения, разбитом на 13 интервалов учитывается поглощение аэрозолем, 02, Оз, N02, а также облачность и многократное рассеяние. Потоки излучения считаются методом Эддингтона с дельта-аппроксимацией. В содержащем 12 интервалов ближнем ИК-диапазоне учитываются поглощение аэрозолем, Н20, С02, СН4 облачность. Расчет температуры в слое 0—50 км ведется методом Ньютона-Рафсона. Радиационно-фотохимическая модель (РФМ) [13] представляет собой сочетание описанных выше ФХМ и РКМ. В этом случае в ФХМ используются среднегодовые климатические параметры. ФХМ и РКМ включаются последовательно, чередуясь, причем получаемые на выходе ФХМ вертикальные профили малых газовых компонентов атмосферы являются входными параметрами для РКМ, а получаемый на выходе РКМ вертикальный профиль температуры — входной параметр для ФХМ. В различных вариантах расчетов на РФМ шаг по времени колеблется от нескольких суток до 6 мес. В большинстве случаев "подстройка" поля температуры под поля газовых составляющих атмосферы происходит после каждого шага по времени. Как и в случае использования ФХМ, вычислительная экономичность РФМ обеспечивает возможность широкого варьирования ее параметров ведения оценок для большого набора сценариев.
Подробное описание и рекомендации по конкретной реализации РКМ, ФХМ содержатся в [13]. В Центральной аэрологической обсерватории (Долгопрудный) была разработана современная траєкторная фотохимическая модель для нижней стратосферы [23, 26], позволяющая использовать в вычислениях тысячи обратных (по времени) траекторий для начальных координат с расчетом химических превращений для каждой траектории. Для интегрирования уравнения движения воздушной частицы, выраженного в сферических координатах, применялся метод Рунге-Кутта 4-го порядка с линейным интерполированием по пространству и времени данных анализа Европейского центра среднесрочного прогноза (ECMWF). В модели используются данные на 21 изобарической поверхности с пространственным разрешением 2.5 х 2.5 и временным разрешением 6 ч. С помощью этой модели, в частности, была рассчитана эволюция озоноактивных компонент вдоль траекторий, имеющих место в Арктике и Антарктике, что позволило существенно продвинуться в понимании различий механизмов разрушения стратосферного озона в весенний период в этих областях.
Модельные исследования процессов, приводящих к формированию и развитию «озоновой дыры» в Антарктиде, также были проведены на основе траекторной фотохимической модели ГГО, учитывающей особенности динамических и фотохимических (газофазных и гетерогенных) процессов, происходивших в нижней атмосфере Антарктиды. Результаты сравнения эволюции «озоновой дыры», полученной в модельных расчетах и по данным спутниковых измерений ОСО для 2000—2002 гг. показали достаточно хорошее совпадение контуров «озоновой дыры» для всех рассмотренных лет, что говорит об адекватном описании процессов переноса и фотохимии в циркумполярном антарктическом вихре. В модельных расчетах не получены ярко выраженные локальные максимумы озона в умеренных широтах и есть лишь отдаленное сходство в их расположении в измерениях и модели. Таким образом, для расчета перемещения локальных максимумов озона в умеренных широтах, по-видимому, необходимо задавать трехмерные распределения озона на начальный момент старта траекторной фотохимической модели.
Разработанный в ГГО им. А.И. Воейкова (Санкт-Петербург) комплекс моделей дает возможность выбрать инструмент, максимально соответствующий сложности, масштабу и характеру решаемой проблемы. Трехмерная транспортно-фотохимическая модель стратосферы ГГО использовалась для оценки изменений озоносферы, которые возникли в результате введения в действие Монреальского Протокола. Модельные расчеты показали, что в течение 1992-2000 гг. эволюция озонового слоя почти полностью зависела от текущей метеорологической ситуации и лишь на 1-2% была обусловлена Монреальскими соглашениями, причем наибольший эффект имел место в атмосфере над Антарктидой [18, 60].
Проведены оценки падения содержания озона в весенние периоды 1993-1996 и 2002 гг. над Антарктидой ("озоновая дыра"). При моделировании ис пользованы ассимилированные метеорологические данные реанализа UKMO, относящиеся к вышеупомянутым периодам. Успешное описание газофазных и гетерогенных фотохимических процессов позволило достигнуть хорошего согласия с результатами измерений, полученными на станциях Сева (Япония), Марамбио (Аргентина) и Амундсен-Скотт (США), а также воспроизвести уникальное поведение "озоновой дыры" в 2002 г. [61, 62].
В РГГМУ (Санкт-Петербург) проводятся работы по исследованию физико-химических процессов, определяющих пространственно-временное распределение атмосферного озона и других радиационно-активных газов атмосферы, на основе результатов измерений и моделей газового состава атмосферы [33]. Разработан комплекс моделей нижней и средней атмосферы Земли, нацеленный на усвоение результатов измерений газового состава атмосферы, полученных от разных измерительных систем (спутниковых, наземных, самолетных, аэростатных и др.) в режиме реального времени, т.е. на каждом шаге модельных расчетов. Разработанный комплекс моделей был использован для углубленного анализа причин наблюдаемой изменчивости атмосферного озона (1970-2000 гг.), прогноза его изменчивости в XXI веке, исследования особенностей распределения озона и азотосодержащих газов в атмосфере Антарктики и изучения роли процессов крупномасштабного атмосферного переноса и конвективных потоков массы в распределении озона и других газов в атмосфере Земли. Проведен анализ качества спутниковых измерений SAGE I и SAGE II и исключены из рассмотрения результаты, которые могут квалифицироваться как грубые ошибки. Получены высотно-широтные поля малых газовых составляющих атмосферы, не измеряемых, но связанных химическими реакциями с измеряемыми газами [37, 58].
Модель газового состава атмосферы
В качестве химической части совместной модели используется модель газового состава, разработанная в Российском Государственном Гидрометеорологическом Университете (РГТМУ, Санкт-Петербург) [10, 14, 35,36,37].
МГС РГГМУ прошла тщательное тестирование совместно с климатической моделью NCAR в американском университете в Стони Брук и показала хорошее согласие с данными наблюдений. Модель также принимала участие в Международной программе сравнения модельных расчетов и результатов измерений (М&М II) [38] и в программе Всемирной метеорологической организации по исследованию наблюдаемых трендов общего содержания атмосферного озона, прогнозу восстановления в будущем (WMO Scientific Assessment of Ozone Depletion 1998) [39] и программе исследования последствий влияния высотных самолетов на атмосферный озон (High Speed Research Program).
Как и динамическая модель ИВМ РАН, фотохимическая модель РГГМУ охватывает высотный диапазон от поверхности земли до 90 км. Модель позволяет рассчитывать пространственно-временную изменчивость 74 основных малых газовых составляющих пяти семейств (Ох, NOy, С1у, Вгу и SOx) и их источниковых компонент. Чтобы описать взаимодействие газовых составляющих атмосферы, модель использует 123 газофазные, 23 гетерогенные химические реакции и 51 процесс фотодиссоциации. Список газов, составленный на основе сравнения скоростей реакций и изменчивости малых газовых составляющих в атмосфере, влияющих на распределение озона, приведен в приложении (таблица 2.3).
Фотохимическая схема химических реакций включает все основные реакции кислородного, водородного, азотного, хлорного, бромного и серного циклов, что позволяет рассматривать влияние как химических процессов на образование и эволюцию озона, так и атмосферного сульфатного аэрозоля. Пространственно-временные вариации малых газовых составляющих атмосферы в трехмерной модели в сферической системе координат записываются в виде: дХ 1 д(иХ) ( 1 djvXcosy) 1 0(pwX)_s (21) dt acoscp дХ acostp dtp р dz S = (P-LX) (2.2) где a - радиус Земли, ф- широта, X - долгота, z - вертикальная координата, и - зональная скорость, v - меридиональная скорость, w вертикальная скорость, р - давление, S - скорость фотохимического изменения (локальный источник газа), Р - скорость фотохимического образования, L - скорость разрушения.
В модели решается около 30 таких трехмерных уравнений неразрывности с учетом процессов переноса для долгоживущих элементов и семейств в атмосфере. Химические процессы в модели формируют правые части этих уравнений, т.е. источники Р и стоки L для каждого элемента X.
Пространственно-временные вариации газов, время жизни которых меньше характерного временного масштаба переноса, описываются нестационарным уравнением фотохимического равновесия: -р-іх (23) dt Процессы образования полярных стратосферных облаков параметризованы как переохлаждение тройного раствора воды, серной и азотной кислот, что позволяет с хорошей точностью воспроизводить образование и развитие полярных стратосферных облаков в полярных районах.
В радиационном блоке химической схемы рассчитываются потоки радиации в интервале длин волн от 173,913 до 850 нм во всей толще атмосферы. Полученные значения радиационных потоков используются для расчета скоростей фотодиссоциации озона и влияющих на него газов. Поглощение и рассеяние солнечной радиации атмосферными газами и аэрозолем, а также ее отражение от земной поверхности параметрически учитывается в соответствии с модифицированным методом "дельта-Эдингтона" [40]. Скорости химических реакций рассчитываются на основании рекомендаций JPL-2003. Следует отметить, метод Дельта-Эдингтона применяется как и в химическом, так и в динамическом блоках совместной модели при расчетах переноса излучения в атмосфере. Однако задачи, решаемые в этих блоках, совершенно разные и учитываются независимо. На каждом временном шаге рассчитывается температура атмосферы из уравнения теплового баланса, определяется меридиональная циркуляция атмосферы. Полученные результаты используются на данном шаге для решения системы уравнений непрерывности для газового и аэрозольного состава атмосферы. Тем самым реализуется самосогласованность решения системы исходных уравнений.
Многочисленные результаты измерений показали, что существует связь изменения потока солнечной радиации в ультрафиолетовой области, с 11-летним циклом солнечной активности [2, 41, 42, 44]. Изменение количества поступающей УФ радиации в цикле солнечной активности может привести к изменению физической структуры и химического состава средней атмосферы.
Основываясь на необходимости учета влияния солнечной активности в моделях химии и климата при изучении атмосферного озона, автором была разработана и реализована параметризация зависимости внеатмосферных спектральных потоков солнечной радиации от уровня солнечной активности. Основой данной методики является использование данных спутниковых измерений о вариациях интенсивности солнечной радиации в диапазоне длин волн 175-450 нм при изменении солнечной активности [45-48].
На рисунке 2.2 представлена спектральная изменчивость отношения интенсивностей солнечной радиации при максимальном и минимальном уровне солнечной активности как функция длины волны, полученная автором на основе анализа спутниковых наблюдений за последние три солнечных цикла.
Наибольшие значения изменчивости наблюдаются в диапазоне 200-300 нм, затем отмечаются незначительные колебания при длинах волн больших 300 нм, далее значения близки к нулю.
Долгопериодная изменчивость атмосферного озона
Выполненные расчеты показали, что изменения содержания озона и солнечной активности происходят софазно, т.е. отмечается повышение ОСО при увеличении уровня солнечной активности. Этот положительный отклик озоносферы хорошо заметен в периоды, близкие к 80-му, 90-му и 2000 годам. Истощение озонового слоя, наблюдаемое после вулканических извержений (1982, 1991), происходило на фоне пониженного уровня солнечной активности. В результате отмечаются минимальные значения ОСО за рассматриваемый период. Что в очередной раз подчеркивает важность учета цикла солнечной активности.
При этом вклад солнечной активности в наблюдаемые тренды озона сопоставим с вкладами других озоноформирующих факторов (примерно 1-2 процента между минимумом и максимумом). Детальное описание исследований относительных вкладов различных факторов в межгодовую изменчивость озона приведено в [35].
В рамках данной работы важно отметить, что учет влияния солнечной активности на фотохимию атмосферных газов с использованием новой разработанной параметризации существенно улучшил воспроизведение наблюдаемой изменчивости атмосферного озона. Наилучшее согласие результатов расчетов с результатами измерений отмечается в низких широтах (см. рисунок 3.2, правая панель), где фотохимические процессы преобладают над динамическими в формировании содержания озона.
На рисунке 3.3 представлены результаты исследования чувствительности глобального содержания озона к изменчивости внеатмосферных потоков солнечной радиации в различных участках солнечного спектра. В верхней части рисунка приведены амплитуды изменения внеатмосферных потоков радиации при изменении солнечной активности от минимума к максимуму, в течение одиннадцатилетнего цикла. Как показывают результаты измерений, значимые изменения интенсивности солнечной радиации наблюдаются в спектральном диапазоне до 300 нм. При этом можно отметить двух максимумов чувствительности спектральных потоков солнечной радиации: около 205 и 275 нм.
Степень поглощения солнечной радиации различными газами, которые влияют на содержание атмосферного озона, сильно зависит от длины волны. Так, основное поглощение солнечных фотонов молекулярным кислородом, инициирующее образование молекул озона, происходит при длинах волн до 245 нм [1]. С другой стороны, формирование возбужденного атомарного кислорода 0( D), который играет важную роль при образовании разрушающих озон водородных и азотных радикалов, происходит при фото диссоциации озона в участке спектра до 310 нм [2]. Помимо этого, многие другие газы, оказывающие влияние на образование и разрушение озона (N02, HN03, СН3ООН, НС1, фреоны и галлоны) имеют основные континиумы и полосы поглощения в той части солнечного спектра, которая подвержена существенным вариациям при изменении солнечной активности от минимума к максимуму в пределах одиннадцатилетнего солнечного цикла [1,2].
Так как увеличение уровня солнечной радиации в том или ином участке спектра может привести к однонаправленному или противоположному изменению скоростей образования и разрушения озона, был проведен цикл численных экспериментов, в которых внеатмосферные потоки солнечной радиации увеличивались на 20 % в разных участках солнечного спектра. Величина диапазона была выбрана из соображений максимально возможных обусловленных солнечной активностью изменений потоков солнечной радиации, если процессы на Солнце будут происходить в два раза интенсивней, чем те которые приводят к отклонениям, показанным на рисунке 3.3.
На рисунке 3.3 б приведены результаты расчетов изменения среднегодового глобального общего содержания озона при 20-процентном увеличении интенсивности солнечной радиации в разных участках солнечного спектра. Вместе с изменениями содержания озона на рисунке показаны также соответствующие вариации в скоростях продукции и разрушения озона. Максимальная положительная реакция содержания озона на увеличение потоков солнечной радиации отмечается в спектральном диапазоне 200-225 нм. При этом наблюдается как увеличение скорости образования озона, так и уменьшение скорости его разрушения. Если рост скорости продукции понятен, принимая во внимание, что в этом спектральном участке происходит фотодиссоциация молекулярного кислорода, с последующей рекомбинацией озона [2], то уменьшение скорости разрушения является менее понятным. Дополнительный анализ показал, что основной причиной уменьшения скорости разрушения озона при увеличении интенсивности солнечной радиации в диапазоне 200-225 нм является перераспределение азотосодержащих газов в сторону уменьшения участвующих в каталитических циклах радикалов.
В области длин волн 225-325 нм одновременно увеличиваются и продукция и разрушение озона, причем увеличение скорости разрушения превосходит увеличение образования озона. В результате этого отмечается отрицательная реакция содержания озона в атмосфере на увеличение интенсивности солнечной радиации. Максимальный эффект уменьшения содержания озона получается в спектральном диапазоне 300-325 нм. С учетом того, что при длинах волн более 250 нм образование озона в цепочке фотодиссоциации молекулярного кислорода с последующей рекомбинацией озона не происходит, увеличение скорости продукции может объясняться увеличением фотолиза двуокиси азота, образующейся в результате окисления метана и других углеводородов [2]. Одновременное увеличение скорости разрушения озона может вызываться увеличением азотных, водородных и хлорных радикалов в результате фотолиза их источниковых газов (водяного пара, закиси азота, фреонов, талонов и др.). Кроме того, увеличение продукции возбужденного атомарного кислорода при увеличении потоков солнечной радиации в этом спектральном диапазоне также может привести к дополнительному образованию разрушающих озон радикалов, т.к. взаимодействие источниковых газов с 0(]D) наряду с их фотолизом является главным источником этих радикалов в атмосфере.
Результаты модельных экспериментов по исследованию чувствительности атмосферного озона к изменчивости внеатмосферных потоков солнечной радиации в различных участках солнечного спектра показали, что при существующей спектральной зависимости амплитуд изменения потоков солнечной радиации (см. рисунок 3.3а) глобальное содержание озона в атмосфере имеет тенденцию к увеличению за счет увеличения продукции и уменьшения разрушения в ответ на изменение солнечных потоков в диапазоне 200-225 нм. Однако имеется потенциал, к сокращению содержания озона при увеличении интенсивности солнечной радиации в диапазоне 300-325 нм (см. рисунок 3.36), который пока, вероятно, не реализовывался из-за малых амплитуд изменения радиации в этом участке спектра (см. рисунок 3.3а). Тем не менее, следует иметь в виду, что приведенные на рисунке 3.3а данные являются средними за два десятилетия спутниковых измерений. При определенных условиях на поверхности солнца могут происходить вспышки, приводящие к изменению среднего распределения амплитуд реакции ультрафиолетового излучения на солнечную активность. В подобных случаях могут возникнуть условия, приводящие к локальному сокращению содержания озона в атмосфере Земли.
