Динамика и фотохимия озоносферы и средней атмосферы экваториальной и тропической области Земли

Перов, Станислав Петрович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Динамика и фотохимия озоносферы и средней атмосферы экваториальной и тропической области Земли
ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Динамика и фотохимия озоносферы и средней атмосферы экваториальной и тропической области Земли"

на правах рукописи

Перов Станислав Петрович

ДИНАМИКА И ФОТОХИМИЯ ОЗОНОСФЕРЫ И СРЕДНЕЙ АТМОСФЕРЫ ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ И ТРОПИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ ЗЕМЛИ

Специальность 25.00.29 - Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

1 6 КАЙ 2013

Москва 2013 г.

005058511

на правах рукописи

Перов Станислав Петрович

ДИНАМИКА И ФОТОХИМИЯ ОЗОНОСФЕРЫ И СРЕДНЕЙ АТМОСФЕРЫ ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ И ТРОПИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ ЗЕМЛИ

Специальность 25.00.29 - Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 2013 г.

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении «Центральная аэрологическая обсерватория»

Официальные оппоненты: Еланский Николай Филиппович

член-корреспондент РАН, доктор физико-математических наук, профессор Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт физики атмосферы имени А.М.Обухова Российской Академии наук», заведующий отделом состава атмосферы

Иванов-Холодный Гор Семенович

доктор физико-математических наук, профессор Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Институт земного магнетизма и распространения радиоволн имени Н.В.Пушкова Российской Академии наук», главный научный сотрудник

Костко Олег Константинович

доктор физико-математических наук, профессор Федеральное государственное бюджетное учреждение «Институт прикладной геофизики имени академика Е.К.Федорова», главный научный сотрудник

Ведущая организация; Институт экспериментальной метеорологии

Федерального государственное бюджетного учреждения «Научно-производственное объединение «Тайфун», г. Обнинск

Защита состоится 13 июня_2013 г. в _16_часов на заседании

диссертационного совета по геофизике Д 501.001.63 при МГУ имени М.ВЛомоносова по адресу:

119?' 2, г. Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, ЮФА

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке МГУ имени М.В .Ломоносова (Ломоносовский просп., д.27).

Автореферат разослан « »_2013 года

Учёный секретарь

Диссертационного Совета Д 501.001.63

Смирнов В.Б.

«...В качестве исследователя атмосферы предлагаю реактивный прибор...»

К.Э.Циолковский, 1903 г Общая характеристика работы

1. Актуальность работы. Тропическая (в т.ч. экваториальная) атмосфера определяет важные свойства средней атмосферы и озоносферы (10 -120 км) Земли, являясь резервуаром тепловой энергии и генератором широкого спектра колебаний, воздействующих на динамику тропической и остальной атмосферы, что важно для кратко- и долгосрочного прогноза погоды и климата всей планеты. Основные вопросы для изучения этих проблем связаны с пониманием динамики ключевой составляющей атмосферы — водяного пара, процессы переноса и фазовые переходы которого определяют в значительной мере процессы теплообмена и формирования климата в разных регионах. Рассмотрение возникающего при этом широкого комплекса проблем было инициировано в 1980-х годах выполнением международной Программы исследования средней атмосферы (Middle Atmosphere Program - MAP) и продолжено исследованиями по межнациональным программам. Начало данной работы было связано с выполнением советстко-индийской программы изучения экваториальной (тропической) области атмосферы для разрешения ряда проблем, необходимость постановки которых была выявлена в программе MAP.

2. Цель работы состояла в установлении особенностей динамики средней атмосферы и озоносферы Земли и происходящих в них фотохимических превращений присутствующих в атмосфере озона и озоноактивных компонентов на основе специально спланированных комплексных исследований, включая наземные (корабельные) ракетные, баллонные и орбитальные эксперименты, результаты которых, в частности, по установлению закономерностей в спектре короткопериодных колебаний озоносферы, по особенностям динамики

гравитационных волн, приливов и др. необходимы для адекватного моделирования процессов в экваториальной атмосфере, для определения температурных климатических трендов и усовершенствования методов прогноза в т.ч. муссонов, тайфунов и других опасных явлений.

1. Направление исследований, а). Разработка и создание новых ракетных контактных методов измерений термодинамических параметров озоносферы и средней атмосферы до 100 км.; их использование в рамках спланированных комплексных (в т.ч. международных) экспериментов, включая наблюдения другими методами (орбитальные, наземные, баллонные и т.д.). б) Создание различного класса (в т.ч. глобальных) моделей средней атмосферы и озоносферы в тропических (и внетропических) широтах; установление связи пространственно-временных вариаций параметров атмосферы с

фотохимическими и динамическими процессами и с гелиогеофизической активностью и в) разработка рекомендаций для их прогноза.

Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов

Использованы современные методы наблюдений: орбитальные (CRISTA-1,-2), наземные (с/ф Брюера), ракетные и современные методы математической обработки. Достоверность результатов обеспечивается результатами сравнения с данными других исследований и подтверждается собственными данными, получаемыми другими методами, а также строгостью используемых к гматических методов. На защиту выносятся:

- новые ракетные методы, научная аппаратура и метрологическая база для измерения параметров озоносферы и химического состава средней атмосферы;

результаты комплексных ракетных, дистанционных наблюдений и экспериментов, проведенных в экваториальной, тропической и внетропической областях озоносферы и средней атмосферы, экспериментально установленные пространственно-временные характеристики короткопериодных (часы, дни) вариаций температуры, ветра, концентрации озона, атомарного кислорода;

результаты ракетных экспериментов в экваториальной области Индийского океана по измерению суточных и полусуточных колебаний амплитуд и фаз температуры и компонент ветра на высотах 20-60 км;

- долго- и короткопериодные колебания муссонных осадков в Индии и их связь с зональными приливными характеристиками через вариации скорости вращения Земли;

установленные связи изменчивости параметров Мирового океана с изменчивостью глобальной озоносферы;

эмпирическая модель температуры стратомезосферы, как составная часть модели термодинамических параметров и ветра, легших в основу международных моделей;

теоретическая глобальная зональная модель высотно-временного распределения водяного пара для мезосферы (50-80 км);

теоретическая глобальная зональная модель высотно-временных распределений сумм атомарного хлора и окислов азота (фотохимические расчеты глобальных полей);

эмпирические и полуэмпирические модели вертикальных распределений озона для с. Тумба, станции Балхаш, станции Молодежная и станции о.Хейса;

феноменологическая модель взаимодействия астро- и геодинамических осцилляторов с образованием гравитационных резонансных приливов. Научная новизна. Впервые разработаны и внедрены в практику новые ракетные методы измерений термодинамических параметров атмосферы с высоким временным и пространственным разрешением, что позволило 1) впервые построить модельные вертикальные распределения этих параметров и впервые определить величины: 2) приливных амплитуд и фаз температуры и ветра (20-60 км) на экваторе; 3) амплитуды, дисперсии и периоды внутрисуточных колебаний общего содержания озона над с. Тумба; 4) тренды температуры в средней атмосфере до высот 55 км.

Практическая полезность работы. Разработанные методы были внедрены на сети наземных и судовых станций, а данные ракетного зондирования были

внедрены в оперативную синоптическую практику (Гидрометцентр СССР, в службу стратосферных зимних потеплений ВМО), и передавались в международный обмен и организациям как внутри страны, так и за рубежом. По результатам ракетных пусков создана первая глобальная незональная модель термодинамических параметров (температура, давление, плотность, ветер) средней атмосферы от 20 до 80 км; и ее версии (они также легли в основу Международных справочных атмосфер).

Реализация результатов. Кроме перечисленных выше результатов по моделям, отметим, что хемилюминесцентный анализатор озона внедрен в современное научное приборостроение фирмой "ОПТЭК" (г. Санкт-Петербург), сертифицирован в США (Environment Protection Agency) и экспортируется в десятки стран мира. В практике научного эксперимента (ИФА, МГУ) используется миниатюрный полупроводниковый сенсор озона, разработанный по инициативе и с участием автора в НИФХИ имени Л.Я.Карпова. Апробация работы Результаты, докладывались на: - сессиях КОСПАР, симпозиумах по атмосферному озону (Дрезден, 1976; Боулдер 1980; Халкидики1984; Геттинген1988; Charlottesville, 1992); конференциях "Структуры и потоки в жидкости" (2001- 2009 гг.); Симпозиумах "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы" (2003, 2007, 2012, 2013) гг.; Ассамблеях Европейского Геофизического союза (1994, 2003, 2013 гг.); Международной конференции по космическим лучам, Пуни, Индия, 2005г.; Баксанской М' цежной Школе экспериментальной и теоретической физики (Баксан, 2007), Международной конференции «Thunderstorms and Elementary Particle Acceleration» (TEPA-2012), Москва, 2012 г.; 12-й Международной Гамовской летней астрономической конференции-школе, Украина, Одесса, 2012 г; Международном Симпозиуме по неравновесным процессам, плазме, горению и атмосферным явлениям (NEPCAP, 2012. Сочи); международной Конференции Геофизического Союза Японии, Токио, май 2013 г. (всего более 50 международных и национальных форумов).

Личный вклад автора. Результаты, представленные в диссертации, получены лично автором или с сотрудниками (в т.ч. участниками экспедиций). Лично автору принадлежит теоретическое обоснование основных теоретических концепций и положений диссертации, обоснование рассмотренных в работе ракетных методов, методологии и конструкции основных ключевых экспериментальных стендов и установок (в т.ч. аэродинамической сверхзвуковой трубы разреженного газа с химически активной компонентой); обработка и интерпретация экспериментальных данных выполнены лично автором или при участии автора;

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, двух приложений и списка литературы. Объем работы 315 страниц.

Краткое содержание работы Во Введении обоснована актуальность изучения глобальных экологических проблем озонового слоя и климатических изменений и подчеркнуты основные достижения отечественной школы в этой области науки.

Будущие изменения озонового слоя будут определяться прежде всего эволюцией климатической системы планеты Земля, прогноз для которой в настоящее время дискуссионен и, как показано в данной работе, неадекватно

отражает которые реальные процессы в атмосфере и геосферах. Автор считает своей научной удачей то, что благодаря счастливому стечению обстоятельств и активной поддержке научных руководителей, эффективному международному сотрудничеству удалось успешно провести сложные лабораторные и натурные эксперименты (в т.ч. в экстремальных климатических условиях тропиков) и получить уникальные научные данные о механизмах изменчивости параметров озоносферы, что и позволило решить поставленные задачи. 50 лет назад А.Х.Хргианом, основателем и главой школы исследований атмосферного озона в нашей стране, была поставлена задача создания экспериментальных аэрологических (баллонных и ракетных) методов для наблюдения и изучения вертикальных распределений озона. Дистанционный оптический метод для ракет М-100 и МР-12 был разработан Г.И.Кузнецовым и А.Ф.Чижовым в ЦАО и МГУ к концу 1970-х началу 1980-х годов (в ИПГ для МР-12 работами руководил А.Е.Микиров). К этому времени в СССР была решена и вторая важная часть задачи - разработан ракетный контактный хемилюминесцентный анализатор озона (ХЛАО) и создана современная серийная ракетная аппаратура для регулярных зондирований озоносферы (от Земли до 80 км) на СРЗА и НИС с использованием сетевой метеорологической ракеты М-100 (М-100Б).

Технические и методические решения этой разработки легли в основу у вдов и аппаратуры для исследования в средней атмосфере озоноактивных составляющих: атомарного кислорода, отношения смеси озона (газофазным хемилюминесцентным анализатором атомарного кислорода и озона (ГИАКО)), окиси азота газофазным хемилюминесцентным и фотоионизационным методами, характеристик аэрозольных частиц, концентрации водяного пара.

При этом в ЦАО была создана современная лабораторная база для экспериментальных работ, включая аэродинамические исследования в сверхзвуковых потоках разреженного воздуха, в том числе с химически активными составляющими: озоном, атомарным кислородом, окисью азота.

В первой главе «Ракетные методы измерения параметров атмосферы, приборы и их метрологическое обеспечение, основные геофизические результаты» представлены основные результаты лабораторных, натурных и расчетно-теоретических исследований и разработки комплексов ракетной аппаратуры, основанных на контактных физических и химических методах.

В результате проведенных серий ракетных пусков тепловым каталитическим датчиком (более 100 удачных экспериментов) на о.Хейс, о.Кергелен, с. Молодежная (Антарктида), в средних широтах СССР, в различных регионах Индийского океан получены характеристики пространственно-временных вариаций концентрации атомарного кислорода в мезосфере и нижней термосфере при различных условиях гелио- и геофизической активности.

Гетерофазный хемилюминесцентный метод измерения озона у нас в стране был разработан впервые. Была сконструирована озонометрическая установка для создания образцовых озоно-воздушных смесей, в основу которой был положен классический спектрофотометрический метод измерения озона в кювете, причем в качестве источника излучения был использован высокостабильный газовый разряд в парах ртути (резонансная линия 253,65 нм), а в качестве анализатора поглощения ФЭУ и фотоэлектронная схема, регистрирующая разность сигналов опорного и измерительного каналов. Пороговая чувствительность УФ анализатора по оптической плотности составляла величину Б = 0,0004, среднеквадратическая погрешность - не более 5% в диапазоне 0,5 - ЗООЛО(-б) г/г. Была разработана технология изготовления озоночувствительных элементов на основе высокопористых стекол, покрытых смесью синтетического красителя родамина-С с галловой кислотой при оптимальном соотношении компонентов. Исследования этих элементов показали их высокую чувствительность и стабильность.

Задача создания алгоритма метода обработки данных измерений состояла из трех частей: 1) решение внешней аэродинамической задачи, устанавливающей

связь параметра в невозмущенной атмосфере р,:ж с параметрами р на входе в реактор прибора, основано на использовании фундаментальных газодинамических соотношений типа А(М00) =J{p/p00) для трубки Пито (полного давления) в сверхзвуковом (число Маха М00 >1) и дозвуковом (М00 < 1) потоках совершенного сжимаемого газа и условии постоянства относительной концентрации примеси r3 = N3 IN (при переходе через скачок уплотнения и зоны сжатого и пограничного слоев перед входным отверстием; 2) при решении внутренней задачи устанавливалась связь между параметрами потока вблизи чувствительного элемента (ЧЭ) - р (давление), r3, F (расход) и сигналом хемилюминесценции I под воздействием озона на ЧЭ, регистрируемый ФЭУ. Для этого была создана лабораторная база и разработаны методы моделирования, направленные на уточнение величин степенных показателей т, п и функции / (близких к 1) в соотношении I = K.r(m). (n).f(F), где К -константа градуировки, характеризующая чувствительность элемента к озону; 3) эта задача связана со второй и позволила определять с минимальной погрешностью константу К. Решение задачи обеспечивалось созданием вышеупомянутой озонометрической установки, обладающей высокими метрологическими свойствами, полевых градуировочных устройств и контролем работы в полете бортовой аппаратуры. Величина К также контролировалась при использовании данных об общем содержании озона (ОСО) во г юмя и в месте проведения эксперимента. Величина N3 вычислялась по Уле:

Ы3 — концентрация озона на высоте г, Ь число Лошмидта, X общее содержание озона, Т - температура атмосферы, и - величина выходного сигнала фотометра (скорректированная на температурную зависимость темнового тока и

LXU(z)

(1-1.)

Рис.] Головные части метеорологической ракеты М-100Б с аппаратурой гетерофазного (ХЛАО) (вверху справа) и газофазного (ГИАКО) анализатора О и Оз (вверху слева). Реакционная камера анализатора ГИАКО блоком фотоприемника (внизу)

чувствительность ФЭУ), А — аэродинамическая поправка; А(М)= Р"(М,г)/Р(г), где М - число Маха,. Р, Р' -соответственно давление в свободной атмосфере и

давление торможения, 2 ^ - высота, до которой проводятся измерения. Предполагается, что и (г) = К. г3(г).Р(г), где К - константа калибровки, г3 -отношение смеси озон/воздух.

На рис.1, вверху справа для сравнения показаны головная часть ракеты М-100Б с аппаратурой хемилюминесцентного гетерофазного анализатора озона (ХЛАО) (вариант 1978 г - справа и вариант 1982 г слева). Показаны защитные створки, сбрасываемые по программе при взрыве пиропатрона и вскрывающие при этом для прохождения потока воздуха входные и выходные патрубки анализаторов.

Газофазный хемилюминесцентный метод (ГИАКО). Взаимодействие химически активной газовой примеси (атом, радикал, возбужденная частица) со стенками лабораторной установки или полетного прибора и с учетом химических реакций в объеме было исследовано теоретическим путем для случая цилиндрической трубы: сделаны оценки роли различных процессов, найдены значения минимальных эффективных скоростей потоков, начиная с которых можно не учитывать гибель примеси. Проведены оценки высот в реальной атмосфере, на которых возможны измерения на метеорологических ракетах таких составляющих, как О(Ю), О(ЗР), Д С1. Показано, например, что при движении забортного воздуха через соединительный канал длиной 10 см со скоростью 103 см/с, нижний предел высот, при котором еще возможны и? зрения атомов кислорода в дневных условиях составляет 20-25 км. »„- Струкция полетной реакционной камеры этого анализатора (защищена авторским свидетельством) состоит из небольшого резервуара с окисью азота, реакционного объема, входного и выходных патрубков со светоловушками и фотоприемника, регистрирующего сигнал хемилюминесценции (рис.1, внизу). Резервуар соединен с реактором калиброванным капилляром. Герметически закрытая камера перед пуском ракеты целиком заполняется окисью азота до определенного давления. Схема ракетного эксперимента аналогична предыдущему. После сброса защиты и вскрытия патрубков аэродинамический напор воздуха продувает камеру, окись азота выходит из камеры, и туда

начинает поступать известный поток окиси азота из резервуара через капилляр. Измерения атомарного кислорода происходят как на подъеме, так и на спуске в интервале высот 70-100 км. Методика обработки данных учитывает результаты лабораторной калибровки, внешние и внутренние аэродинамические факторы.

Описанный прибор используется также для определения относительной концентрации озона. При хемилюминесцентной реакции N0 + О —> N0

(2В1) -----> N0 + к\> спектральное распределение энергии излучения имеет

границы 600 - 2800 нм, а максимум при 1200 нм. Был выбран виброустойчивый, рассчитанный на большие перегрузки ФЭУ-119. Для достижения максимально возможной чувствительности нужные экземпляры ФЭУ специально отбирались из заводских партий. ФЭУ 119, имеющий красную границу чувствительности фотокатода 750 нм, надежно регистрирует в полете сигнал высотной зависимости этой реакции.

Схема хемилюминесцентного газофазного измерителя атомарного кислорода и озона (ГИАКО), устанавливаемого на головную часть метеорологической ракеты М-100Б приведена на рис.1 (внизу слева): 1 - входной патрубок, 2,5 -светоловушки, 3 — объем газофазного реактора, 4 — объем с окисью азота, 6 — выходные патрубки, 7 - фотоприемник, 8 - переходный конус; справа: реактор анализатора в сборе, в средней части блока виден регулировочный винт для установления требуемого расхода окиси азота через натекатель, соединяющий объем с окисью азота с проточным реактором анализатора. Общий вид конструкции головной части с ГИАКО показан на рис.1, вверху слева, а монтаж анализатора с фотоприемником — справа.

В лабораторных установках были использованы аттестованные Госстандартом вторичные эталоны давления (вакуумметры Мак-Леода) и механические высокоточные манометры. Во Франции (в Национальной метеослужбе, обсерватория Мани-ле-Амо близ Парижа) были проведены международные сравнения образцовых термометров с государственной аттестацией СССР и манометров Мак-Леода, изготовленных в ЦАО. Сравнения

показали удовлетворительное согласие - по температуре менее 0,01 градуса, по давлению —несколько процентов.

В 1986 г США от имени Национального управления по аэронавтике и исследованию космоса (NASA) обратилась к нашему руководству с просьбой проведения ракетных исследований озона на с. Молодежная весной (сентябрь-ноябрь) 1987 г в период планировавшейся США комплексной экспедиции в Антарктиду для исследования только что открытой озоновой аномалии (т.н. «дыры»). Разобраться в научной стороне проблемы и подготовить предложения было поручено автору. В результате выполнения подготовленных и обоснованных соискателем предложений в июне — ноябре 1987 г. на с. Молодежная (Антарктида) были осуществлены серии пусков ракет М-100Б с хемилюминесцентными и оптическими озонометрами на борту. В результате была получена ценная научная информация об эволюции ВРО, подтвердившая результаты наблюдений озона в антарктических экспедициях США и других стран, где были использованы другие наземные и баллонные методы (рис. 2). На рис.2, видно, что основное уменьшение озона в 1987 г. произошло в начале октября 1987 г.. Третий снизу график представляет временной ход X и согласуется с концентрацией озона на высотах 15-20 км На высотах 40-60 км впервые отмечено возрастание озона, связанное с фотохимией и динамикой верхней стратосферы и мезосферы над полярными широтами Южного пол^ нария: возрастание вертикальных потоков с уменьшенным содержанием р юге пара и радикалов ОН, Н02. При установлении нового состояния фотохимического равновесия озон уменьшается. Пуски ракет с аппаратурой XJIAO были продолжены и в следующие годы, что позволило получить характеристики межгодовой изменчивости ВРО в период весенней антарктической озоновой аномалии. Примеры ВРО в 1987 и 1988 гг даны на рис.2, справа; здесь сплошными (толстой и тонкой) линиями показаны зимние «исходные» профили ВРО, соответственно для 26.06.1987 и 29.06.1988 гг. Во время аномалии в середине октября ВРО представлены частым и редким

пунктиром. Отличия в ВРО двух лет отражают изменчивость характера циркуляции в регионе.

».-1___I_,___[__I_ I ' I

31 10 20 30 10 20 31 10 20

5ер1етЬег Ос^Ьег НоиетЬег

Рис.2. Слева: концентрации озона (отклонения от среднего) на разных высотах над с. Молодежная (Антарктида) по данным ракетных ХЛАО (черные) и оптических (белые круги) приборов. Справа: примеры ВРО (ХЛАО) в 1987г. и в 1988 г.

Основные результаты

1. Дано обоснование ракетных контактных методов как необходимого звена в мониторинге и исследовании озоносферы и средней атмосферы за счет: более высокой точности, разрешающей способности по высоте, независимости

измерений от времени суток. Эти методы применялись при проведении комплексных целевых экспериментов как международных ("Winter in North Europe", DYANA (DYnamics Adapted Network for the Atmosphere), India/USSR Ozone Campaigns, International Space Campaigns SPAS-CRISTA/MAHRSI-1, -2 (November 1994, August 1997), так и национальных (рейсы судов в Мировом океане, на сети станций ракетного зондирования по программе "Солнце атмосфера и др.).

2. Для обоснования метода был проведен большой цикл теоретических, экспериментальных, методических и метрологических исследований, создана фундаментальная лабораторная база для моделирования работы приборов на больших высотах со сверхзвуковыми скоростями и при взаимодействии с атмосферными химически активными малыми газовыми составляющими.

3. Создана и внедрена в производство ракетная аппаратура и разработана методика ракетного эксперимента.

4. Установлена единая шкала измерений при проведении международных сравнений на о. Уоллопс (США) и в Куру (Франция); установление единой шкалы измерений позволило рассмотреть всю накопленную информацию о термодинамических параметрах и ветре с единых позиций общей циркуляции средней атмосферы и создать по данным пусков ракет М-ЮОБ первую глобальную незональную модель средней атмосферы (20-80 км); установлена г ная международная шкала измерений концентраций озона при проведении международных сравнений Индия-СССР на с. Тумба, т.к. Индия участвовала перед этим в международных сравнениях ракетных озонометров на о.Уоллопс (США); установление единой шкалы измерений озона позволило создать первую экваториальную региональную модель вертикального распределения озона и теоретические и экспериментальные (эмпирические) модели метеопараметров и ВРО.

Опыт разработки методов и приборов для измерения параметров озоносферы и средней атмосферы и положительные результаты их испытаний в реальных условиях полета говорит, что «реактивный прибор как исследователь

атмосферы» (К.Э.Циолковский) продолжает оставаться единственным средством для получения оперативной информации о профилях атмосферных параметров в нужное время в нужном месте. Для этого надо воспользоваться готовым техническим решением - запуск гирлянды малогабаритных ракетозондов с высоколетящего самолета по типу ракет воздух-воздух.

В главе 2 «Модели средней атмосферы и озоносферы и фотохимические модели водяного пара и других малых составляющих дан краткий обзор современных подходов к проблеме моделирования средней атмосферы и озоносферы, современных моделей различного класса (теоретических, эмпирических, полуэмпирических, двумерных и трехмерных моделей общей циркуляции с включением фотохимического блока и др) и дана характеристика и основные результаты по трем оригинальным моделям, в создании которых принимал участие автор.

Большой объем работ в ЦАО был выполнен по исследованию структуры и динамики средней атмосферы. Типизация температурных профилей и вертикальной структуры давления и плотности завершилась созданием первой версии стандартной атмосферы СССР (ГОСТ 4401-64). В дальнейшем эти работы были продолжены и полученные результаты легли в основу последующих версий стандартных атмосфер СССР: ГОСТ 4401-73, ГОСТ 22721-77, ГОСТ 4401-81 и ГОСТ 24631-81. На основании этих материалов, а также на базе данных отечественного и зарубежного ракетного зондирования был разработан ряд Международных справочных атмосфер ((КОСПАР), Международной организации гражданской авиации и Международной организации стандартизации.

В настоящее время ЦАО располагает глобальной эмпирической моделью средней атмосферы. В 1980-1990 гг был выполнен ряд работ по определению долговременного тренда температуры по данным отдельных станций ракетного зондирования за период с 1964 по 1992 гг. и по определению временного

тренда температуры, давления и плотности. -О важности исследования трендов температуры и озона было указано А.Х. Хргианом и автором в 1980 г.

Совместно с ИФА РАН имени А.М.Обухова обоснованы и сформулированы требования для построения глобальной незональной эмпирико-статистической модели, учитывающей долго- и короткопериодную солнечную активность, приливные колебания (включая суточный ход), основные гармоники (годовую, полугодовую кваэидвухлетний цикл), а также основные центры действия атмосферы и их осцилляторы (Южное колебание, Североатлантическое колебание и др.). Цель: диагноз и прогноз изменения состояния и уточнения существующих стандартов на атмосферу.

В диссертации дано обоснование концепции фотоактивного слоя озоносферы, включающий верхнюю стратосферу (выше 30-35 км) и мезосферу (до 80 км), где характерное время динамических процессов существенно больше времени установления фотохимического равновесия озона. Показано, что применительно к объекту исследования — тропической атмосфере - этот подход оказывается особенно плодотворным из-за постоянных в течение года фотохимически эффективных зенитных углов Z прямой солнечной радиации (0,7 <cosZ< 1,0).

На базе рассмотренной модели ЦАО и модели озоносферы, созданной в США по данным спутниковых наблюдений озона (25-90 км) был разработан теог ггический метод, использующий известные фотохимические реакции с ^ :ием водяного пара и создана глобальная зональная модель водяного пара для мезосферы. Теоретической основой предложенного метода построения такой модели явилась разработанная автором концепция фотоактивного слоя озоносферы, где характерное время динамических процессов существенно больше времени установления фотохимического равновесия озона. В работе была предложена формула, обобщающая известные параметризации С.Чепмена и М.Николе для "быстрой" фотохимии в условиях фотохимического равновесия в фотоактивном слое озоносферы, включающий верхнюю стратосферу (выше 30-35 км) и мезосферу (до 80 км). В основе фотохимической теории озоносферы лежат

фундаментальные реакции образования и рекомбинации нечетного кислорода Ох = (О + 03), впервые рассмотренные С.Чепменом и названные кислородным циклом. Основную формулу кислородного'цикла, связывающую равновесную концентрацию озона [N3] со скоростями фотолиза кислорода 12 и озона 13, концентрациями кислорода [OJ) и воздуха М с использованием скоростей реакций к2 и к3, существенно зависящих от температуры, можно обобщить для случая всех циклов, сохранив чепменовскую форму.

Температурная зависимость основной константы химического равновесия в фотоактивном слое к = к2/к3 = \0(-2Ъ).ехр(2660/Т), что дает изменение на 2% концентрации озона на 1 градус изменения Т, подтверждаемое наблюдениями со спутников вблизи стратопаузы (-50 км), где А<1. Если А»1 (когда преобладают азотный (или хлор-азотный) (ниже 50 км) или водородный (выше 50 км), то оценки дают соответственно меньшие значения для обоих случаев.

Данные о концентрации озона в фотоакгивном слое вместе с данными о температуре и плотности воздуха позволили решить обратную задачу, т.е. определить концентрацию окислов водорода и концентрацию водяного пара в мезосфере (50-80 км), окислов азота и атомарного хлора в верхней стратосфере (35-50 км) и установить прямое влияние активности Солнца на состав и, следовательно, на температуру слоя 45-55 км, (где влияние суточных вариаций определяющих равновесие озона факторов минимально).

На базе моделей термодинамических параметров (ЦАО), модели озоносферы США (спутники 1978-1982 гг), данных ракетных пусков в обоих полушариях с использованием соотношений для фотохимически активного слоя озоносферы (40-80 км) решен ряд обратных задач, в результате чего: - впервые определены сезонные вариации Н20 и NO в районе стратопаузы; - впервые создана теоретическая зональная глобальная модель Н20 для мезосферы; - впервые определены химически активные комплексы (суммы) хлорных и азотных компонент (CI + NO) в экваториальной и тропической зоне в верхней и средней стратосфере.

Выводы из анализа зональной глобальной модели Н20 для мезосферы:

Анализ изменчивости Н2О в глобальной мезосфере по созданной модели впервые показал: * в экваториальной зоне (+\- 10 с\ю.ш.) выявлены вариации Н20, связанные генетически с вариациями сверхдлинных внутренних волн (полугодовые, годовые, КДЦ и др); * удвоенная амплитуда широтно-сезонных вариаций Н20 увеличивается с высотой и может достигать фактора 3 на высоте 70 км; выше 70 км этот фактор возрастает до 5; * сезонно-широтный ход в верхней мезосфере (70-80 км) в северном и южном полушариях практически симметричен относительно основных сезонов. В средних и субполярных широтах зимой количество Н20 в 3-6 раз меньше, чем летом (на 60° ш ~6, на 30° ш. ~3); в экваториальных широтах (10° с.ш.-10° ю.ш.) четко прослеживается полугодовая и годовая гармоники; *максимальные концентрации Н20 в слое 70—80 км наблюдаются в южном полушарии в январе, летом в верхней мезосфере значения максимальных концентраций Н20 в два раза больше в южном полушарии, чем в северном; * в средней мезосфере (60-70 км) в субполнрных и средних

широтах сезонный ход Н20 сохраняется, хотя изменчивость Н20 от лета к зиме несколько уменьшается по сравнению с верхней мезосферой; * в нижней мезосфере сохраняется сезонный ход в высоких и средних широтах: фактор изменчивости от лета й зиме составляет 22,5; максимальные значения Н20 наблюдаются летом на 60° ш. в обоих полушариях; * периоды с повышенными значениями Н20 в течение года (>4 ррт) в северном полушарии в зоне 0 - 60° бе ше на ~2 месяца, чем в южном полушарии на высотах от 56 до 66 км, на 68 итуация меняется: для 0-20 ю.ш. период с повышенным содержанием Н20 на 3-4 месяца, больше, чем в зоне 0-20 с.ш.; * как показывает сравнение амплитуд и фаз полугодовых колебаний Н20 в тропической зоне (10° с.ш - 00°-10° ю.ш.) с амплитудами и фазами полугодовых колебаний ветра в мезосфере в этой же зоне, западные составляющие полугодовых холебаний в верхней верхвей мезосфере связаны с пониженными содержаниями Н20 (январь-февраль и май-август), а восточные составляющие полугодовых колебаний, соответственно с повышенными концентрациями Н20; максимальные вариации Н20 наблюдаются в средней мезосфере - удвоенная амплитуда вариаций составляет около 50-70%;

высотные распределения фаз несколько отличаются для 0°, 10° ю.ш. и 10° с.ш. (в пределах 1 — 1,5 месяца), но имеет тенденцию к сдвигу на более поздние месяцы с понижением высоты: от марта-апреля и сентября на 78 км к маю-июню и ноябрю-декабрю на 50 км; по наблюдениям ветра над о. Вознесения (8° ю.ш.) в средней мезосфере ветер опережает приблизительно на 0,5-1 месяц фазу полугодовых колебаний Н20 (в то время как в верхней мезосфере эта разница достигает 3 месяца); * на основе анализа результатов ракетных экспериментов и космических экспериментов CRISTA дано физическое объяснение необычайно редкому явлению в климатологии серебристых (мезосферных) облаков в тропической зоне, наблюдавшихся нашими космонавтами с орбитальной станции "Салют" в 1981г.; вероятность появления облаков максимальна при повышенных концентрациях Н20 и пониженных температурах в мезопаузе; учитывая долговременные отрицательные тренды температуры и долговременные положительные тренды Н20 в верхней мезосфере и нижней термосфере, следует ожидать более частое появление таких облаков над тропической и экваториальной зоной.

Применение развитого в работе метода решения обратной задачи для высот 30-45 км, где основными каталитическими циклами являются азотный и хлорный, позволило построить теоретические модели (разрезы) среднезональной концентрации суммы атомарного хлора и окислов азота, рассчитанные для различных сезонов со следующими результатами: - на высотах ниже 35 км область максимальных концентраций суммы атомарного хлора и окислов азота несимметрична относительно экватора, смещена в северное полушарие и наблюдается в весенне-зимний период, что, соответствует большим промышленным выбросам нечетного азота и хлора в северном полушарии; -ниже 36 км на всех широтах, за исключением области широт около экватора, в северном полушарии прослеживается полугодовая гармоника указанной выше суммы компонентов, причем в обоих полушариях максимальная концентрация достигается летом, минимальная - зимой.

В главе 3 «Связь колебаний озонового слоя Земли с параметрами

Мирового океана» изложены впервые опубликованные в мировой литературе (март 1998 г) результаты анализа самого мощного в XX веке явления Эль-Ниньо. Выявлено его влияние на глобальную озоносферу, включая экваториальную и тропическую зону. Удачным обстоятельством было проведение в первой половине августа 1997 г. (максимальная фаза развития Эль-Ниньо 1997-98 гг) уникальных орбитальных наблюдений озоносферы с помощью аппаратуры СШ8ТА/М А Н [-2. Это позволило установить факт беспрецедентного возмущения озонового слоя в стратосфере и нижней мезосфере, приведшего к полному нарушению фотохимического равновесия в фотохимически активном слое и термодинамического равновесия — в динамическом. На рис.3, представлен среднезональный коэффициент взаимной корреляции КК температуры и отношения смеси озон\воздух как функция широты и высоты по результатам анализа

данных космического эксперимента CRISTA-1 (ноябрь 1994 г. — слева) и CRISTA-2 (август 1997 г., период развития мощного Эль-Ниньо - справа). Как известно в нормальных условиях в средней и верхней стратосфере КК достигает -80-100%, однако на рис.3, (справа) корреляция практически отсутствует во всем слое 20-50 км; лишь в отдельных широтно-высотных зонах КК лежит в пределах

Широта

Рис. 3.

-25...-50% (выше 40 км) и 25...50 (ниже 35 км). Это указывает на преобладающую роль динамики в области фотохимического равновесия озона (с характерными временами от часа (50 км) до суток (30 км)). Ниже 30 км в динамической области озоносферы, где обычно наблюдается обратная (положительная) корреляция озона и температуры, также отмечены КК существенно ниже обычных и другого знака.

Таким образом впервые обнаружено нарушение фотохимического равновесия в фотохимически активном и обычно равновесном слое тропической озоносферы (35-50 км), что свидетельствует о необычайно сильной волновой активности в тропической, субполярной и среднеширотной (Южное полушарие) зонах средней атмосферы в этот период. Для динамической (обычно ниже 30-35 км) области глобальной озоносферы отмечено практически полное отсутствие обычной положительной корреляции между озоном и температурой, что также свидетельствует о необычайно сильной волновой активности и макротурбулентности. Представленные количественные величины такой активности (зональные) характеризуются через глобальные высотные разрезы среднеквадратических отклонений температуры и отношения смеси озона и автокорреляционные функции.

В работе даны численные характеристики особенностей развития Эль-Ниньо 1997-08 г, приведены многочисленные аномалии ОСО в различных районах Земли (особенно в экваториальной зоне над восточной частью Тихого океана и Африкой) различной длительности. Приведено объяснение влияния явления Эль-Ниньо-Южное колебание (ЭНЮК) на ОСО через усиление восходящих потоков, обусловленное разрушением пассатной инверсии из-за повышения температуры поверхности океана и уменьшение ОСО в области существования этих потоков в соответствии с принципом Норманда-Добсона в ходе четырех рассмотренных ЭШОК.

На рис. 4. представлены когерентные структуры в озоносфере, существовавшие по данным СИ8ТА-2 в течение 8 дней в районе австралийского сектора южной части Индийского океана (вверху); минимальные высоты

максимального отношения г3 24...26 км наблюдаются в Южном полушарии, плавно переходя к значениям 38...40 км, характерным для нескольких мелкомасштабных структур в районе 25...55 ю.ш. и 80... 130 в.д. Тропическая область северного полушария характеризуется фоном (максимальное г3 на 32 км), на котором наблюдается мелкомасштабные неоднородности с размерами около сотен км. В Антарктике отмечены геометрические структуры типа треугольников, квадратов, ромбов, пятиугольников (вероятно фигур Платона) размером до нескольких сот км. В центре рис.4, по первичным данным аппаратуры CRISTA-2 дана глобальная карта распределения высот максимального отношения смеси озон\воздух (шкала в км над уровнем океана -справа) на 30 км в млн 1 ; по оси х долгота, шкала для озона: левая градация 4 <, в центре (желтая)

Рис. 4.

6,9, правая >9,9 10 августа 1997 г. Внизу этого рисунка: поле потенциальной завихренности в тот же день на 12 часов Гринвича, шкала для потенциальной завихренности (К т2/ к^ . с) х 105 на 30.0 ёркт для дня 222 (12 августа) при \2Ъ.

Характеристики стоячих волн в динамическом (ниже 30 км) и в фотоактивном слое (до 50 км!) определены по автокорреляционным функциям, два примера которых даны на рис.5.

Результаты и выводы. * - Для Эль-Ниньо 1997-98 гг определены районы наблюдений отрицательных аномалий ОСО: в экваториальной области -в центральной и восточной частях Тихого океана, а также вблизи Гринвичского

(CRISTA-, )

Рис.5. Автокорреляционные функции отношения смеси озона на 45 км для периода миссии CRISTA-1 (ноябрь 1994 г) и для периода миссии CR1STA-2 (август 1997 г.). Хорошо видны в экваториальной области стоячие волны с длиной волны ~ 8° (880 км)

меридиана. * - Впервые зарегистрированы короткопериодные (до нескольких дней) аномалии ОСО с характерным размером от нескольких сот до нескольких тысяч километров и минимальными значениями ОСО 200-225 е.Д. Основной

район их наблюдений соответствовал району основного действия Эль-Ниньо.

Минимумы ОСО пришлись на середину января 1998 г., запаздывая на 2-3

недели в сравнении с максимумом температуры воды в районе Эль-Ниньо. * -

Необычайно сильное воздействие Эль-Ниньо 1997-1998 гг. на озоносферу, по-

видимому, отражает факт глобальных климатических изменений в системе

геосфер (уменьшение ОСО, нагрев Мирового океана, нагревание тропо- и

охлаждение стратосферы). Этот вывод, сделанный более 13 лет назад,

подтверждается последующей эволюцией климатической системы. Глобальная

температура достигла максимума в период рассматриваемого Эль-Ниньо 1997-98

гг и в настоящее время имеет слабый отрицательный или нулевой тренд в

южном, северном и глобально в обоих полушариях. Изменяются спектры

колебаний, характеризующие климатические периоды (см. главу 6). Первым

признаком явилось появление долговременного «вейвлета» в ходе параметра

ЭНЮК, обнаруженного в (Даценко и др. 2003). * - Путем визуализации данных

ТОМС показана главная роль Эль-Ниньо и Ла-Ниньо в возникновении, развитии

и исчезновении озоновых аномалий с временным масштабом несколько месяцев

- год в различных районах Земли. Их можно рассматривать как возникающие и

исчезающие стоячие волны, причем хорошо видно разделение озоносферы на

тропическую и внетропические части. При масштабах порядка дней хорошо

видна динамика движущихся экваториальных и внетропических волн, в т.ч. в

период формирования зимне-весенней антарктической озоновой аномалии в

августе 1997 г. с образованием полярных стратосферных облаков,

наблюдавшихся со спутника аппаратурой СК18ТА-2. В последнем случае

происходило быстрое уменьшение озона, что можно трактовать как проявление

"быстрой" фотохимии (или прямого распада озона на частицах), процесса

альтернативного обычно рассматриваемому для весенней антарктической

аномалии. * - Анализ среднемесячных для августа 1997 г полей температуры и

ОСО в восточной части Тихого океана южнее экватора (-90 з.д.- 160 з.д., 0,5 -

40,5 ю.ш.) показал отсутсвии пространственной корреляции аномалий этих двух

параметров. Так,например,максимальная положительная аномалия температуры

поверхности океана наблюдалась вблизи экватора (90° з.д. - 160° з.д., 0,5 — 40,5 ю.ш.) до 5 градусов, а максимальная отрицательная аномалия ОСО (до 30 е.Д.) в области 90°— 110° з.д. и 20°- 35° ю.ш. В то же время хорошо просматриваются квазистационарные (в т.ч. мезомасштабные - порядка ста км и даже меньше) структуры в обоих полях, связанные особенностями циркуляции в атмосфере и гидросфере в данный период.

В начале главы 4 «Короткорериодные колебания озонового слоя в экваториальной области озоносферы» показана их важность для исследования динамики озоносферы, оценки их вклада в энергетический спектр, исследования влияния термических и гравитационных приливов и их мод и установления и подтверждения резонансных свойств озоносферы и геосфер вообще.

•у*

ЛлЛч

"55----333....."

1 >■■-■

/■-Г'.*-'** ■

-----ч»-588—

:........ ".:..•;

■гГ-^ггг'гг.

Рис. 6. а. б.

Ежесуточные (включая ночные по Луне в периоды полнолуний) наблюдения по прямому Солнцу проводились в течение 12 марта - 23 мая 1990 г в рамках международной программы DYANA, составленной автором для тропиков, и двусторонней программы Индия-СССР по изучению химии и динамики средней атмосферы с помощью ракет и баллонов. Прибор Брюера № 044 впервые использовался в тропической зоне.

Пример типичного дневного хода общего содержания озона X (в е.Д.) 26 апреля 1990 г., (местный полдень соответствует 314-й минуте, воздушная масса щ в этот момент была равна 1,003, при 0 минут ш = 3,939) представлен на рис. 6. а. слева; справа - временной ход дисперсии X (е.Д.); видно, что, за исключением неблагоприятного (облако) периода наблюдений (от 100 до 200 мин.), минимум значений дисперсий на правом графике соответствуют максимумам X на левом (что можно интерпретировать как подавление высокочастотных колебаний (флукгуаций) (с периодами порядка 1 - 5 минут) в той части гравитационной волны с периодом около 60 минут, которая сопровождается увеличением X, и, по-видимому, опусканием воздуха из более богатых озоном верхних слоев (известно, что максимум относительной концентрации озона в тропиках располагается на высотах 30-35 км. Такое же соответствие видно и для периода около 500 мин (8 - часовая приливная гармоника): утренний и вечерний максимумы X коррелируют с минимумами дисперсий, а минимум X в полдень сопровождается увеличением дисперсии.

На рис.6.6. - зависимость спектральной мощности колебаний Л_ X/ F над с. Тумба от частоты наблюдаемых колебаний F, с"1. Данные Г.И.Кузнецова (прямоугольники) относятся к умеренным широтам бывшего СССР. Как хорошо видно из рис. 6.6 существуют три диапазона преобладающих частот (периодов) колебаний X: - 9 х 10"4 - 3 х 10"3 с"1, что соответствует диапазону периодов колебаний X 30-7 мин; - lx 10"4 - 3 х 10"4 с"1 (180 — 60 мин); - Зх 10"5-10"4 с"1 (650- 200 мин). При этом зависимость F5'3 , как видно, удовлетворительно аппроксимирует экспериментальные данные. Это означает, что вариации общего содержания озона имеют динамическую природу. Именно

такая зависимость «-5/3» в спектрах мощности характерна при наблюдении различными радиометодами изменчивости горизонтального и вертикального ветра при анализе наблюдений внутренних гравитационных волн в стратосфере и мезосфере. Благодаря относительно длительному периоду наблюдений (почти 3 полных оборота Солнца) удалось выявить солнечно-резонансные эффекты в озоносфере тропиков (глава 6).

Вероятная причина типичного для наблюдений в период экспедиции полуденного минимума X (как на рис.6 .а., где приведен типичный дневной ход X (слева) и дисперсии, рассчитываемой прибором по 5 автоматическим измерениям X (справа), является динамика вертикальных движений (гравитационные и приливные волны).

Во второй части главы изложено экспериментальное и теоретическое исследование атмосферных приливов в экваториальной области озоносферы, включая историю вопроса. Исходя из целей и задач Программы DYANA (Dynamics Adapted Network for the Atmosphere), январь-май 1990г. исследования динамики средней атмосферы в глобальном масштабе на сети уже существовавших станций и пунктов (а также в рамках советско-индийских совместных кампаний по исследованию экваториальной озоносферы) специально для тропической и экваториальной зоны автором в порядке инициативы была составлена научная программа и проведен специальный рейс НИС «Академик Ширшов» в экваториальную часть Индийского океана. Пуски ракет М-100 в трех суточных сериях дали практически стопроцентный результат и были использованы для модельных расчетов по классической теории приливов с учетом географических координат местоположения судна в каждой серии и времени ее проведения. Пример высотных профилей в одной серии на экваторе (00,00°, 84° Е) в Индийском океане, полученные в результате запусков ракет М-100 с борта НИС «Академик Ширшов» 11/12 марта 1990 г. амплитуд (а, с, е) и фаз (b, d, f) суточных и полусуточных компонент температуры Т, зонального U и меридионального V ветра, приведены соответственно на рис.7, и 8. На рис 7. высотные профили амплитуд (а, с, е) и фаз (b, d, f) суточных компонент

температуры Т, зонального 17 и меридионального V ветра; данные нашей работы отмечены кружками (о) и жирной линией (измерения), а точками (.) и тонкой кривой результаты теоретических расчетов для данного места и времени. По оси х — часы местного времени.

Выводы. 1) Наблюдаемые фазы и амплитуды зимних пусков 31.01. и 21.02. 1990 г (включая их «комбинацию») в экваториальной области Индийского океана этой серии находятся в удовлетворительном согласии с теоретическими величинами в нижней и средней стратосфере. Между 40 и 50 км наблюдаются

Рис.7. Амплитуды и фазы температуры и компонентов ветра для суточных гармоник.

Рис.8. То же, что и на рис.7., но для полусуточных компонент. Обозначения (х) по расчетам американских авторов (Forbes and Gillet) относится к обоим рисункам.

большие отклонения экспериментальных величин от теоретических. 2)

Полусуточные приливные колебания в зимних сериях показывают распространение фазы вниз для U от 44 до 22 км с вертикальной длиной волны около 13 км. За этим следует область постоянной фазы в интервале 45-50 км, выше которого имеет место распространение фазы вниз; постоянство фазы Т показывает распространение фазы вниз выше 50 км с очень короткой вертикальной длиной волны около 5 км. На более низких высотах наблюдается распространение фазы вверх. Амплитуды всех трех параметров весьма существенно больше теоретических. 3). Профили амплитуд температуры суточного прилива от 18 до 80 для экваториальной зоны по данным спутниковых (UARS) показали несколько максимумов и минимумов высоте, согласующихся с нашими результатами, т.е.. по спутниковым и ракетным данным фиксируется слоистая структура высотного хода амплитуды. 4) Профили ветра и температуры (как по ракетным, так и по спутниковым данным) проявляют волновую структуру в стратосфере и мезосфере. Однако в ракетных данных, полученных над океаном вдали от берега, а также в спутниковых данных отсутствуют короткие вертикальные длины волн порядка 5 км и менее, характерные для береговых станций и возникающих вероятно из-за немигрирующих источников суточного прилива в пограничном слое.

В главе 5 «Индийский юго-западный муссон и глобальные изменения» показано, что суммарное количество осадков в муссоне распределено по территории Индии крайне неравномерно, кроме этого суммарное количество осадков по всей Индии год от года может отличаться на десятки процентов (от - 30% до +20% относительно среднего). Главные целевые исследования, следовательно, на ближайшие годы — это прогноз муссона и технология его регулирования. На рис. 9. представлены спектры мощности ряда месячных осадков по всей Индии (включая зимний и летний муссоны) с

Рис.9.

января 1813 г по декабрь 2006 г. (слева); (ftp:wwiv.iropmet.res.rn/pnb/data/rain-*егк-*/8-а11 Jnti.txt). Основной максимум - годовой, 12 месяцев. Далее справа видны по порядку 6, 4, 3, 2,5 и 2 месяца. Периоды 2 месяца (60 дней) и 2,5 месяца (75 дней) согласуются с данными, приведенными в работе индийских ученых для муссонных месяцев (июнь-сентябрь) - широких «квазипериодов» 3060 дней и 30-80 дней (колебания Джулиана-Марсдена (КДМ)). Нами отмечены четкие дискретные периоды 60, 75, 90 и 120 дней. Справа на рис.9, спектр мощности ежемесячных осадков за тот же период в Южной Индии, подверженной осадкам КДМ.

В ряде работе работ ранее детально исследовалась важная взаимосвязь ЭНЮК и индийского муссона, в частности характеристики взаимодействия этих двух явлений по сравнению с известными результатами об их антикоррелированности и наличии интервалов фазовой синхронности. Выявлена двунаправленная связь между ними.

Кратко остановимся на важном результате работы. На рис. 10 представлены результаты Фурье-анализа годовых колец японского кипариса, указывающих на резонансный характер КДК, Эль-Ниньо и др. Правая часть спектра представляет «частокол» пиков, из которых некоторые заслуживают внимания. Первый справа соответствует 2,17 года. Если выполняется параметрический резонанс с удвоением периода квазидвухлетнего колебания в экваториальной стратосфере

относительно периода Чандлера для нашей эпохи (1,18 года), отмеченный Н.С.Сидоренковым, то можно определить периоды Чандлера в прошлые столетия. Таким образом за 800 лет могли существовать периоды качания полюсов Земли Чандлера: 2,17:2=1.085 года (13 месяцев), 2,32:2=1,115 (13,5 месяца), 2,45:2=1,225 (14.7 мес). 2,8:2=1,4 (17 мес); меньшие пики : 2,39:2=1,2 (14,3 мес) и 2,28:2=1,14 (14,3 мес).

На рис. 10. в правой части - четыре резонансные пика КДК: двойной пик с минимумом в центре (4,45 г) 4,4 и 4,3 года, 3,75 г. По оси х - частота Г; Т = Ш, т.е. х - от 20 лет (слева) до 2 лет (справа). Цифры ниже графика -соответствующие периоды в годах. Значения амплитуд пиков и периодов даны в таблице в тексте.

Р р 1;У ¿; I ; >'

20 10 6,7 5 4 3,3 2,9 2,5 2,2 2

Рис 10. Вверху: ряд палеоданных о ширине годичных колец многолетнего японского кипариса из центральной Японии за период с 1119 по 1920 г.(801год). Внизу: высокочастотная часть спектра мощности этого ряда.

Анализ уравнений гармонических параметрических колебаний в специальной литературе показывает, что параметрический резонанс имеет место, когда

Главный резонанс происходит при удвоенной частоте собственных колебаний гармонического маятника а ширина резонанса равна ^'о.

В нашем случае (рис. 10.) п принимает значения п = 1 с = (периоды Чандлера), определяя периоды КДК (знаменатель дроби (год): 1/2,17; 1/2,23; 1/ 2,28; 1/2,39; 1/2,45; 1/2,8; далее везде Эль-Ниньо с п = 3: 1/3,2; далее широкий пик 1/3,7; с п = 4 двойной пик с

минимумом в центре между 1/3,4; и 1/4,46; 1/4,78; 1/4,90; и так далее (п = 6) пик с ординатой 0,16 - 1/6,5; (6,5 = 2,17/2 х 6); (я = 8) максимум с ординатой 0,18 имеет период 9,2 года = 2,28 х 4 = 1,14 х 8; (и = 10) пик с ординатой 0,16 имеет период 10,8 года = 2,17/2 х 10 = 1,085 х 10; (и = 12) пик с ординатой 0,12 имеет период 13,2 года = 2,17/2 x 12= 1,085 x 12; пике ординатой 0,125 имеет период 14,2 года = 2,39/2 х 12 = 1,195 х 12. Пик на рис. 10., соответствующий 17 годам, можно представить двумя способами 1,14 х15 = 17 и 1,115x15 = 17. «Правило» работает до п, больших 100 (1-2%).

Таким образом, можно говорить о дискретном («квантовом») характере системы, порождающей изменчивость движения полюса Чандлера (ЧДП) и соответствующие субгармонические периоды полюсного прилива (2,4; 3,6;.4,8; 6,0 г.). Основы модели нелинейных колебаний с примерами комбинационного резонанса и изменчивостью ЧДП и £N50 (Эль-Ниньо - Южное Колебание) указывались ранее Н.С.Сидоренковым. В нашей работе предложено использовать дендрохронологические данные с шагом год и определить основные периоды КДК и Эль-Ниньо - Южное Колебание в прошлом; это продемонстрировано на примере японского кипариса для XII — XX веков.

Рассмотрим возможную связь ЧДП (период ЧДП = 1/2 периода КДК) с найденными резонансами в низкочастотной части спектра. 3,75 = 1,25x3 (по нашим расчетам 1,225x3=3,67). Разница составляет 2%. В диапазоне частот ^ 0,3 — 0,25 комбинационный множитель для периодов ЕШО - 3, далее 4 (Г< 0,25); далее 5 (Г<1,75); 6,5 года : 1,085 = 6,0; 1,14x7=8,0; 1,085x8=8,7; 1,14x8=9,2;

1,115x9=10; 1,085x10=10,8; 1,195x11=13,2; 1,195x12=14,3 (вместо 14,2, «ошибка» составляет менее 1%); возможно наличие множителей 14 и 15, во всяком случае период 17 лет (рис. 10.) дает с соответствующими периодами ЧДП на рис. 10. с хорошей точностью оба множителя - и 14 и 15. Вероятно в системе геосфер, как и в квантово-механической системе, существуют определенные «правила запрета». Например, 1,115x6=6,7 представляет на рис. 10. минимум между двумя «разрешенными» максимумами 6,5 и 6,9 лет, т.е. осциллятор не воспринимает «комбинацию» 1,115x6; другой пример с множителем 8: между двумя резонансами с периодами 8,7 = 1,085x8 и 9,2 =1,14x8 расположен глубокий минимум с «запрещенной» комбинацией 1,115 х 8 = 8,95 и т.д.

Таким образом, мы имеем резонансную систему с широким набором гармоник и субгармоник — взаимодействующих осцилляторов - и со спектром, меняющемся с течением времени в результате эволюции системы геосфер, Определяющими эволюцию системы Земля являются астрономические осцилляторы. Гравитационные приливы, определяемым движением Луны, а также Солнцем, влияют на скорость вращения Земли. Скорости вращения Земли и долговременные характеристики муссона, как показано нами, хорошо коррелирует с температурой планеты и формами атмосферной циркуляции в естественном синоптическом регионе — е.с.р. - от Гренландии до Енисея и к северу от 30° с.ш., а также индексом АМО (Atlantic Multidecadal Oscillation). При этом естественный синоптический период (е.с.п.) в этом регионе в среднем меняется 4 раза в течение лунного месяца (27 дней), а смена синоптической ситуации синхронизована в пределах 1-2 дней с 4 экстремумами за 27 дней этого индекса — моментами перехода от ускорения к замедлению вращения Земли и наоборот. Индийский регион, т.о., является аналогом региона от Гренландии до Енисея (е.с.р.), а интервал времени по аналогии можно назвать естественным синоптическим периодом (е.с.л.) индийского е.с.р.

Кроме периода 7 дней существует период 3,5 дня, проявляющийся например в осадках в Вашингтоне, Нью-Йорке и Сиднее и в медико-биологических показателях Об этом периоде свидетельствует также вторичный, меньший

максимум, существующий в спектре углового момента атмосферы Он был надежно установлен по данным реанализа данных за более чем 50 лет. «Физические механизмы солнечной активности и другие слабые воздействия на атмосферу» рассмотрены в главе 6. В частности обсуждается связь солнечной активности с КДК, ГКЛ, вулканизмом, облачностью, прозрачностью атмосферы, колебаниями озонового слоя, электрическими характеристиками атмосферы.

Показано, что скорость вращения Земли (СВЗ) является интегральным универсальным индексом погоды и климата. Например, в 1999 г из возникших 199 депрессий в западной части Тихого океана 72% образовалась в интервале двух дней от экстремумов СВЗ (ЭСВЗ), а возникшие из них 23 тропических циклонов 78% образовалось также в интервале двух дней от ЭСВЗ. Для Индийского океана из 114 депрессий 76 (67%) укладывается в этот срок.

Главную определяющую роль для Земли, как открытой термодинамической системы, играют внешние по отношению к ней системы гравитационно взаимодействующих «осцилляторов» (Солнце, планеты, их спутники) с характерными резонансами и гравитационные (и термические) приливные силы. Взаимодействие приливов и их мод с фазовыми переходами водяного пара образуют в атмосфере трехмерные когерентно-резонансные структуры, хорошо видные по орбитальным наблюдениям.

Таким образом, предложенная в работе феноменологическая модель астрономических и геодинамических осцилляторов открывает новые пути прогноза природных процессов и разработки технологий их коррекций в нужном направлении.

В Заключении даны основные результаты, выводы и перспективы

дальнейших исследований:

1. По аппаратуре и методике эксперимента.

1.1. - Предложены и реализованы идеи создания: — контактных хемилюминесцентных методов измерения озона и атомарного кислорода,

применимые к наземным и бортовым анализаторам; — контактных термометрических тел для измерения плотности, температуры и давления атмосферы на ракетах; — контактных термометрических тел для измерения атомарного кислорода и других составляющих. 1.2. - Разработаны, изготовлены и внедрены в эксплуатацию сетевые стандартные, а в практику научного эксперимента - экспериментальные специализированные головные части ракет М-100, М-100Б, ММР-06 и др. со стандартной и экспериментальной аппаратурой на сети станций ракетного зондирования атмосферы (СРЗА) и научно-исследовательских судах (НИС) во всех климатических зонах Земли; 1.3. -разработана, изготовлена и введена в эксплуатацию метрологическая база, состоящая из аэродинамической трубы разреженного газа, метрологически аттестованных систем измерения давления и температуры для стандартных сетевых и экспериментальных (анализаторов озона, атомарного кислорода, окиси азота) методов, а также методика проведения метрологических процедур, включая предстартовую на СРЗА. 1.4. - Проведены советско-французские сравнения эталонов давления и температуры и установлена единая шкала измерений при проведении международных сравнений «стандартных» ракетозондов (и озонозодов) на о. Уоллопс (США) и в Куру (Франция); установлена единая международная шкала измерений концентраций озона при проведении международных сравнений Индия-СССР на с. Тумба (1983 г); перед этим (1981 г.) Индия участвовала в международных сравнениях ракетных озонозондов на о.Уоллопс (США).

2. По теоретическим и экспериментальным моделям.

Установлены единые шкалы измерений стандартных параметров и озона с помощью стандартных ракетозондов и ракетных озонозондов и это позволило: 2.1. - построить первую глобальную незональную модель стратомезосферы (20 - 80 км) по температуре, давлению, плотности и характеристикам ветра; 2.2. -построить эмпирические модели вертикального распределения концентрации озона в тропической (с. Тумба) и среднеширотной зонах северного полушария, а

также в Антарктиде (с. Молодежная) для периода весенней аномалии озона; 2.3. - создать теоретическую глобальную зональную модель высотно-временного распределения водяного пара для мезосферы (50 - 80 км); 2.4. - создать теоретическую глобальную зональную модель высотно-временного распределения в верхней и средней стратосфере химически активных комплексов (суммы) хлорных и азотных компонент (С1 + N0) для экваториальной и тропической зоны.

3. - По динамике и фотохимии озоносферы.

3.1. - Впервые на магнитном (с.Тумба) и географическом (Индийский океан)

экваторе и рамках международного проекта «БУА^» и советско-индийской

озонной кампании 1990 г. проведен комплексный эксперимент с использованием

ракетных озонометров всех типов, стандартной ракетной аппаратуры для

измерения термодинамических параметров, радиозонодов с аппаратурой для

измерения ионной концентрации и наземного автоматического

высокоинформативного спектрофотометра-озонометра Брюера для измерения

суммарного озона и его вертикального распределения; 3.2. - впервые получены

научные результаты о внутрисуточных короткопериодных (минуты.....часы)

вариациях ОСО, ВРО и приливных характеристиках (амплитудах и фазах)

суточных и полусуточных колебаний температуры, скорости и направления ветра

в экваториальной зоне (в т.ч. в открытом океане на экваторе); 3.3. - впервые

найдены корреляционные связи пространственно-временных вариаций ОСО и

ионной концентрации (электропроводности воздуха) с фотохимическими и

динамическими процессами в экваториальной\тропической озоносфере и с

солнечной активностью; 3.4. - установлена взаимосвязь вариаций параметров

озоносферы и средней атмосферы в экваториальной\тропической зоны и

внетропических зон, зафиксированы стационарные структуры озоносферы; 3.5. -

показана главная роль глобальных климатических событий (ЭльНиньо, Ла-

Ниньо, извержения вулканов) в возникновении, развитии и исчезновении

озоновых аномалий с временным масштабом несколько месяцев - год в

различных районах Земли; 3.6. - впервые зарегистрированы короткопериодные

(до нескольких дней) колебания ОСО, создающие аномалии с характерным размером от нескольких сот до нескольких тысяч километров и минимальными значениями ОСО 200-225 е.Д. (основной район их формирования соответствовал району основного действия явления Эль-Ниньо, они были и в центральной и восточной частях Тихого океана); максимумы характеризующих их величин (количество в каждом из районов, площади, частота появления, количество районов появления) пришлись на середину января 1998 г., запаздывая на 2-3 недели по сравнению с максимумом температуры океана в районе Эль-Ниньо. Отрицательные (положительные) аномалии ОСО были связаны с областями дивергенции (конвергенции) потоков воздуха и наблюдались в областях конвергенции потоков воздуха (соответственно в восточной (западной) части экваториальной зоны Тихого океана и в восточной части Африки (восточной часть Индийского океана). 3.6. -необычайно сильное воздействие Эль-Ниньо 1997/98 гг. на озоносферу проявилось в сильных отрицательных аномалиях ОСО (в т.ч. над Западной Европой 31 декабря - 1 января до 175 е.Д.) в Южном полушарии над центром Антарктиды и в главном районе Эль-Ниньо, центральной и восточной частью Тихого океана (225-250 е.Д.). 3.7. - Впервые по данным наблюдений аппаратурой «CRISTA» по траектории полета на высотах 30 и 75 км рассчитаны флуктуации озона и температуры в стратосфере и мезосфере в широтных зонах обоих полушарий, позволившие установить закон "-5/3", и определены характеристики приливных гармоник и периодических структур типа внутренних гравитационных волн и приливных мод. 4. По физическим механизмам.

4.1. Разработаны и предложены новые физические подходы, в т.ч. по включению гравитационных лунно-солнечных приливных механизмов резонансного характера в новые теоретические схемы адекватного описания явлений в озоносфере, атмосфере, гидро- и других геосферах для их использования в целях повышения надежности прогнозов. Анализ показал: вероятной причиной Эль-Ниньо 1997-98 гг может быть механизм внутренней перестройки геосфер,

имеющей резонансный характер; при этом исходной частотой для образования цепочки параметрических частот является частота Чандлера качания полюса под влиянием астрономических факторов: Солнце, Луна, планеты. 4.2. -Подтверждена теоретическая и практическая значимость для метеорологии и геофизики важного параметра - экстремума скорости вращения Земли (ЭСВЗ) -индикатора и прогностического предиктора изменений в геосферах, что доказано на примерах установления причинно-следственных связей его коррелированности с опасными явлениями природы - усиления муссонных осадков, формирования депрессий и их превращения в тропические циклоны и тайфуны.

Основные публикации по теме диссертации:

1 Перов С.П.. Хргиан А.Х. Современные проблемы атмосферного озона,-Гидрометеоиздат, Москва, 1980. 287 стр.

2 Golitsyn G.S., Semenov A.I., Shefov N.N., Fishkova L.M., Lysenko E.V., Perov S.P. Long-term temperature trends in the middle and upper atmosphere, Geophys. Res. Letters, 1996, V.23, N14, ppl741-1744.

3 Кароль И.Л., Перов С.П. Озон в атмосфере Земли. Земля и Вселенная, №2, 1988.

С 10-16.

4 Перов С.П. Новое о тропической атмосфере. Земля и Вселенная, №, 2005. - с 5561.

5 Перов С.П. Взаимодействие астрономических и геодинамических осцилляторов определяет процессы в атмосфере и океане. Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: сб. докладов XVIII Международного симпозиума [Электронный ресурс]. - Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2012.- 1 CD- ROM. D-357-3.

6 Перов С.П., Розенфельд С.Х. О трендах температуры и озона в тропической стратосфере.- Метеорология и гидрология. - 1990, N6, с. 115-120.

7 Бромберг Д.В., Перов С.П. Глобальная полуэмпирическая модель распределения водяного пара в мезосфере. Исследование атмосферного озона (озон-90). Под ред. Н.А.Зайцевой, В.У.Хаттатова.М.: Гидрометеоиздат,- 1992.- с.12-11.

8 Перов С.П. Атмосфера Земли и ее структуры. Труды 8-й Баксанской молодежной школы экспериментальной и теоретической физики. БМШ ЭТФ -2007. Т. 1 под ред.проф. А.А.Петрухина, проф. М.Х.Хоконова. М.: МИФИ, 2009.-с. 93-114.

9 Перов С.П., Показеев К.В. О физических механизмах климатической изменчивости. В: Современные глобальные изменения природной среды. Т.4. Факторы глобальных изменений - М.: Научный мир, 2012. - с.88-121

10 Черников А.А., Борисов Ю.А., Звягинцев A.M., Крученицкий Г.М., Перов С.П., Стасюк О.Г. Воздействие явления Эль-Ниньо 1997-1998 гг. на озоновый слой Земли,- Метеорология и гидрология. 1998. N 3, с. 104-110.

11 Крученицкий Г.М., С.П. Перов, Н.С.Сидоренков. Долговременные (декадные) и многодневные (7-10 дней) структуры в нижней и средней атмосфере как свидетельство взаимодействия мод солнечно-лунных приливов. Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы: сб. докладов XVIII Международного симпозиума [Электр-ный ресурс]. — Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2012.- 1 CD-ROM. D-159-163.

12 Perov S.P., Tishin S.V. A rocket gas-gas chemiluminescent technique for measurement of atomic oxygen and ozone concentrations in the 15-95 km region.Atmospheric Ozone. Proc. Qudr. Ozone Symp, Halkidiki, Greece, 3-7 Sept. 1984,- Reidel Publ. Сотр. P.527-532.

13 Krishna Murthy B.V., Perov S.P. and Sasi M.N.. Diurnal and semi-diurnal tides in the equatorial middle atmosphere. - Journ. Atm. Ter.Phys., v.54, No.7, 1992, pp. 881-891.

14 Subbaraya B.H., Appu K.S., Chatterjee K.P., Jayraman A.,Grinchenko V.D., Kokin G.A Perov S.P., Vyazankin S.A., Stirkov O.V., Chizhov A.F. Results from the Indo-USSR ozonesonde intecomparison experiment.- Proc. Indian Acad. Sci. (Earth Planet. Sci), Vol. 96, Nol, March 1987, p. 25-41.

15 Subbaraya B.H., Lai S., Venkataramani S., Ishov A.G., Perov S.P. and MacElroy C.T. Variability in the total atmospheric ozone over Thumba measured with a Brewer spectrophotometer.- Journ. Atm. Terr. Phys., V56, N12, pp 1557- 1561

16 Perov S.P. Cosmic Ray/Solar "Activity" & Current Problems of Global Change: Ozone and greenhouse scare: the evidence the sky isn't falling. // Proceedings of the 29-th International Cosmic Ray Conference, Pune: India, 2005, v.2, p 297-300.

17 Ермаков В.И., Лившиц Н.С., Перов С.П., Русина В.Я., Чижов А.Ф. Новые блоки научной аппаратуры для метеоракет ММР-06 и М-100. - В кн.: Исследование верхней атмосферы Земли (Труды Международного симпозиума по космической метеорологии, г.Киев, - март 1972 г.), М.:ГМИ, 19732, с. 203-212.

18 Брезгин Н.И., Иванова И.Н., Кокин Г.А., Перов С.П., Чижов А.Ф., Сорокин B.C., Павлов В.И. Исследование поведения весенней аномалии озона в Антарктике ракетными и наземными озонометрами. Метеорология и гидрология. №8, 1989. С 12-20.

19 Изаков М.Н., Кокин Г.А., Перов С.П. Методика измерения давления и температуры при метеорологическом ракетном зондировании.- Метеоролоия и гидрология, N0 12, 1967, сс. 70-85.

20 Перов С.П. Метеорологическое зондирование атмосферы ракетами (1957-2007). Земля и Вселенная. - М.:Наука, №1, 2008. с 58-66.

21 Кононков В. А., Перов С.П. Озонометрическая установка для создания образцовых озоно-воздушных смесей.- Метеорология и гидрология, №6. 1980,-с.108-111.

22 Кононков В.А., Лебедев С.Г., Перов С.П., Сирота В.Г., Челибанов В.П. Хемилюминесценция в системе озон-адсорбированные кислота и родамин В. I.

Исследование зависимости хемилюминесценции от концен-ции озона и скорости потока.- Журнал прикладной химии, АН СССР, N 7678- В-87, Л., 1987, 11 с.

23 Тишин С.В., Перов С.П. и Золкин А.И. Ракетный хемилюминесцентный анализатор атомарного кислорода // Авторское свидетельство No 1382164 на изобретение. - Госкомитет СССР по делам изобретений и открытий, 15 ноября 1987 г.

24 Тучков Г.А., Тютин A.A., Перов С.П. и Кожухов С.А. Устройство для измерения концентрации // Авторское свидетельство No 1415906 на изобретение. - Госкомитет СССР по делам изобр-ий и открытий, 8 апреля 1988 г.

25 Перов С.П., Г.М.Крученицкий. Короткопериодные колебания озонового слоя в тропиках и солнечная активность. - Оптика атмосферы и океана, т.9, No 9, 1996, с. 1250-1254.

26 Черников A.A., Борисов Ю.А., Звягинцев А.М., Перов С.П. Тенденции изменений озонового слоя по наблюдениям с помощью спутниковой аппаратуры ТОМС и наземной озонометрической сети. Исследование Земли из космоса. 2000, №1. с. 1-10.

27 Лысенко Е.В., С.П.Перов, А.И.Семенов, Н.Н.Шефов, Г,В.Гивишвили и др. Долговременные тренды среднегодовой температуры на высотах от 25 до 110 км. Известия АН, ФАО, т.35, No.4, 1999, сс. 435-443.

28 Перов С.П., Федынский A.B. Ракетные измерения некоторых параметров мезосферы. Метеорология и гидрология, N 1, 1968, с.81-84.

29 Тимашев С.Ф., Перов С.П., Гутман Э.Е. Проблемы физикохимии озонового слоя Земли. - Журнал физической химии, 1993, т.68, No 8, с.1360-1372.

30 Звягинцев А.М., Крученицкий Г.М., Перов С.П. Пространственно-временная изменчивость озонового слоя Земли и «ультрафиолетовая опасность» //Атлас временных вариаций природных, антропогенных и социальных процессов. Циклическая динамика в природе и обществе. М.: «Научный мир». 1998. т.2. с.282-292.

31 Крученицкий Г.М., Перов С.П. Исследование глобальных озоносферных процессов методами вейвлет-анализа//Атлас временных вариаций природных, антропогенных и социальных процессов. Природные и социальные сферы как части окружающей среды и как объекты воздействий. М.: «Янус-К». 2002. т.З. с.364-370.

Подписано в печать 17.04.2013. Формат 60x90 1/16. Бум. офсетная. Заказ № 89, тираж 100

Отпечатано в ООО «Галлея-Принт» Москва, ул.5-я Кабельная, 26 Тел.: (495) 673-57-85 Факс: (495) 777-81-28 http://pallevaprint.ru

Подписано в печать 17.04.2013. Формат 60x90 1/16. Бум. офсетная. Заказ № 89, тираж 100

Отпечатано в ООО «Галлея-Принт» Москва, ул.5-я Кабельная, 26 Тел.: (495) 673-57-85 Факс: (495) 777-81-28 http://galleyaprint.ru

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, доктора физико-математических наук, Перов, Станислав Петрович, Москва

Федеральное государственное бюджетное учреждение Центральная аэрологическая обсерватория

0520і350£79

На правах рукописи

Перов Станислав Петрович

ДИНАМИКА И ФОТОХИМИЯ ОЗОНОСФЕРЫ И СРЕДНЕЙ АТМОСФЕРЫ ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ И ТРОПИЧЕСКОЙ ОБЛАСТИ ЗЕМЛИ

Специальность 25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

Диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва 2013 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................... 5

ГЛАВА 1. РАКЕТНЫЕ МЕТОДЫ, ПРИБОРЫ И ИХ МЕТЕРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ, ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ........... 19

§1.1. Гетерофазный хемилюминесцентый метод измерения озона на метеорологической ракете М-100....................... 19

§1.2. Ракетный газофазный хемилюминесцентный метод измерения атомарного кислорода и озона......................... 32

§1.3. Ракетные измерители окиси азота....................... 44

§ 1-4. Водяной пар, методы, приборы, результаты, проблемы.......... 56

§1.5. Рекомендации и заключение......................... 61

ГЛАВА 2. МОДЕЛИ СРЕДНЕЙ АТМОСФЕРЫ, ОЗОНОСФЕРЫ И ФОТОХИМИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ВОДЯНОГО ПАРА И ДРУГИХ МАЛЫХ ГАЗОВЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ.................. 65

§2. 1. Обзор существующих моделей........................ 65

§2.2. Незональная модель стратомезосферы (20 - 75 км) для термодинамических (структурных) параметров.............. 65

§2.3. Концепция фотоактивного слоя озоносферы (30- 80 км)......... 67

§2.4. Фотохимическое равновесие в фотохимически активном слое озоносферы, обобщенная формула Николе................. 71

§2.5. Фотохимическая модель водяного пара для мезосферы.......... 75

§2. 6. Серебристые (мезосферные) облака над экватором............ 81

§2.7. Фотохимические расчеты глобальных полей сумм атомарного хлора и окислов азота................................. 83

§2. 8. Эмпирические модели вертикального распределения озона, полученные для станций Балхаш, о. Хейс и Молодежная................. 85

§2. 9. Тренды..................................... 86

§2. 10 Солнечная активность и озон......................... 89

§2. 11 Солнечная активность и озон вблизи стратопаузы............. 95

§2. 12 Заключение и выводы раздела........................ 96

ГЛАВА 3. СВЯЗЬ КОЛЕБАНИИ ОЗОНОВОГО СЛОЯ ЗЕМЛИ С ПАРАМЕТРАМИ МИРОВОГО ОКЕАНА................. 101

§3.1. Воздействие явления Эль-Ниньо 1997 - 1998 г. г. на озоновый слой Земли...................................... 101

§3.2. Международная космическая экспедиция ASTRO-SPAS.......... 111

§3.3. Орбитальные наблюдения озонового слоя Земли (CRISTA -1,2)..... 116

§3.4. Колебания и тренды озонового слоя.................... 120

§3.5. Роль мирового океана............................. 124

§3.6. Взаимодействие геосфер и озоновый слой.................. 123

ГЛАВА 4. КОРОТКОПЕРИОДНЫЕ КОЛЕБАНИЯ ОЗОНОВОГО СЛОЯ В ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ ОБЛАСТИ ОЗОНОСФЕРЫ . часть І . . . . 143

§4.1. Общие положения наблюдения озонового слоя............... 143

§4.2. Наблюдения прибором Брюера на станции Тумба, Индия (TERLS). . . . 144

§4.3. Ночные наблюдения ОСО по свету Луны.................. 156

§4.4. Наблюдения ОСО и ВРО в период солнечного затмения......... 159

§4.5. Вариации и основные периоды ОСО..................... 163

§4. 6. Заключение и основные выводы части 1................... 169

ГЛАВА 4 .. КОРОТКОПЕРИОДНЫЕ КОЛЕБАНИЯ ОЗОНОВОГО СЛОЯ В ЭКВАТОРИАЛЬНОЙ ОБЛАСТИ ОЗОНОСФЕРЫ. ПРИЛИВЫ. . ЧАСТЬ 2 171

§4. 7. Общие представления об атмосферных приливах.............. 171

§4.8. О теории атмосферных приливов...................... 173

§4. 9. Организация эксперимента.......................... 175

§4. 10 Погрешности ракетных измерений температуры и ветра.......... 177

§4. 11 Расписание пусков, выбор маршрута и результаты измерений...... 178

§4.12 Анализ и обсуждение экспериментальных данных............. 188

§4. 13 Сравнение с результатами других экспериментов............. 193

§4. 14 Немигрирующие приливные колебания................... 199

§4. 15 Заключительные положения части 2..................... 200

ГЛАВА 5. ИНДИИСКИИ ЮГО-ЗАПАДНЫЙ МУССОН И ГЛОБАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ.................................. 203

§5.1. Краткий обзор исследований по теме.................... 203

§5.2. Изменчивость муссона и наблюдаемые периодичности......... 205

§5.3. Особенности колебаний Маддена-Джулиана и их связь с индийским 211

муссоном....................................

§5.4. Краткий обзор современных моделей.................... 214

§5.5. О когерентно-резонансных структурах и некоторых важных осцилляторах, определяющих климат Земли, включая индийский муссон . . . 215

§5.6. Индийский муссон и скорость вращения Земли............... 227

§5.7. Изменчивость муссонных дождей в различных регионах Индии в период проведения орбитальных наблюдений СШ8ТА-2......... 234

§5.8. Некоторые особенности поведения системы Земля-Луна в Солнечной системе...................................... 239

§5.9. Выводы об универсальности параметра СВЗ и основные результаты 245

ГЛАВА 6. ФИЗИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ СОЛНЕЧНОЙ АКТИВНОСТИ И ДРУГИЕ СЛАБЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА АТМОСФЕРУ 247

§6. 1. Солнечная активность и тропическая атмосфера.............. 247

§6.2. Солнечная активность и квазидвухлетний цикл в экваториальной озоносфере................................... 248

§6.3. Солнечная активность, галактические космические лучи, вулканизм, облачность, прозрачность атмосферы и их действие на атмосферу. . . . 250

§6. 4. Влияние солнечной активности на колебания озонового слоя....... 264

§6.5. Космические лучи, электрические характеристики озоносферы и солнечная активность.............................. 268

§6. 6. Взаимодействие астрономических и геодинамических осцилляторов определяет процессы в атмосфере и океане................. 277

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ........................ 289

ПРИЛОЖЕНИЕ 1...................................... 295

ПРИЛОЖЕНИЕ 2...................................... 299

СПИСОК ЦИТИРУЕМОИ ЛИТЕРАТУРЫ....................... 302

ВВЕДЕНИЕ

Огромный интерес к озону совершенно непропорционален его малому содержанию в атмосфере относительная концентрация этого газа составляет лишь несколько десятимиллионных долей. Если бы его удалось собрать при нормальном давлении и температуре, то образовался бы слой толщиной всего около 3 мм (или 300 единиц Добсона - мера суммарного озона, употребляемая в озонометрии) [1]. В различных широтах и в различные сезоны года такой условный слой может становиться толще или тоньше в 1,5 - 2 раза (кратковременно во время весенней антарктической аномалии в 3 раза). Озон рассредоточен во всей толще атмосферы с максимумом на высотах 14 - 28 км. Данные наблюдений многочисленных станций, ведущих наблюдения за динамикой озонового слоя (общим содержанием озона (ОСО), его вертикальным распределением (ВРО) и приземной концентрацией), регулярно публикуются в постоянно пополняющемся сборнике данных [2].

Озоносфера, практически полностью поглощает ультрафиолетовое (УФ) излучение Солнца с длиной волны менее 300 нм. Такое излучение опасно для биосферы, которая, однако, в процессе эволюции сумела, приспособиться к сильной изменчивости УФ излучения, доходящего до Земли.

Общепризнано считается, что существенное уменьшение ОСО и соответственно увеличение дозы УФ излучения, скорость которого за последние 15-20 лет в средних и высоких широтах Северного полушария составляет около 0,25 % в г. Это должно приводить к замедлению роста растений, повреждению водных экосистем за счет прежде всего подавления фотосинтеза и уменьшения поглощения СОг, что должно усиливать парниковый эффект и вести к нарушению пищевых цепей на суше и в океане. Однако отечественные исследования 1970 - 1980 г. г. и более поздние российские [3], зарубежные [4] работы посвященные изучению этой сложной проблемы свидетельствуют, что выводы не являются однозначными, а часто противоречивыми. Фундаментальные работы по этой проблеме в СССР были проведены еще в начале 60-х годов, было обнаружено наличие резистивных и мутагенных (в благоприятном для земледелия и сельского хозяйства направлении) свойств у многих высших растений, при воздействии мощного УФ облучения (УФО). Общий результат уменьшения ОСО и увеличения УФ радиации может заключаться в изменении процессов фотосинтеза в умеренных и полярных широтах Северного (сибирские, канадские и скандинавские леса) и особенно Южного (планктон Южного океана) полушария, где наблюдаются наиболее значительные отрицательные тренды ОСО. Это следует из многолетних

наблюдений за содержанием СО2 в атмосфере на глобальной сети станций и темпа прироста антропогенного СО2 за счет сжигания ископаемого топлива и выработки цемента.

Генерация озона для озонового щита биосферы происходит в тропической стратосфере на высотах 30 - 40 км, где озон образуется при фотолизе молекулы кислорода на атомы с быстрым последующим превращением в реакции трех частиц с участием атома и молекулы кислорода, а также молекулы азота. Озон разрушается при фотолизе его молекулы солнечным светом с длиной волны менее 1 мкм и в каталитических циклах (цепных реакциях в т.ч. и в ионно-молекулярных), с участием окислов водорода, азота, хлора, брома и ряда других соединений. Из тропической стратосферы озон разносится воздушными течениями в средние и полярные широты. Таким образом, ОСО и ВРО определяются фотохимией и динамикой атмосферы. Расчеты и наблюдения свидетельствуют, что в последние 30 - 35 лет за счет естественных и антропогенных факторов характеристики динамики атмосферы, ее циркуляция и химический состав газов-катализаторов, определяющих фотохимический сток озона, изменяются. При этом определяющим фактором, по-видимому, является т.н. глобальное потепление в атмосфере, ведущее, прежде всего к более интенсивному воздухообмену нижней тропической стратосферы, обедненной озоном, со стратосферой умеренных и полярных широт. Отечественной школой А. А. Хриганом [5] было установлено следующее:

1) наблюдаемые тренды и вариации ОСО и ВРО связаны, прежде всего, с происходящими изменениями термобарического и циркуляционного режима атмосферы, вызванными ростом парниковых газов;

2) все наблюдавшиеся в Северном полушарии озоновые аномалии, ("мини-дыры") объясняются в первую очередь динамикой атмосферы, а не ее химией;

3) наблюдаемый в последние десятилетия отрицательный тренд озона (в частности, в Европе и Сибири) непосредственно связан с эволюцией параметров климатообразующих центров действия атмосферы (Азорского и Сибирского антициклонов для Европы и Сибири, соответственно) [6].

Озоновая аномалия в Антарктиде также имеет климатическое происхождение за счет особых условий стабильности циркумполярного зимне-весеннего атмосферного вихря и чрезвычайно низких температур в нижней стратосфере, где могут образовываться стратосферные облака, частицы которых участвуют в гетерогенных процессах стока озона. Эта аномалия как климатическое явление, с пониженным по сравнению с аналогичным полярным районом Северного полушария ОСО, была

открыта в период МГГ - Г. М. Добсоном [7] и в следующие 15 лет имела отрицательный тренд ОСО весной. В середине 70-х годов отрицательный тренд резко усилился и продолжался до начала нового века, после чего замедлился. Считается, что это происходит из-за роста активных хлорных составляющих, основным поставщиком которых являются долгоживущие в атмосфере фреоны 11 и 12. Однако следует подчеркнуть, что резкое падение ОСО началось в Антарктиде синхронно с ростом средней глобальной температуры атмосферы и океана, ростом уровня Каспия и ряда других водоемов, началом падения температуры антарктической нижней стратосферы и ростом количества стратосферных облаков. Таким образом, при хлорном цикле, как полагают действующем в Антарктических условиях изолированного вихря, как бы проявился переход глобальной климатической системы в новое состояние [8, 9].

В настоящее время в Европе, Азии и Америке отмечено увеличение содержания приземного озона в несколько раз по сравнению с содержанием в середине прошлого века. Регулярные наблюдения приземного озона проводятся с 1970-х годов. В настоящее время в Северном полушарии содержание приземного озона возрастает со скоростью около 1% в год в Южном полушарии положительного тренда озона в тропосфере не обнаружено. В ряде случаев удалось установить корреляционные зависимости содержания приземного озона со стратосферным, а также с метеорологическими факторами (например, параметрами атлантических климатообразующих центров действия атмосферы) и с природными аномалиями (вулканическими извержениями).

Говоря о проблеме изменчивости ОСО и УФ радиации следует отметить, что они не столь драматичны, как их часто представляют. Сильная широтная изменчивость ОСО при возрастающей миграции населения Земли, изменении образа жизни - стиля одежды, длительности пребывания людей на открытом воздухе, росте туризма и многих других факторах - приводят к гораздо большим колебаниям дозы УФ излучения, чем любые возможные изменения ОСО. Биосфера за миллиарды лет уже наработала защитные механизмы, которые позволяют ей переносить значительные изменения УФ излучения. Тем не менее, проблема воздействия УФ излучения на человека существует. Это связано с развитием цивилизации, с ее отрицательными последствиями для человека как биологического вида. Поэтому большое внимание в последние годы уделяется проблемам стандартизации безопасных доз (УФ-индексов) для человека в различных условиях. При этом важно учитывать не только межсуточную изменчивость ОСО, но и внутрисуточную [10]. В настоящее время не представляется возможным прогнозировать глобальное состояние озонового слоя даже краткое (годы) время вперед.

Более того, все прогнозы эволюции озонового слоя на десятки лет, не учитывающие климатических изменений, являются некорректными, все существующие модели изменений не вполне удовлетворительно подтверждаются данными наблюдений.

Будущие изменения озонового слоя будут определяться, прежде всего, эволюцией климатической системы планеты Земля, прогноз для которой в настоящее время носит дискуссионный характер и, как будет показано в данной работе, неадекватно отражает реальные процессы в геосферах Земли, на Солнце, не учитывает мощное гравитационное влияние Луны на атмосферу и озоносферу.

Автор считает своей научной удачей то, что благодаря счастливому стечению обстоятельств, активной поддержке научных руководителей, эффективному международному сотрудничеству, удалось успешно провести сложные дорогостоящие натурные эксперименты в экстремальных климатических условиях тропиков и получить уникальные научные данные о короткопериодной изменчивости параметров озоносферы, что позволило сформулировать и выдвинуть рабочую гипотезу -феноменологическую модель взаимодействующих осцилляторов для изучения атмосферы и ее взаимодействия с другими геосферами и космосом [11].

Эта модель позволила рассмотреть две важнейшие экологические проблемы озонового слоя и глобального «потепления» с единых позиций и как взаимосвязанные, что на наш взгляд открывает пути к более совершенным методам долговременных прогнозов.

Актуальность работы

Тропическая (в т.ч. экваториальная) атмосфера определяет важные свойства средней атмосферы и озоносферы (10 -120 км) Земли, являясь резервуаром тепловой энергии и генератором широкого спектра колебаний, воздействующих на динамику тропической и остальной атмосферы, что важно для кратко- и долгосрочного прогноза погоды и климата всей планеты. Основные вопросы для изучения этих проблем связаны с пониманием динамики ключевой составляющей атмосферы - водяного пара, процессы переноса и фазовые переходы которого определяют в значительной мере процессы теплообмена и формирования климата в разных регионах. Рассмотрение возникающего при этом широкого комплекса проблем было инициировано в 1980-х годах выполнением международной Программы исследования средней атмосферы (Middle Atmosphere Program - MAP) и продолжено исследованиями по межнациональным программам. Начало данной работы было связано с выполнением советстко-индийской программы

изучения экваториальной (тропической) области атмосферы для разрешения ряда проблем, необходимость постановки которых была выявлена в программе MAP.

Для исследования механизмов фотохимии и динамики тропической озоносферы были необходимы целенаправленные комплексные эксперименты. Такие работы с участием соискателя были начаты с середины 60-х годов при проведении морских экспедиций в тропических областях Тихого и Индийского океанов на судах, оборудованных ракетным комплексами и продолжены в 1970 году на ракетном экваториальном полигоне Тумба (Индия) в рамках соглашения между СССР и Индией. Работы проводились Центральной аэрологической обсерваторией (при участии других организаций) по планам Госкомгидромета, ГКНТ, в рамках Международного проекта Dynamics Application of Network the Atmosphere (DYANA) и по программам двустороннего сотрудничества с Индией в области космической метеорологии и аэрономии, включая исследование проблемы озонового слоя. Одним из направлений исследований явилось изучение характеристик экваториальной и тропической озоносферы над Индийским океаном и станцией Тумба, где с 1970 г. по 1993 г. проводилось регулярное метеорологическое ракетное зондирование атмосферы с помощью ракет М-100 и осущ�

Информация о работе

Перов, Станислав Петрович
доктора физико-математических наук
Москва, 2013
ВАК 25.00.29

Диссертация

Динамика и фотохимия озоносферы и средней атмосферы экваториальной и тропической области Земли - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы