Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Численное моделирование влияния антропогенных факторов на атмосферный озон

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Численное моделирование влияния антропогенных факторов на атмосферный озон"

РГб од

РОССИЙСКИ^. П)^ДАГСТВКННШ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

«

СМШЛЯЕВ Сергей Павлович

УДК 651.510.534

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ АНТРОПОГЕННЫХ ФАКТОРОВ НА АТМОСФЕРНЫЙ ОЗОН

11.00.09 - МЕТЕОРОЛОГИЯ,КЛИМАТОЛОГИЯ, АГРОМЕТЕОРОЛОГИЯ

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 1993

Работа выполнена на кафедре метлопрогнозов Российское Государственного гидрометеорологического института.

Научные руководители

доктор технических наук, профессор Б.Д.Панин,

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник В.А.Юдин.

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, профессор Л Л.Матвеев, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Л.Н.Юргано!

Ведущая организация

Главная геофизическая обсерватория им. А.И.Воейкова.

Защита состоится 1993 г. в <~> часов

на заседании Сш'нализированного совета Д.063.19.02 Российского Государственного гидрометеорологического института. Адрес: 195196, г. Санкт-Петербург, Малоохтинский пр., 98. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Российско •Государственного гидрометеорологического института. Автореферат разослан ^^к 1993 г.

доктор ф.мат.наук Гаврилов А.С.

Ученый секретарь Специализированного совета РГ1Ш

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теин. Как известно, озоновый слой атмосферы, благодаря своим оптическим свойствам, защищает биосферу Земли от губительного жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. При этом, наблюдаемое, относительно стабильное содержание озона в атмосфере определяется протекающими одновременно и взаимосвязанными химическими, радиационными я динамическими процессами. Вместе с тем, результаты наземных и спутниковых измерений отметили в последнее время ряд тревожных тенденций в пространственно-временном распределении озона в атмосфере, таких вдк весенняя "озонная дара" в Антарктиде, появление "мини-дцр" в Арктике, уменьшение общего содержания озона в средних шротах обеих полушарий, имеющее тенденцию увеличения с годами, уменьшение озона после мощных вулканических выбросов. В этой связи стали особенно актуальными задачп диагностирования НЕблодаешх и, в большинстве своем, не предсказанных существующими теориями особенностей распределения атмосферного озона и прогностического исследования возможностей повторения подобных процессов в других районах Земного игра.

Результатом активности ученых разных стран по привлечет;» внимания к опасности антропогенных воздействий на атмосферный озон стало появление двух международных соглашений: Венской Конвенции я Монпеальского Протокола, определяющих ' порядок сокращения промышленного использования озоноразрушащиж веществ в течение ближайших лет . В связи с опасностью хлорсодержащих компонентов для озонового слоя п предстоящий уменьшением их применения в промышленном цикле, в настоящее время ведутся интенсивные технические проработки по созданию их заменителей, так называемых альтернативных фреонов, более безопасных для земной атмосферы. При этом, необходимы оцегаш потенциальной опасности для озоносферы вновь вводимых в производство веществ.

Для анализа физико-химических процессов формирующих: пространственно-временное распределение атмосферного озона и исследования антропогенных воздействий на озоносферу необходимы адекватные теоретические модели, позволяющие на базе диагностический исследований наблюдаемых особенностей распределения озона дать прогноз изменения параметров озоносферы в ближайшем и отдалпшюм будущем.

При теоретическом моделировании пространственно-временного распределения озона* и других атмосферных газовых составляющих необходимо корректно и обоснованно описывать взаимосвязь радиационных, химических и динамических процессов. При этом, в связи с тем, что разработанные ранее подели озоносферы не смогли предсказать образование "озонных дыр" в Аотарктиде, необходимо не только болев глубоко изучать традиционно включаемые в теоретические модели процессы, но и исследовать другие физические и химические механизмы, которые ранее не включались в модели озоносферы.

Целью настоящей работы является:

1.Создание одно- и двумерной моделей низшей и средней атмосферы, позволяющих исследовать антропогенные воздействия на озоносферу.

2.Получение численных оценок изменчивости параметров озонового слоя при различных сценариях промышленных выбросов хлорфторуглеродов.

3.Модельное сравнение различных механизмов образования весенних озоновых аномалий в Антарктиде и Арктике.

4.Количественные оценки влияния гетерогенных процессов на поверхности атмосферного аэрозоля на пространственно-временное распределение озона.

5.Получение численных оценок влияния выбросов стратосферных самолетов на озоновый слой. Сравнение результатов для газофазной и аэрозольной атмосфер.

Научная новизна работы состоит в следующем

Разработана нестационарная двумерная самосогласованная численная радиационно-динамически-химическая модель тропосферы и стратосферы. С помощью разработанной модели получены следующие выводы и результаты:

1.Получены оценки влияния гетерогенных процессов на поверхности фонового и антропогенного аэрозоля на формирование поля озона на высотах тропосферы и стратосферы в полярных и средних широтах.

2.Получены прогностические оценки влияния выбросов хлорфторуглеводородов на озоновый слой в условиях аэрозольной атмосферы.

3.Проведен сравнительный анализ механизмов, ответственных за образование "озоновой дыры" в Антарктиде.

4.Получены количественные оценки влияния выбросов стратосферных самолетов на процессы, формирующие равновесные концентрации озона в аэрозольной атмосфере.

Теоретическая н практическая ценность работы :

Разработшш и реализовали на ЭВМ методы ропения "яесткнх'" задач химической кинетики , описывающих поведение ютогокошонентной, чкогопараметрической среди с учетом процессов переноса. Предлагаемый подход может быть использовал при решении дпагностичестслх п прогностических эвдач моделирования особенностей газового состава планетных атмосфер на различных высотах, а также в климатических и диланичеасих моделях разной размерности.

На основе разработанных методов создан когалек.с фотохимических ноделей низшей и средней атмосферы Земли, которые могут быть использованы:

- в практичеаспх исследованиях целесообразности введения в пропиленное производство альтернативных заменителей озоноопаешх хлорфторуглеводородов, с точней зрения получения количественных оценок их потенциалов озонного разрушения,

при интерпретации экспериментальных дзшгох о параметрах озоносферц, полученных в ходе проводимых в настоящее вре»л моз^дунзродшх программ, нэпргшлешшх нл исследование Арктической атмосферы, на предмет воттяятоста рззштия в дзгегои регионе явлений подобных весенним озоновым лнемзлшч в Литарктяде.

- при оценках возможного истощения озонового слоя под плптт??:! выбросов стратосферной авиации и ракетио-косготесксй техники.

На защиту выносятся :

1.Двумерные самосогласовашше подели раднзгаи, п ."чняглгн кнг'сй и средней атмосферы.

2.Параметризации гетерогешшх процессов на пог-риюотч атмосферного аорозоля и оценка их влияния нч 1ртосфе1"лгй и стратосферный озон.

3. Численные оценки влияния прегаолеш^х • |-:брссоа хлорфторуглеродов из озоновый слой и прогноз изменения п-т^тр«« озоносферц при различных сценариях сскряпсггая гепользопчнта -»счсч.я будущем.

4.Пролюсютесиио оценка влияния продуктов сгор-чсп ••»ма«етл»»х двигателей на озон в тропосфере и готакй стрэтооф»г.с.

5.Сценки относительной ролл динамических а лтичее.^их »'"••¡инп-'е') образования псблядосиых особенностей простр.игст"";п'о-г;-:'"':шг'Л,о рап'ргделепвк озона в полярных рейонах.

ЛпроЗяция работа ,

ööirwS™ результаты исследований, излокешше в диссертации докладывались и обсуждались на семинарах в Российском государственном гидрометеорологическом институте, Центральной аэрологической обсерватории, Главной геофизической обсерватории им.А.И.ВоейкоЕ.ч, Арктического и Антарктического института, на III Всесоюзной Конфорспгцпи по апрологии (Москва,1905), на Международной конференции ШО по моделированию загрязнения атмосферы (Ленинград 1986), на Международной конференции по дальнему переносу газовых примесей (Вильнюс I90G), lta II Всесоюзном симпозиуме по средней атмосфере (Москва IS0G), на Всесоюзном симпозиуме по фотохимическим процессам земной атмосферы (Москва, 1907), на совещаниях WASA/HSRP (1991 ,1992), на Ассамблеях . Европейского Геофизического общества в (1991,1992,1993), в Институте Окружающей Среди Стокгольма (11,31,1992).

Разработанные модели передавались и используются и Центральной аэрологической • обсерватории, Институте химической фитзики им.II.IF.Семенова и институте прикладной геофизики им.Е.К.Федорова.

Публикации. Осногошо результаты диссертации опубликованы в 26 печатных работах, материалы использовались в научно-исследовательских отчетах.

Структура и г'ъем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав,~Г0шг7Жнйя~й списка литературы. Главы делятся на разделы. * Диссертация включает 145 страниц машинописного текста, включая 29 » рисунков и 12 таблиц. Список литературы содержит 67 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работа, сформулирована цель исследования, перечислены основные положения, выносимые на защиту, определены научная и практическая ценность работы, ее новизна, кратко изложено содержание диссертации.

Первая глава посвящена основным направлениям исследований ороиошго слоя Земли, теоретическим основам моделирования химических, радипцпошшх,. динамических и гетерогенных процессов, которые определяют пространствешю-врекекноо распределений малых газовых приносеQ » эсииоЯ атмосфере.

В раздела I.I рэссиотрани о:;спср:п«знталыше сведения о параметра;: озоносфоры за последние да пятилетия. Иск покаяиввж: результаты спутниковых н назешшх измерений, в последнее время uoíiío откатить следуйте закономерности изиозгшлссти озонового слоя .

- Регистрация, начиная с середины СОх годов, так называемой "озоновой дыры" в Антарктиде, которая характеризуется уненьг.чзнми общего содержания озона (ССО) до 50% в весенние месяцы, умьшл<;зннец концентраций озона в высотном диапазоне 10-25 ки до £Ш, еьегодке'! поп орлекостьп данного явлен:«! в сентябре-ноябре с иакскнаяьши yi/.еиьсешеи озона в октябре, сопутствующим повикешеи содержания хлорных компонентов, понижением содержания азотных « Еодородшх радикалов, образованней в пестах локализации озоновых аномалий полярных стратос.Т.зр]шх облаков (ПСО);

0зиарунз!шо похо.их явлений d Арктической зоне северного ПОЛ/ПарНЯ, 'ГИК IKiSUiiSCSQJX озоновых "кша-дар", С СОПУТСТВУЙ/СУ попшешнш хлоршх кокпоюягг a образспашеи ПСО аналогично отиичаш^н и Антарктиде, но с генылин охвзтоц территории п более бистрнм восстановлением нормальных концентраций озона по сравнении с AHT.jJjjíтнчискшгл

- Ограцтаяишй '¿(.ч.'д ОСО в ерздиях ¡.лретах, ¿еэтпгвкций b'.I за малгакапт и пара.т".эл1люа глобальное усэлгсоквв хлора и атиссМр.: ;

-- ¿!:гш ::■'!;;!<! с зона /ю^ле иа.игих пуглг^.ч'юсг.г:

(лгунт,!^:; Уль-'Ьчои.ЮОЗ; ПялатуОо, ).

Анализ резуль1! dïui: натур;шх н стг/чиикспнх иг.ииршглД шлюлтп откатать следуем oôcçm явления, ссиутануица у^зиызшш» озодй:

- параллельно;: у; еллчшше хлорных {одикляод и местах докал&аад»« сокращения езояи ;

- увеличенное по сравнении с фоновый содерчии:е аэрозоля (поляршм стратосферный салак..! в высоких ьурота í п сульфатный аърог.оль средних сиротах j.

По резульчйкепоргаганталышго изучен,-,,] пнргиотров o&cinci¡e(i; ¡;o:ího сделать елгдуй^о вывода:

i .Поскольку хлорные составляй •.!-• » ьтютсодю ш»лявтсй , глаац:,« образен, продук',uva рзеи-.ешйшш ¿ло^торуглзйсдо^дой, ■>

- ' ,-редь, псыьдаот n bTiáoc-iejiy p.^r/j.i. ¡ е xori.; rï'-ii.i :„

;]■.-.. .. .;t:í 4!)'.4!l , то li«.c7t]'jio;¡ ПТйНОВЛТСН ^'¡ды а\ дийгд^,; „l'iîiCi V Í

и ¡'г. ..;/:¡!'¡ ескл.: íí.'j:.;.1!, 0Pbi::J a;:':. мыгешпи аоз^еДатьиЛ Ки и a.,¡

2.Гетерогенные реакции на поверхности атмосферного аэрозоля могут существенно изменить'нормальное протекание процессов контролирующих естествешше равновесие цевду образованней и разрушением озона.

Раздел 1.2 посбящэн описанию процессов, формирующих фоновое распределение озона в атмосфере. В этом разделе также описаны методы а подходы фотохимического моделирования наблюдаемых особенностей распределения озона в атмосфере.

Для теоретического изучения естественных и антропогенных воздействий на озоновый слой в мировой практике используются одно-, дву- и трехмерные модели озоносферы. Одномерные модели наиболее часто применяются при диагностических оценках влияния химических процессов на озон, в частности при вычислении потенциалов озонного разрушения вновь вводимых в производство веществ, так называемых альтернативных фреонов. Подобные модели не позволяют в полной маре оценить влияние динамических и радиационных процессов на озоносферу. Для выполнения таких исследований в наибольшей степени пригодны трехмерные модели химии, динамики и радиации, учитывающие высотные, широтные и долготные изменения вычисляемых параметров. Однако, уровень развития вычислительной техники не позволял до последнего времени достаточно полно учитывать в трехмерных моделях все многообразие важных для озоносферы химических реакций. В этой связи, наибольшее распространение как для диагностического, так и для прогностического использования в последнее время получили двумерные модели химии, динамики и радиации. В подобных моделях максимально полно учитываются высотно-широтше особенности протекания химических и фотодиссоциациошшх процессов. При рассмотрении динамических и радиационных процессов в двумерных моделях применяется зональное осреднение по долготе, а незональные эффекты учитываются параметрически. Использование двумерных моделей для исследования естественных и антропогенных воздействий на озоновый слой позволяет учесть обратные связи между химическими, динамическими и радиационными процессами.

В разделе 1.3 изложены результат теоретических и лабораторных исследований важшх для озоносферы гетерогенных реакций на поверхности атмосферного аэрозоля, которые, в соответствии с современными представлениями, являются наиболее достоверной причиной образования весенних озонных дыр в Антарктике и наблюдаемого отрицательного тренда в общем содержании озона после мощшх вулканических выбросов. Гетерогенные реакции ь атмосфере происходят б

результате столкновений движущихся с ■ тепловыми скоростями молекул атмосферных газов с аэрозольными частицами. Если молекула прилипает и п дальнейшем вымывается вместе с аэрозолем, то в результате гетерогенной реакции происходит сток данной газовой компонента. Если ко после прилипания на поверхности зэрозоля происходит химическая реакция с образованием других газов, то аэрозоль выполняет роль катализатора данной химической реакции. Как показывают лабораторные исследования, в атмосферных условиях могут протекать следующие наиболее важные для озонового слоя гетерогенные реакции:

N205 + Н20 —> 2HN03 (I)

ClONOg + HgO —> Н0С1 + HNOg . (2)

HCl + C10N02 — > Cl2-+ Ш'Ю3 . (3)

Кроив того, на поверхности атмосферного аэрозоля мотат происходить гетерогенное вымывание озона и гидроксилышх радикалов ОН и Н02.

В полярных условиях в результате гетерогенных реакций (2) п (3) происходит переход хлора из резервуаров HCl и C10N02 в оптически активные компоненты tfOCl и С12, которые под воздействием солнечного излучения после окончатся полярной ночи быстро распадаются с образованием активного хлора, который разрушает озон. Реакция диттрификацин (I) препятствует обратным переходам активного хлора в резервуарше компоненты при взаимодействии с азотными компонентами, т.к. образущался в результате реакции азотная кислота вымывается в твердом виде вместе с аэрозолем.

Заключительная часть главы посвящена обзору фотохимических модпей низшей и средней атмосферы.

Во второй главе приводится описание разработанных автором одно и двумерных фотохимических моделей тропосферы и стратосферы, учитывающих как газофазные, так и гетерогенные процессы.

Раздел 2.1 посвящен изложению предложенного автором алгоритма моделирования фотохимических процессов в планетных атмосферах. Как известно, пространственно-временное распределение малых газовых примесей в атмосфере определяется совокупностью взаимосвязанных и протекающих совместно фотохимических, динамических и радипциошшх процессов. Математическая формулировка задачи базируется на системе уравнений неразрывности многокомпонентной среды при наличия химич^-их реакций:

Л> + = ИСХЪ (4)

7Г

О '

где Х>=(Х1,Х21...Ху>т- вектор концентраций рассматриваемых примесей, N - число рассматриваемых примесей, Ь - линейный дифференциальный оператор, описывающий пространственный перенос приноси, И - скорость фотохимического изменения, которая определяется протекающими в атмосфере процессами фотодассоциации, бимолекулярными и трехмолекулярныма химическими реакциями, мономолекулярным распадом и гетерогенными процессами. В общем виде ее можно записать:

"з^УА + ? 'А - ( = кзА + ^ + Ч))Хг з=1'2,...ы

где члеш в правой части с положительным знаком описывают фотохимическую продукцию (за счет химических реакций и фотодиссоциационных процессов), а члены с отрицательным знаком -фотохимическое разрушение (за счет химических реакций, фотодиссоциационных процессов, мономолекулярного распада и гетерогенных процессов).

Сформулированная задача является нелинейной смешанной краевой задачей с граничными и начальными условиями: ТХ>=2>,-Х>|^=0= Х^.

Для сведения данной задачи к задаче с начальными данными (задаче Коши) необходимо задать шаблон в выбранной пространственной области и аппроксимировать на нем дифференциальные операторы по пространственным переменным их конечно-разностными аналогами. В

результате получается система дифференциально-разностных уравнений: ->

йУ -> -> т> ->

ат + ЛУ = ЩУ), (Б)

->

где У - концентрации рассматриваемых газов во всех пространственных узлах, Л - конечно-разностное представление дифференциального оператора Ь.

Рассматриваемая задача Коши обладает рядом специфических особенностей, ограничивающих использование для ее решения многих обычно применяемых численных методов. Так, высокие скорости химических реакций обуславливают сильную связь между уравнениями - ее жесткость. Математически это выражьется большим разбросом модуля собственных значений матрицы Якоби: гглх Ш5(-\^)/т1п Не(-\1)>>1, где А^-собствешше числа матрицы Якоби дг,У)=| |<Л/<?У| |, 1=ЩУ)-ЛУ.

Жесткость задачи приводит к практической непригодности для ее решения явных вычислительных схем,т.к. для устойчивости явной схемы необходимо, чтобы шаг по времени не превышал минимальной локальной временной постоянной системы, отвечающей максимальному

собственному значению Якобиана 1ц1п=1/гаах йв(-\1), в то не время характерное время задачи определяется максимальной локальной временной постоянной, отвечающей минимальному собственному значению матрицы Якоби. В этой связи, для достикения сходимости решений необходимое количество шагов будет порядка коэффициента жесткости (отношение максимального собственного числа к минимальному), который для атмосферных задач достигает Ю^-Ю8.

Для преодоления трудностей, возникающих при решении задачи фотохимического моделирования процессов в 'земной атмосфере автор использовал при создании одно и двумерной моделей комбинацию метода "сохранения семейств" и А-устойчивого неявного метода решения жестких задач. Применение метода "сохранения семейств" основывается на учете существования в атмосферной фотохимии большого числа обратимых реакций, скорости которых образуют малые разности больших величин. Если сгруппировать компоненты, для которых подобные реакции текут в противоположные направления , в условные семейства, то, во-первых ' уменьшится число уравнений в системе, а во-вторых быстрые обратимые реакции будут исключены из выражения для фотохимического источника, что приведет к уменьшению коэффициента жесткости системы на несколько порядков. Распределение концентраций внутри семейств рассчитывается по алгебраическим формулам, учитывающим быстрые реакции, ведущие к переходу членов семейств друг в друга.

Однако, если сгруппировать все рассматриваемые компоненты в несколько семейств можно существенно ухудшить точность вычислений, если не выполняются следующие условия:

1. Фотохимическое время жизни компонентов, включаемых в состав семейства, много меньше постоянной времени переноса.

2. Значение скоростей фотохимических реакций, определяющих распределение концентраций внутри семейств, должно быть много больше скоростей реакций, влияющих на суммарную концентрацию семейств.

Поскольку невозможно добиться выполнения этих условий для всех рассматриваемых компонентов ео всех узлах пространственной сет^л, а общие методы решения жестких задач требуют нереально больших затрат машинного времени, при разработка предлагаемого алгоритма автором использовался комбинированный метод.

1, семейства были сгруппированы только те малые газовые составляющие, дал которых безусловно выполнялись приведенные выие условия. Осталышя кэипон:':г.'.ч по соотношению их Фотохимических времен жизни с постоянной Бреили: иирил-.сй разбивались на доягоютуадз и

10

i

короткошвущие. Для долгонивущих совместно с введенными семействами рассматривались дифф^ренцаалыю-разностнне уравнения типа (5). Их аппроксимация конечноразносгными уравнениями осуществлялась ¿-устойчивым одношаговым методой :

уЗ+1 _ уЗ

= 0-55 (6)

Для вычисления неявных членов данной системы используется продольно-поперечный метод в режиме предиктор-корректор: сначала методом прогонка для кавдой шроты решается система трехдиагональных уравнений по вертикали, а затем, используя полученные значения отношений смеси, также методой прогонки решается система трехдиагональных уравнений по горизонтали дня кавдого высотного уровня. Далее, в режима предиктор- корректор делается несколько итераций. В этих уравнениях член, списывающий скорость фотохимического изменения, разбивается на продукцию (Р) о деструкцию (В)¡И = Р - Б У. При этом для усиления диагонального преобладания слагаемое оравой части (6); описывающее деструкцию, берется на неявном временном слое, а выражаюцее продукцию - на явном итерационном слое.

Концентрации короткохивущих газовых примесей рассчитываются из уравнения (7) без учета динамических процессов.

В разделе 2.2 описываются применяемые автором параметризации скоростей гетерогенных 'процессов на поверхности атмосферного аэрозоля. Скорость разрушения потока частиц на единичной поверхности сферы, согласно (Смирнову В.И.,1969) можно записать:

7*1

<5 =_- , (7)

3?(1+\0(7)1)

где V - средняя тепловая скорость молекул, 1 - длина свободного пробега газовой частицы между столкновениями, г~ - средний радиус аэрозольных частиц, 7 - вероятность реакции при единичном акте столкновения, Х0(7) = + 4(1-7)637, а {I> параметрически

зависит от числа Кнудсена Кп=1§г.

Для описания зависимости от Кп автор предложил формулу:

Х0(1) = 1.3 -0.6*(1-ехр(-0.693Кп))

(8)

которая позволяет использовать универсальное выражение: dY Кп /8ШГ"'

— ---/ йг <9>

dt 3(1+Л.0(7)Кп) у ^

где R - универсальная газовая постоянная, Т - температура воздуха, ¡i-молекулярный вес реагирующего газа, А - удельная площадь аэрозольной поверхности. Формула (9) применима как в стратосфере, где Кп>>1, так и в тропосфере, где Кп<1.

В разделе 2.3 приводятся результаты моделирования фонового распределения малых газов и их сравнение с результатами наблюдений.

Третья глава посвящена исследованию возможных механизмов образования озоновых аномалий в полярных районах с помощью разработанной модели. При разработке теории зарегистиров,>)ННоа в Антарктиде "озоновой дыры", прежде всего, встают следующие во, осы:

- являются ли эти изменения чисто Антарктическими, или могут происходить и в других широтах?

- причиной появления аномалий является естественная изменчивость или хозяйственная деятельность человека, приведшая к изменениям физических и химических условий в Антарктиде?

- какие процессы: динамические или химические ответственны за появление "озоновой дыры"?

Сравнение наблюдаемых в Антарктиде отклонений со среднемноголетниии для различных широт от конца 50х годов до начала ООх показывает, что изменение общего содержания озона (0С0), наблюдаемое в последнее время в Антарктиде не отмечались ранее ни там, ни в других широтах. Таким образом, мржно предполагать, что современный тренд Антарктического озона лежит вне естественной, изменчивости когда-либо наблюдаемой в мире и макет быть вызван либо антропогенными возмущениями последнего времени, либо отражает естественную изменчивость с временный масштабом, превосходящим исторический ряд наблюдений (около 40 лет).

Поскольку сильные возмущения озонового слоя до последнего времени наблюдались только в Антарктиде, то необходимо выделить такие физико-химические механизмы, которые в Антарктических условиях протекают специфическим образом по сравнению с другими широтами.

Среди подобных явлений выделяют два основных, на которых основываются все попытки объяснения "озоновой дыры":

- длительно существующий над Антарктидой в течение полярной ночи циркумполярный вихрь, фактически изолирующий ео от средних широт,

возникающие в течение полярной ночи при крайне низких температурах нижней стратосферы полярные стратосферные облака, изменяющие радиационный режим и создающие потенциальную возможность для протекания на поверхности ПСО гетерогенных реакций.

¿втором исследовались динамический и химический механизмы образования озоновой дыры. Динамическая концепция данного явления основывается на наблюдаемом одновременно с сокращением озона уменьшением температуры, что может быть вызвало сильным вертикальным подъемом воздушных масс в нижней стратосфере. Изоляция Антарктического циркумполярного вихря при отсутствии нагрева за счет солнечной радиации (К) ведет к охлаждению нижней стратосферы до низких температур. В результате к концу полярной ночи в нижней стратосфере достигается состояние близкое к радиационному равновесию Н-С=с1ТЛ»=0, где С - радиационное выхолаживание. Тогда, после возвращения солнца возникают большие вертикальные скорости при нагреве стратосферы за счет ПСО: ш=Н/Г, где Г - статическая устойчивость, которые во-первых выносят в стратосферу более бедный озоном воздух из нижних слоев, а во-вторых способствуют более быстрому разрушению озона на больших высотах.

В качестве химических механизмов автором исследовались хлорная активация за счет гетерогенных реакций (1)-(3) и прямое гетерогенное разрушение озона на ПСО. Основанием для изучения возможности прямого разрушения послужили во-первых лабораторные эксперименты, показавшие возможность протекания гетерогенных реакций деструкции озона на частицах, из которых состоят ПСО (Гершензон,1988) а во-вторых наблюдаемое уменьшение озона в течение полярной ночи, в то время как динамическая теория и хлорная активация объясняют уменьшение озона только после возвращения солнца.

Численные эксперименты проведенные автором с помощью разработанной модели показали, что во-первых ни один из трех рассматриваемых механизмов не могут самостоятельно объяснить все наблюдаемые черты, характерные для озоновых аномалий в Антарктиде, во-вторых - наиболее существенное влияние на озон оказывают гетерогенные процессы хлорной активации и прямого разрушения озона, и в-третьх хотя динамические процессы не в силах самостоятельно привести к явлениям "озоновой дыры", но тем не менее их значение в образовании данного явления все ке велико, т.к. они способствуют изоляции полярной стратосферы от средних широт и в^шдавают свою долю в умэньшониа озонового слоя после возвращения солнца весной.

В четвертой главе рассматриваются результаты выполненных автором численных экспериментов по исследованию влияния промышленных выбросов хлорфторуглеводородов на озоновый слой.

Интенсификация хозяйственной деятельности человек в последнее время привела к резкому увеличению промышленных выбросов в атмосферу. Для многогих малых газовых составляющих атмосферы масштабы подобных выбросов сравнились с их естественной продукцией, а для некоторых намного превзошли ее. К последним относятся так называемые хлорфторуглеводороды, бесконтрольное использование которых в аэрозольных балончиках, при производстве пластмасс и пенопласта, в качестве растворителей, в холодильниках и кондиционерах привело к существенному увеличению хлорсодериащих компонентов в ст)ятосфере, что представляет угрозу для озонового слоя. Кромь того, хлорфторуглеводороды являются радиационно-активными газами и, следовательно, могут внести существенный вклад в парниковый эффект. В этой связи встал вопрос об оценке степени опасности выбросов конкретных хлорфторуглеводородов для озонового слоя, о прогнозе изменения озонового слоя при различных мощностях выбросов хлорфторуглеводородов и замене хлорсодеряащях компонентов в производственном цикле альтернативными веществами не оказывающими столь опасного воздействия на озоносферу. При этом, для оценка потенциальной опасности для атмосферы вновь вводимых в производство веществ, необходимы, во-первых, инструмент, позволяющий оценить влияние этих веществ на химические и радиационные процо .сы в атмосфере и во-вторых количественный критерий потенциальной опасности, позволяющий сравнивать различные компоненты.

,В представлямой работе в качестве подобного инструмента предлагается разработанная автором и описанная выше двумерная среднезональная фотохимичекая модель, позволяющая легко добавлять в химическую схему новые альтернативные фреоны и оценивать их влияние на озоноваый слой на основании критерия потенциалов озонного разрушения . Радиационная схема модели позволяет оценить вклад альтернативных фреонов в парниковый эффект.

Придя к соглашению о потенциальной опасности фреонов, талонов и других галогеносодерасащих продуктов промышленной деятельности для озона, ученые и политики разработали сценарии сокращения производства фреонов и галопов, которые вошли в Монреальский Протокол. Эти сценарии бззируются на следующих альтернативах:

1.Двукратное сокращение выбросов фреонов в атмосферу к 2000 году по сравнению с 1989 годом с дальнейшим плавным сокращением их использования порядка 1% в год.

2.Рост использования фреонов в конце 80х годов с дальнейгаш сокращением по первому сценарию.

З.Замораиивание уровня эмиссии фреонов на уровне 1986 года (950гсгёгод).

4.Рост использования фреонов в конце 80х годов с дальнейшим сокращением на СОЖ к началу следующего века.

5.Возрастание эмиссий фреонов на 2.5% в год.

Результаты проведенных численных экспериментов показали, что для всех сценариев отмечается практически одинаковый рост активного хлора до 2000 года . ' После этого для четвертого сценария наступает стабилизация на уровне 4 ррв, что в два раза превышает уровень 1980 г., для остальных сценариев содержание активного хлора продолжает расти, а для 5-го сценария достигает 8 ррв к 2025 году.

Анализ рассчитанных изменений общего содержания озона показал, что для всех сценариев характерно разрушение озона, только для четвертого сценария можно отметить слабую тенденцию к восстановлению 0С0, начиная с 2000 года. Для пятого сценария уменьшение общего содержания озона достигает 8% к 2025 году с тенденцией быстрого нарастания относительного сокращения 0С0.

Таким образом, результаты проведенных автором численных экспериментов показали, что пренебрежение опасностью выбросов фреонов для озонового слоя может привести к существенному сокращению озонового слоя уже не в столь отдаленном будущем, причем эффект будет наблюдаться даже при самых жестких мерах по сокращению использования .фреонов, т.к. уже накопленного количества долгоживущих фреонов в атмосфере достаточно для разрушения озона в течение многих лет.

В качестве одного из вариантов замены озоноопасных фреонов в промышленной вдкло рассматривается использование хлорфторуглеродов, имевдих тропосферный сток за счет реакции с гидроксильным радикалом. Автор провел численные эксперименты по исследованию последствий замены всех используемых сейчас фреонов одним из таких хлорфторуглеродов - Ш?С-22. При этом рассматривались гетерогенные '. реакции разрушения гидрсксильных радикалов в тропосфере, которые 'йбгут нивелировать вымывание КРС-22. Результаты расчетов показали, ■ Лтй для загрязненной атмосферы замена фреонов имеющими тропосфершшй СтсГк эиорфторуглородака оказывается неэффективной.

Пятая глава посвящена исследованию возможного влияния на озоновый слой полетов высотных самолетов в стратосфере.

Попадающие в атмосферу продукты сгорания самолетных дчнгателей могут существенно изменить фонокые концентрации малых газовых составляющих. Чувствительность фоновых концентраций атмосферных газов к непосредственному увеличению самолетными выбросами нонет быть оценена путем сравнения естественных скоростей их образования и разрушения с мощностью выбросов, которая может быть оценена на основе технических данных о продуктах сгорания используемых самолетных двигателей и среднеглобальных данных об интенсивности полетов.

Численные оценки показывают, что наиболее чувствите.тп шми к

самолетным выбросам газами являются окислы азота, есть ченная

Tí

скорость продукции которых составляет около 24x10 молекул в год (Crutzen P.J. Schmailzl U.,1983), в то время как при годовом потреблении авиационного топлива на уровне 1987 г. в количестве 15х1010кг (International Energy Annual, 1983), выбросы N0_ дозвуковой

ПО i

авиацией составляют около 15x10 молекул в год, а ожидаемые в начале XXI века интенсивные коммерческие полеты сверхзвуковых самолетов могут дать (Ю-бО)хЮ молекул N0^ в год в зависимости от интенсивности полетов и качества используемых двигателей (Johnston U.S., et al, 1989).

Результаты проведенных автором численных экспериментов по оценке влияния самолетных выбросов окислов азота на озон показывав, что совремешшй уровень качества авиационных двигателей (45 г/кг) недопустим для полетов на стратосферных высотах, т.к. разрушение озона при этом может достигать величин ¡? два раза больших чей прогнозируемое разрушение из-за Еыбросов Фреонов на современном уровне. Выбросы с индексом ракомендовашшм HASA в качестве дательного по-видимому действительно являются безопасными, т.к. по результатам модельных оценок разрушение общзх.. содержания озона при этом не превышает 2%. Однако, пока ice понятно, насколько достшвш уровень 5 г/кг с точки зрения технологии построения авиационных двигателей. Уровень выбросов с индексом 15 г/кг является технически достигамыи и наиболее дискуссионным с точки зрения рекомендаций на политическом уровне, т.к. существует сильная зависимость от высоты полет:;; и i'uae 20 км, где полеты наиболее эффективны с точки зрения сксроыи ;i рентабельности, выбросы с этим индексом иогут привести к существенному разруасыю озона, а при полетах ниже 16 км разрушение незначительно.

По результатам расчетов козою сделать следующие выводы:

1. Разрубание атмосферного озона тем больше, чей вит высоты полетов и 421! больше индексы эмиссии окислов азота.

2. Максимальное умвньшзнив озона отмечается в средних и полярных шротах северного полушария на высотах 15-30 км.

3. Степень опашка стратосферного озона кжцого полушария иг; сгшолетные выбросы зависит от динамического переноса окислов азата из северного полупзрия.

4. Выбросы высотшх самолетов ведут г. небольшому увеличить., концентрации озона в верхней тропосфере.

й. Гетерогенные реакции в тропосфере и стратосфере могут изменить количественные оцеши влияния самолетных выбросом на атмосферный, озон.

Е заключении приведены основные результаты и выводи работы.

1. Разработагш чнслегаше модели и создан кокплскс программ, позволяющих решать задачи фотохимического моделирования процессов ь земной атмосфере и исследования антропогенных воздействий но озоносферу. Разработан алгоритм решения задачи химической, кинетики применительно к планетшм атмосферам.

2.Получе1ш оценки влияния гетерогешшх реакций на поверхности атмосферного аэрозоля на озоновый слой, для различных высот, сезонов I: сирот. Показано, что процессы в тропосфере, пошио воздействия ли распределение тропосферных излил тазов, оказывают домидег и к>. процессы в стратосфере, т.к. влияют га потоки источгакових газон I, > тропосферы в стратосферу. Гетерогенные реакции ни стратосфернс,.; аэрозоле в значительной степеш! определяют такие наблюдаете явления как образование "озодавых дыр" и уменьшение озона после мощных вулканических изьориенпй.

3.Г1олуче1Ш прогностические оценки влияния промышленных выбросов хлорфторуглеводородов но озоновый слой. Показано, что влияние фреонсв на озон носит "отложенный характер", в резульате чего накопленные ь атмосфере за счет выбросов в продо. у ««.и годы хлорфгоруглеводород'. разлагаясь будут продуцировать актива;.'; хлор, который оудет разрушат», озон в бликай^иь годы. Иопадалл^е ейчы: ь атеоферу фреони йудуг разрушать озон ь будущее. Показано, что замена озоноопаеннх Фреоном их аналогам-: ныеьаиии тропосферный с":'ок м&ьс? оказаться иезЭДек'ишиой из-за к.сргенмь реак^ый в троиосфг к>.

4.Показано,что озоновые аномалии п поллршх районах являются следствием совместного действия гетерогенных процессов на поверхности полярных стратосферных облаков и енчны структуры атмосферной циркуляции после ск01гш1шл полярной ночи, Причин процессы хлорной активации, являющиеся наиболее лчотой причиной "оэонотах дкп" стали значимыми в последнее время Слчгодарл антропогенному увеличении хлорсодержатах компонент в атмосфере.

5.Получены оценки плиянпя вмбросоп высотных самолетов на

озон. Показано, что разрушение (ненового слоя при планируемой интенсивности полетов п начала с.гедующего столетия может оказаться п два раза большим по сравнению с вчбросаш фреонов на , современном уровне. Гетерогешше реакции на фоновом аэрозоле могут сугчственно изменить оценки рэзрушетал озона самолетными выбросами,

Осноише результату, изложенные а диссертации, опублик jhu в следующих работах:

1. Смншяев С.П., Аронова ЕЛ'. Численное моделирование особешго'стей впртикалыюго прс'млп тропосферного озона. - В сб.¡Параметризация некоторых гидов непреднлмереююго и направленного воздействий, Л.:. П'84.

2. Звенигородский С.Г., Смышляев С.П. О возможном изменении содержания озона при интенсивном возмущении аэрозольной компоненты. - Изв. АН СССР, сер. ФАО, Н 10, 1985.

3. Тзльрозе П.Л., Поройкова А.И., Звенигородский С.Г., Смышляев С.П. Теоретическое и экспериментальное изучение химии нижней атмосферы. ■ Тезисы докладов Международной конференции ВМО по моделированию загрязнения атмосферы. Ленинград, 1986.

4. Гершвнзон Ю.М., Поройкова А.И., Звенигородский С.Г., Смышляев С.П. 0 влиянии гетерогенной гибели гидроксилышх радикалов на газовый состав тропосферы. - Тезисы докладов Международной конференции ВМО по моделированию загрязнешь атмосферы. Ленинград, 1986.

5. Звенигородский С.Г., Смышляев С.П. Трансформация газового состава атмосферы в аэрозольных облаках. - Тезисы докладов Международной конференции по дальнему переносу газовых примесей, 1986.

6. Гершензон D.M., Поройкова А.И., Звенигородский С.Г., Смышляев С.П. 0 влиянии гетерогенной табели радикалов ОН и Н02 на газовый состав тропосферы. - Химическая.физика, т.6, N 2, 1987. •

7. Звенигородский С.Г., Смышляев С.П. Стратосферный озон и вулканические извержения: результаты численного моделирования. -Тоэисы докладов II Всесоюзного симпозиума по средней

атмосфере, 1986.

8. Гершензон Ю.М., Звенигородский С.Г., Смышляев С.П. Изучите некоторых реакций радикалов ОН и Н02 и их роли в химии атмосферы. - Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума по фотохимическим процессам, 1987.

9. Тзльрозе В.Л., Поройкова А.И., Звенигородский С.Г., Смышляев С.П. Влияние окислов азота земного происхождения на баланс малых прикссей в никней атмосфере. - Тезисы досладов Всесоюзного симпозиума .¿о фотохимичесзгим процессам. 1987.

Ю.Еланский Н.©., Звенигородский С.Г., Смышляев С.П. Воздействие вулканических извержений на стратосферный озошшй слой. Доклада АН СССР, т.294, N 5, 1987.

II.Звенигородский С.Г., Смышляев С.П. Трансформация примесных газов в моделях загрязненности и трансграничного переноса. - В сб.: Вопросы эффективности гидрометеорологических исследований. 1988.

12.Звенигородский С.Г., Смышляев С.П. Влияние вулканических извержений на газовый состав стратосферы. - Метеорология и гидрология, 1988.

13.Сирота В.Г., Смышляев С.П. Числашюо моделировании фото1саталитического разрушения озона на аэрозоле в земной атмосфере. - В сб.: Проблемы физики атмосферы. 1938.

14.Звенигородский С.Г., Смышляев С.П. Численные эксперименты по моделированию влияния вулканичесзшх выбросов на фотохимию стратосферы. Оптика атмосферы. 1988.

► 15.Кокин Г.А., Звенигородский С.Г., Смышляев С.П.Оценка влияния аэрозоля на содержание некоторых малых газовых составляющих атмосферы. - В сб.: Атмосферный озон, 1938.

Г6. Звенигородский С.Г., Хаттьтов В.У., Смышляев С.П. Прогноз СОСТОЛ1ШЯ озоносфоры при различных сценариях выбросов хлорфторуглеродоа на базе фотохимической модели I-Д. Оптика й'тносферы. 1990.

17'.Сииа;ляев С.П. Оптимизация алгоритма численного решения уравзгезкй двумерной среднезозшльной фотохимической модели. - В сб.: Атмосферный озон, 1991.

ХЙ.БгцуьМуает S.P., Yudln V.A., Zvetvlgorodsky S.G. The eenolUvlty etudieo oi oiioctD of tropoepheric heterogeneous chemictry on ойопе (icpl'et'i'on by supersonic aircrait. Annalee Geophyolcae, S'uppleirtonl III' to Volume 10, p.393, Edinburgh, 1992.

i9.Sir<ye&lyfit»v S".T*.V Svenicorodcky S.G. Estimation of pouolble

direct heterogeneous effect on ozone during the Antarctic Wight. AnnaleB Geophysicae part III, Supplement III to V.10, 1992.

20.Smyshlyaev S.P., Yudin 7.A., Possible ozone changea due to supersonic aircralt perturbations calculated with 2-D model with thicken vertical grid.Annales Geophysicae, Supplement III to Volume 10, p.398, Edinburgh, 1992.

21.Dvortsov V.I., Zvenigorodsky S.G., Smyshlyaev s.P. On the use of Isaksen-Luther method oi computing photodissociation rates in photochemical models. J.Geophys.Res., Vol.97, No.D7, p.7593-7601, 1992.

22.Smy6hlyaev S.P. Modeling oi ozone distribution observed in Arctic during EASOE Campaign. Annales Geophysicae part III, Supplement II to V.11, 1993.

23.Smyshlyaev S.P. Impact of S02 and water from aircraft exluu t on ozone in lower stratosphere. Annales Geophysicae part III, Supplement II to V.11, 1993.

Подписано в печать 17.05.93. Формат 60x90 1/16. Печать офсетная 1,2 п.л. . Тир. 100 Зак. 2S'a

М.П. "Офсет"