Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование фотохимических процессов в мезосфере Земли с помощью базовых динамических моделей

ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Исследование фотохимических процессов в мезосфере Земли с помощью базовых динамических моделей"

На правах рукописи

КУЛИКОВ Михаил Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МЕЗОСФЕРЕ ЗЕМЛИ С ПОМОЩЬЮ БАЗОВЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

25 00 29 - физика атмосферы и гидросферы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2007

003071691

Работа выполнена в Институте прикладной физики Российской академии наук (г Нижний Новгород)

Научный руководитель доктор физико-математических наук,

А М Фейгин (ИПФ РАН)

Официальные оппоненты доктор физико-математических наук,

профессор И Л Кароль (ГГО им А И Воейкова, Санкт-Петербург) доктор физико-математических наук Е А Мареев (ИПФ РАН)

Ведущая организация Институт физики атмосферы

им А М Обухова РАН (г. Москва)

Защита состоится « 29 » мая 2007 г в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 002 069 01 в Институте прикладной физики РАН (603950, г Нижний Новгород, ул Ульянова, 46)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной физики РАН

Автореферат разослан » апреля 2007 г

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физико-математических наук

^Д И Малеханов

Общая характеристика диссертации

Актуальность темы диссертации. Изучение эволюции малых газовых составляющих (МГС) традиционно считается одной из основных задач в исследовании атмосферы Земли Эволюция МГС управляется фотохимическими процессами, которые, являясь одним из основных источников нагрева воздуха в средней атмосфере, оказывают влияние на большинство агмосферных параметров и об> сдавливают один из ключевых механизмов антропогенного воздействия на процессы, протекающие в различных областях атмосферы (озонные дыры, парниковый эффект, увеличение концентрации озона в приземного слое и др ) В свою очередь, фотохимия подвержена влиянию всех типов атмосферного переноса, чувствительна к температуре, солнечной активности и другим атмосферным факторам Поэтому исследование эволюции МГС является важной составляющей анализа возможных изменений состояния всей земной атмосферы

Экспериментальное наблюдение за МГС атмосферы производится с помощью двух групп методов контактных и дистанционных Контактные измерения осуществляются посредством самолетов, зондов, стратостатов или ракет и, как правило, обеспечивают более высокую точность измерений При этом они имеют существенные ограничения по высоте (примерно 25 км для самолетов и зондов и 45-50 км для стратостатов) либо, как в случае ракетных измерений, оказываются весьма дорогостоящими и производятся эпизодически Дистанционные методы позволяют зондировать атмосферу в существенно большем диапазоне высот, однако для них существует проблема точности измерений, поскольку эти методы оперируют с интегральным сигналом, который формируется излучением, приходящим, как правило, из широкого диапазона высот и почти всегда сильно зашумлен-ным Поэтому, несмотря на многократный рост объема данных наблюдений за эволюцией МГС в последние годы (прежде всего, за счет спутниковых наблюдений), число доступных прямым и регулярным измерениям МГС по-прежнему невелико Естественный выход в такой ситуации - привлечение математических моделей атмосферных фотохимических систем, которые к настоящему моменту созданы и в значительной степени верифицированы для большинства областей земной атмосферы Основными задачами для данных моделей являются, во-первых, удовлетворительное воспроизведение наблюдаемого поведения интересующих нас МГС атмосферы, во-вторых, извлечение информации о плохо измеряемых компонентах из имеющихся экспериментальных данных В последнем случае математические модели используются для отыскания априорных связен между измеряемыми непосредственно и восстанавливаемыми характеристиками Отметим, что такой подход к обработке измеряемых данных может значительно (в разы) увеличивать информативность результатов экспериментальных кампаний по исследованию атмосферы Серьезным препятствием широко-

му применению атмосферных фотохимических моделей в указанных целях является их высокая размерность почти всегда в состав таких систем входит несколько десятков и более реагирующих между собой химических компонент, а эволюция этих систем зависит от большого числа параметров

В предшествующих диссертации работах (см, например, [1-5]) было показано, что исследование эволюции атмосферных фотохимических систем наиболее удобно проводить с помощью математически корректно упрощенных моделей (ниже, следуя работе [1], будем называть их базовыми динамическими моделями) Базовые динамические модели (БДМ) сохраняют в интересующей области значений параметров основные качественные и количественные свойства "полной" системы, но включают при этом минимально возможное число динамических переменных, описываемых дифференциальными уравнениями, и максимально возможное число переменных, описываемых локальными во времени и пространстве соотношениями Такие модели предназначались первоначально и были успешно использованы для анализа нелинейно-динамических свойств атмосферной фотохимии, обусловленных чисто химическими механизмами (без учета пространственных связей) [1-5] Очевидно, что указанные «врожденные» особенности БДМ позволяют существенно снижать время компьютерных расчетов в случае применения этих моделей при многомерном пространственном моделировании с учетом реальных процессов атмосферного переноса, а так же делают БДМ чрезвычайно эффективным инструментом для извлечения дополнительной информации из экспериментальных данных В данной работе базовые динамические модели привлекались для исследования фотохимических процессов в мезосфере Земли (диапазон высот 50-90 км)

Одним из интригующих свойств фотохимии мезосферы является возможность нелинейного отклика этой системы на сугочные вариации освещенности В работах [2, 4-8] с помощью нуль - мерных моделей было показано, что на высотах области мезопаузы (80-90 км) возможен широкий спектр периодических (субгармонических - с периодами 2, 3,4 и т д суток) и хаотических режимов поведения концентраций МГС Отметим что суточные вариации освещенности являются ключевым механизмом воздействия Солнца на химические процессы во всей атмосфере Однако, на сегодняшний день неизвестны какие-либо другие агмосферные фотохимические системы, которые обладают подобными нелинейно-динамическими свойствами Кроме того, интерес к нелинейным осцилляциям в районе мезопаузы продиктован возможностью их проявления в поведении основных параметров верхней мезосферы и в процессах генерации атмосферных волн Дело в том, что экзотермические реакции между МГС, входящими в состав мезосферной фотохимической системы, обеспечивают основной фотохимический нагрев воздуха мезосферы и на высотах области нелинейного отклика скорость притока тепла за счет данных процессов составляет несколько градусов в сутки [9] Поэтому нетривиальное поведение МГС в условиях верхней мезосферы может существенно проявляться в изменчиво-

ста температуры воздуха данной области В частности, хаотические осцилляции должны приводить к возникновению хаотической (нерегулярной) составляющей в зависимости от времени температуры воздуха Кроме того, присутствие в спектре фотохимического нагрева воздуха гармонической компоненты с периодом двое суток позволяет предположить существование связи между фотохимическими осцилляциями с периодом двое суток и возбуждением квазидвухсуточных атмосферных волн Эти волны регулярно наблюдаются уже почти 40 лет, однако до сих пор не существует теории, позволяющей удовлетворительно объяснять все основные наблюдаемые особенности этого явления Заметим также, что поскольку данные процессы характеризуются примерно одинаковыми временными масштабами, можно ожидать, что воздействие квазидвухсуточной волны на область нелинейного отклика посредством локальной модуляции параметров фотохимии и через периодический перенос волновой компонентой ветра может существенно влиять на динамику МГС в этой области атмосферы Для того, чтобы говорить более определенно о возникновении данных явлений в реальных условиях мезосферы, необходимо провести детальный анализ нелинейно-динамических свойств мезосферной фотохимической системы не только с учетом квазидвухсуточной волны, но и других наиболее существенных типов атмосферного переноса В тоже время, исследования, проведенные в предшествующих диссертации работах [9-11], не позволяют дать исчерпывающий ответ на данный вопрос, поскольку в них рассмотрен далеко неполный спектр процессов переноса, которые потенциально могут воздействовать на динамику мезосферной фотохимической системы

В соответствие с вышесказанным первая цель диссертации заключалась в выявлении и анализе эффектов, обусловленных влиянием различных (не учитывавшихся ранее) типов атмосферного переноса на нелинейно-динамические свойства мезосферной фотохимической системы в районе мезопаузы (80-90 км) Для достижения поставленной цели с помощью базовых динамических моделей мезосферной фотохимии были решены следующие задачи

(1) исследовано воздействие квазидвухсуточной атмосферной волны заданной амплитуды на двухсуточные фотохимические осцилляции в районе мезопаузы,

(2) проведен анализ субгармонических режимов поведения мезосферной фотохимической системы с учетом вертикальной адвекции (перенос постоянной компонентой вертикальной скорости ветра) н горизонтальной турбулентной диффузии

Вторая цель диссертации заключалась в развитии методов применения базовых динамических моделей для восстановления по экспериментальным данным вертикальных распределений характеристик атмосферы, не измеряемых непосредственно Для продвижения в данном направлении в диссертации рассмотрены следующие задачи

(1) проведен анализ возможностей БДМ мезосферной ФХС по восстановлению концентраций ряда малых газовых составляющих мезосферы и вертикальных профилей управляющих параметров данной ФХС, не измеряемых непосредственно, и разработаны соответствующие методы восстановления,

(2) разработанные методы использованы для восстановления вертикальных распределений концентраций ключевых химических компонент мезосферы - атомарных кислорода и водорода, а также гидропероксида и паров воды по одновременным измерениям вертикальных распределений концентраций озона и гидроксила, проведенных в рамках спутниковых экспериментов СМ8ТА-МАН1181

Научная новизна диссертационной работы определяется полученными в ней результатами

1 Путем аналитического исследования и численного моделирования показано, что наиболее существенным механизмом воздействия квазидвухсуточной атмосферной волны на двухсуточные фотохимические осцилляции в районе мезопаузы является периодический перенос малых газовых составляющих вертикальной компонентой скорости ветра в волне Данный механизм приводит к захвату фазы фотохимических осцилляции фазой ос-цилляций ветра и, тем самым, обуславливает формирование регулярного горизонтального распределения МГС верхней мезосферы с зональным волновым числом, близким к волновому числу атмосферной волны Минимальные амплитуды волны, необходимые для возникновения указанных эффектов, оказываются заметно меньше своих максимально возможных значений в реальных условиях мезопаузы

2 В результате проведенного численного моделирования обнаружено, чго влияние горизонтальной турбулентной диффузии на субгармонические фотохимические осцилляции в районе мезопаузы приводит к формированию реакционно-диффузионных волн в виде бегущих в зональном направлении фронтов и импульсов фазы этих осцилляций Показано, что в случае осцилляций с периодами двое и четверо суток скорость распространения данных волн прямо пропорциональна величинам коэффициента горизонтальной диффузии и градиента зональной неоднородности фазы суточных вариаций освещенности.

3 Путем численного моделирования показано, что учет вертикальной адвекции существенно модифицирует нелинейно-динамические свойства мезосферной фотохимической системы и, в зависимости от величины и направления скорости среднего вертикального ветра, может приводить как к подавлению нелинейных осцилляций малых газовых составляющих верхней мезосферы. так и к существенному усложнению спектра режимов их поведения При реально возможных значениях коэффициента вертикальной турбулентной диффузии и скорости вертикального ветра могут возникать сложные режимы поведения (в частности, трехсуточный и хаотический),

которые без учета вертикальной адвекции оказываются подавленными вертикальной диффузией

4 Предложен метод восстановления концентраций ряда малых газовых составляющих мезосферы, не измеряемых непосредственно, по экспериментальным данным Метод применен для обработки результатов одновременных измерений концентраций озона и гидроксила, проведенных в рамках спутниковых экспериментов CRISTA-MAHRSI, что позволило восстановить вертикальные распределения концентраций еще четырех ключевых химических компонент мезосферы - атомарных кислорода и водорода, а также гндропероксида и паров воды Показано, что в мезосфере и нижней гермосфере справедливо предельное соотношение между значениями концентраций ОН и 03, зависящее от высоты Установлено, что данные CR1STA-MAHRSI удовлетворяют этому соотношению вплоть до высоты 87 км, а в вышележащей области имеется существенное расхождение между теорией и экспериментом

Научная достоверность и обоснованность результатов диссертации достигается соответствующими аналитическими оценками и численными расчетами Адекватность используемых моделей мезосферной фотохимической системы продемонстрирована как в предшествующих диссертации работах, так и непосредственно в диссертации

Практическая значимость проведенных исследований состоит в следующем

Во-первых, в диссертации проведен анализ возможных способов регистрации предсказываемых реакционно-диффузионных волн и измерения скорости их распространения в реальных условиях верхней мезосферы Проведение таких измерений предоставляет возможность прямой оценки величины одной из ключевых характеристик данной области атмосферы -уровня мелкомасштабной волновой турбулентности

Во-вторых, предложенный подход к восстановлению концентраций малых газовых составляющих мезосферы, не измеряемых непосредственно, по доступным экспериментальным данным является общим и может быть распространен на другие области атмосферы

В третьих, разработанный метод восстановления вертикального распределения концентрации паров воды в верхней мезосфере позволяет существенно повысить точность определения этой характеристики мезосферы в условиях формирования полярных мезосферных облаков

В четвертых, найденное предельное соотношение между значениями концентрации ОН и Oj может бьпь использовано для повышения точности измерений этих компонент в мезосфере и нижней термосфере

Результаты работы использовались при выполнении проектов РФФИ, Программы фундаментальных исследований ОФН РАН «Физика атмосферы электрические процессы, радиофизические методы исследований» и

Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Фундаментальные проблемы нелинейной динамики»

Личный вклад Из указанных ниже публикаций по теме диссертации работы [3*-4*, 8*-ll\ 13*, 1б*-17*] выполнены совместно с научным руководителем, в работах [Г, 5*, 7*, 15*, 1*8], также выполненных совместно с научным руководителем. Г Р Зоннсманн принимал участие в тестировании алгебраического блока базовой динамической модели мезосферной фотохимической системы с помощью трехмерной модели фотохимии мезосферы и нижней термосферы, работы [2 , 6*, 12*, 14*, 20*] выполнены диссертантом без соавторов, в работе [19*] диссертант является научным руководителем своего соавтора (А П Гаштури).

Апробация результатов работы. Изложенные в диссертации результаты докладывались на семинарах и конкурсах работ молодых ученых ИПФ РАН, совещаниях по программе фундаментальных исследований ОФН РАН «Физика атмосферы электрические процессы, радиофизические методы исследований», на международных конференциях 4-ом и 5-ом Рабочих совещаниях программы «REACTOR» Европейского научного фонда (2003 г, Будапешт, Венгрия, 2004г, Прага, Чехия), 35-ой Научной ассамблеи COSPAR (2004г, Париж, Франция), Генеральной ассамблеиЕвропейского союза наук о Земле (2005 г, Вена, Австрия), Международном симпозиуме «Topical Problems oí Nonlinear Wave Physics» (2005 г, Санкт-Петербург -Нижний Новгород, Россия), на всероссийских конференциях 9-ой Всероссийской школе-семинаре «Волны - 2004» (Москва), 7-ой, 8-ой, 9-ой и 10-ой Всероссийской школе-конференции молодых ученых «МАПАТЭ» (2003г, Нижний Новгород, 2004г, Москва, 2005г, Борок, 2006г, Москва), 12-ой и 13-ой Научной школе «Нелинейные Волны» (2004 и 2006 г г , Нижний Новгород), XV научной сессии Совета по нелинейной динамике (2006г, Москва)

Публикации Основные результаты диссертации опубликованы в 6 статьях в реферируемых российских и международных научных журналах, 2 препринтах ИПФ РАН, 2 отчетах по программе фундаментальных исследований ОФН РАН, 4 сборниках трудов и 6 сборниках тезисов всероссийских и международных конференций

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы Всего в работе 55 рисунков, три таблицы Список цитируемой литературы состоит из 76 наименований. Общий объем диссертации 115 листов

Краткое содержание диссертации

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цели и решаемые задачи, изложены основные результаты и пояснена их научная и практическая ценность, приведена структура диссертационной работы

Первая глава содержит необходимую информацию о мезосферной фотохимической системе (МФХС), ее нелинейно-динамических свойствах и базовой динамической модели

В § 1.1 дано общее описание МФХС представлены основные фотохимические реакции, определяющие эволюцию наиболее важных компонент мезосферы (О, О('О), 03, Н, ОН, Н02) с временным масштабом т0 = 10 —10 с, указаны ключевые управляющие параметры МФХС (температура воздуха, зенитный угол Солнца и высота), предъявлены аргументы, на основании которых концентрацию Н20 на рассматриваемом временном масштабе так же можно считать параметром МФХС, проведены оценки степени важности реакций с участием четных соединений водорода, показывающие, что при решении поставленных задач эти реакции можно не учитывать

В § 1.2 кратко изложены результаты предшествующих работ [2, 4-11], в которых исследовались нелинейно-динамические свойства МФХС Во-первых, представлены результаты нуль-мерного анализа, свидетельствующие о возможности нелинейного отклика МФХС на суточные вариации освещенности на высотах области мезопаузы, и приведено несколько примеров нетривиального поведения МГС мезосферы в зависимости от значений управляющих параметров Во-вторых, суммированы результаты исследований влияния одного из наиболее важных типов мезосферного переноса - вертикальной турбулентной диффузии Этот тип переноса приводит к существенному обеднению спектра возможных режимов поведения МФХС при возможных в летнее время значениях коэффициента вертикальной диффузии [12] ~ (2 104 см2/с - 7 104) см /с в районе мезопаузы "выживает" четырехсуточный режим осцилляций МФХС, а при значениях Dzx ~ (7 104 - 2 105) см2/с - двухсуточный режим Более сложные режимы поведения МФХС (например, трехсуточный или хаотический) исчезают при значительно меньших значениях ~ (5 102 - 8 102) см2/с, которые не реализуются в реальных условиях верхней мезосферы В зимних условиях (при диффузии, существенно большей 2 105 см2/с) режим поведения становится односуточным, т е нелинейный отклик МФХС оказывается полностью подавленным диффузионными процессами

В § 1.3 указаны главные особенности субгармонических режимов поведения МФХС, которые не принималась во внимание в предшествующих работах Во-первых, данные осцилляции являются вынужденными, однако при одном и том же значении фазы внешнего воздействия (суточных вариаций освещенности) ср0 фаза субгармонических осцилляций сррЬ в зависимости от начальных условий может принимать дискретный ряд значений

(Pph =<p0/N + q>N +a, <pN =27c(i-1)/N, i = 1, ,N , a = const, где N - число суток, составляющих период осцилляции Во-вторых, горизонтальное распределение сррЬ(х) без учета диффузионной связи химических осцилляторов, разнесенных в горизонтальном направлении, может быть произвольным, а распределение концентраций МГС - существенно неоднородным В частности, в окрестностях резких скачков фазы субгармонических осцилляций возникают резкие перепады концентраций МГС мезосферы В-трегьих, вследствие зональной неоднородности фазы суточных вариаций освещенности (q>0 непрерывно меняется от 0 до 2л), на зональной окружности имеется, по крайней мере, один резкий фазовый перепад субгармонических осцилляций даже в случае <pN (х) s const В-четвертых, наличие резких перепадов концентраций МГС делает необходимым учет горизонтальной турбулентной диффузии, которая приводит к «сглаживанию» фазовых и концентрационных перепадов На основании оценок баланса фотохимических и диффузионных процессов показано, что соответствующий масштаб горизонтальный неоднородности концентраций МГС должен составлять ~ (100-300) км

В § 1.4, во-первых, изложен метод построения базовых динамических моделей (БДМ) атмосферных фотохимических систем (ФХС), предложенный в работах [1-5] Основная идея построения таких моделей состоит в разделении переменных системы (концентраций МГС) на три группы в соответствии с соотношением между характерными временами их жизни "т" и временным масштабом изучаемого явления т0. Переменные из первой группы, для которых т » т0, являются параметрами Переменные из второй группы являются «быстрыми» т « т0, с учетом диссипативности атмосферных фотохимических систем полагается, что они находятся в состоянии мгновенного устойчивого равновесия Их "мгновенно-равновесные" значения определяются (в случае нуль-мерных моделей) из системы алгебраических уравнений, получаемых приравниванием нулю производных по времени в отвечающих им уравнениях химической кинетики, и являются в общем случае нелинейными функциями от параметров и отнесенных к третьей группе «медленных» переменных, эволюция которых с характерным временем т « т0 описывается дифференциальными уравнениями Важная особенность атмосферных ФХС состоит в том, что определенные группы быстрых переменных (разных для различных атмосферных ФХС) могут образовать медленные семейства, характерное время жизни которых существенно превышает индивидуальные времена жизни входящих в них быстрых компонент В таком случае для корректного моделирования с помощью БДМ в ней необходимо учесть дополнительное дифференциальное уравнение, описывающее медленную эволюцию концентрации

семейства, а из вырожденной системы алгебраической уравнений удалить одно (любое) уравнение для одной из быстрых компонент этого семейства

Во-вторых, в § 1.4 представлена БДМ МФХС. Она представляет собой систему семи уравнений, два из которых являются дифференциальными уравнениями первого порядка по времени для концентрации О и полной концентрации семейства нечетного водорода НОх (Н+ОН+НОг), а оставшиеся пять образуют систему алгебраических уравнений, которая связывает значения быстрых компонент (O('D), 03, Н, ОН, НОг) со значениями медленных переменных (О и НОх) и параметров БДМ

В-третьих, проведено обобщение указанного выше метода на случай построения БДМ МФХС с учетом процессов переноса. На основании оценок «индивидуальных» характерных времен ха различных механизмов мезо-сферного переноса (молекулярная и турбулентная диффузия, горизонтальный и вертикальный ветра, планетарные и внутренние гравитационные волны) и их сравнения с фотохимическими временами жизни быстрых и медленных переменных МФХС сделан вывод, что все перечисленные процессы переноса оказываются «медленными» в смысле, указанном выше-т^ - т0. Поэтому концентрации быстрых компонент во всем моделируемом диапазоне высот (50-90 км) связаны с концентрациями медленных компонент алгебраическими соотношениями, полученными в рамках нульмерной БДМ, и для корректного описания процессов переноса в БДМ МФХС достаточно включить их только в уравнения для медленных переменных Проведено прямое сравнение результатов расчета БДМ и полной модели МФХС, произведенных с учетом разных типов процессов переноса Показано, что результаты расчета БДМ МФХС практически идеально (как с качественной точки зрения, так и с количественной) воспроизводят результаты полной модели

В § 1.5 проведено численное тестирование системы алгебраических уравнений БДМ МФХС в условиях, отвечающих данным CRISTA -MAHRSI (дневное время суток) Показано, что во всем моделируемом диапазоне высот данная система уравнений с хорошей точностью (не хуже 3%) описывает соотношения между O('D), 03, Н, ОН, Н02, О и НО,. В данном параграфе также отмечено, что такого количества (5 уравнений) априорных связей оказывается достаточно, чтобы, обладая информацией об одновременных значениях концентраций любых двух химических компонент МФХС, восстановить значения оставшихся компонент этой системы и, таким образом, определить значения динамических переменных БДМ МФХС и почти всех (кроме членов, пропорциональных кощентрации Н20, и членов, описывающих перенос) слагаемых, входящих в дифференциальные уравнения медленных переменных

Во второй главе исследовано воздействие квазидвухсуточной атмосферной волны (КДВ) на фотохимические осцилляции с периодом двое суток

В § 2.1 представлено описание основных свойств летних КДВ (направление распространения, период, зональное волновое число, локализация по высоте и широте, величины амплитуд осцилляций температуры, зональной и меридиональной компонент скорости ветра), зарегистрированных проявлений этих волн в поведении МГС и теоретически предсказанных изменений основных характеристик мезосферы и нижней термосферы Земли, вызываемых этими волнами

В § 2.2 представлены исходные трехмерные уравнения непрерывности медленных компонент МФХС, в которых влияние КДВ учитывается посредством локальной модуляции констант фотохимических реакций и через периодический перенос МГС мезосферы зональным, меридиональным и вертикальным ветром волны Проведен качественный анализ отдельных членов этих уравнений с целью выделения наиболее существенных механизмов влияния КДВ на МФХС, которые можно рассмотреть, исходя из уравнений меньшей размерности При этом применялся общепринятый метод, основанный на оценке характерных времен переноса по сравнению с фотохимическим временем эволюции МФХС Необходимая информация о характерных значениях скорости среднего зонального ветра и амплитуд вариаций всех характеристик КДВ бралась из данных, полученных спутниковыми приборами \VrNDII и Н1Ш1 в январе 1993-1994 гг. На основании проведенных оценок сделаны следующие выводы (1) перенос вертикальной компонентой скорости ветра в волне оказывается наиболее существенным механизмом воздействия КДВ на фотохимию во всех точках пространства, где возможны двухсуточные фотохимические осцилляции, (2) перенос горизонтальными компонентами скорости ветра в волне и средним зональным ветром оказывается важным в окрестностях резких градиентов фазы двухсуточных осцилляций, (3) в других областях, где фаза двухсуточных осцилляций изменяется (в пространстве) сравнительно медленно, влиянием горизонтального переноса в первом приближении можно пренебречь Последнее оказывается справедливым и для механизмов, связанных с локальной модуляцией основных параметров МФХС

В § 2.3 представлено описание используемых моделей, а так же численной схемы их интегрирования с указанием пространственного разрешения, метода интегрирования и его точности, начальных и граничных условий, высотно-широтных распределений усредненных по зональной координате концентрации Н20, температуры и давления Для анализа влияния вертикального ветра КДВ на фотохимические осцилляции с периодом двое суток использовалась одномерная БДМ МФХС с учетом вертикальной турбулентной диффузии (с коэффициентом диффузии, при котором двухсуточный режим остается единственным режимом нелинейного отклика МФХС на суточные вариации освещенности) и вертикального периодического переноса При анализе влияния на обнаруженные эффекты среднего зонального ветра и горизонтального ветра в КДВ производился переход в новую систему отсчета, в которой слагаемое, связанное с горизонтальным перено-

сом, исчезает. Это позволило исследовать двумерные ситуации с помощью одномерной модели и, в конечном итоге, привело к существенной (более чем, в 100 раз) экономии машинного времени

В § 2.4 исследовано влияние вертикального ветра КДВ Показано, что (1) периодический перенос вертикальной компонентой скорости ветра приводит к захвату фазы фотохимических осцилляций срр)1 фазой осцилляций

ветра в результате быстрых переходных процессов устанавливается то го двух возможных значений фрЬ, которое сильнее отличается от значения ; (2) данный эффект имеет порог по амплитуде осцилляций ветра, величина существенно зависит от величины разности между фж и начальной фазой фотохимических осцилляций, (3) эффект захвата фазы обуславливает формирование регулярного зонального распределения МГС верхней мезо-сферы и их фазы осцилляций с зональным волновым числом, близким к волновому числу атмосферной волны (4) резкие степ-образные скачки фазы вертикального ветра КДВ в меридиональном направлении приводят к появлению соответствующих скачков фазы фотохимических осцилляций, (5) в случае, когда период волны Тж существенно отличается от ТрЬ - 48 ч, возникают мультипериодические осцилляции МФХС с периодами Тр„ /¡Тр;, -Т„| и 0 5ТрЬ Ти /|трь-Т„|, (6) минимальные амплитуды волны, необходимые для возникновения указанных эффектов, оказываются заметно (~ в 10-40 раз) меньше своих максимально возможных значений в реальных условиях мезопаузы.

В § 2.5 исследовано влияние на захват фазы двух других факторов переноса средним зональным ветром и горизонтальной компонентой скорости ветра волны В данном параграфе, во-первых, показано, что наиболее существенные изменения могут возникать в результате воздействия среднего зонального ветра данный перенос приводит к равномерному движению фазовых перепадов двухсуточных осцилляций в зональном направлении со скоростью, равной скорости ветра, и, тем самым, нарушает горизонтальные распределения концентраций МГС МФХС и фаз их осцилляций, формируемые в результате воздействия вертикальной компоненты скорости ветра КДВ Во-вторых, указанное движение фазовых перепадов для любой фиксированной величины среднего зонального ветра может быть подавлено увеличением амплитуды вертикальной скорости ветра в КДВ При этом достаточные для подавления влияния горизонтального переноса значения этой амплитуды оказываются существенно меньше максимально возможных величин В-третьих, влияние зональной и меридиональной скорости ветра в КДВ приводит, главным образом, к сглаживанию резких перепадов зонально-меридионального распределения фазы двухсуточных фотохимических осцилляций, формируемых в результате воздействия вертикальной

компоненты скорости ветра КДВ, либо к появлению незначительных сдвигов (в меридиональном направлении) скачков фазы этих осцилляций.

В §2.6 проведено обсуждение возможных проявлений обнаруженных эффектов в реальных условиях мезосферы В данном параграфе отмечено, что обнаруженная синхронизация пространственных распределений двухсуточных фотохимических осцилляций и КДВ обуславливает возникновение волны фотохимического нагрева воздуха верхней мезосферы с соответствующими пространственно-временными характеристиками, что делает возможным резонансное усиление КДВ данным источником

В третьей главе исследовано влияние вертикальной адвекции и горизонтальной турбулентной диффузии на субгармонические режимы поведения мезосферной фотохимической системы

В § 3.1 представлено описание используемых моделей В первом случае применялась одномерная БДМ МФХС, учитывающая перенос вертикальной турбулентной диффузией и средним вертикальным ветром. Значения коэффициента диффузии варьировались в диапазоне (2-20) 104 см2/с, при которых в отсутствие вертикальной адвекции в районе мезопаузы могут выживать только осцилляции с периодом 2 или 4 суток, скорости вертикального ветра - в диапазоне [-2, +2] см/с (знак «+» соответствует направлению ветра снизу вверх, знак «-» - направлению сверху вниз) Во втором случае использовалась одномерная (в зональном направлении) БДМ МФХС с периодическими граничными условиями. Высота над уровнем моря, длина широтной окружности Ь и коэффициент турбулентной диффузии являлись основными управляющими параметрами Рассматривались режимы поведения МФХС с периодом, равным 2, 3 или 4 суткам, которые выбирались путем задания определенного и одинакового для всех пространственно - распределенных элементов системы значения первого из параметров (высоты) При этом основное внимание уделялось анализу влияния диффузии в окрестности резких фазовых перепады субгармонических осцилляций, поскольку, как было отмечено в § 1.3, именно в этих областях диффузионные процессы должны проявляться наиболее существенно

В § 3.2 суммированы основные результаты анализа влияния вертикальной адвекции. Показано, что учет данного переноса существенно модифицирует нелинейно-динамические свойства МФХС и, в зависимости от величины и направления скорости среднего вертикального ветра, может приводить как к подавлению нелинейных осцилляций МГС верхней мезосферы, так и к существенному усложнению спектра режимов их поведения при реальных атмосферных условиях. В частности, при значениях в диапазоне [2-7] 104 см2/с и е [-0 6,-0 2] см/с могут возникать сложные режимы поведения (в частности, трехсуточный и хаотический), которые при \у-0 оказываются подавленными вертикальной диффузией. Проведен дополнительный анализ полученных эффектов с учетом периодической компоненты

вертикальной скорости ветра, вызываемой распространением приливных волн и КДВ Получено, что при типичных амплитудах осцилляции скорости вертикального ветра в суточном и полусуточном приливах влияние этих волн проявляется лишь количественно и не приводит к заметным качественным изменениям указанных выше эффектов Основная модификация нелинейно-динамических свойств МФХС происходит за счет квазидвухсуточной компоненты вертикального ветра Присутствие этой компоненты можсг полностью компенсировать влияние среднего вертикального ветра при всех величинах его скорости в рассматриваемом диапазоне [-2, +2] см/с

В § 3 3 изложены основные результаты анализа влияния горизонтальной турбулентной диффузии Продемонстрировано, что для всех рассмотренных режимов субгармонического отклика МФХС влияние диффузии приводит к возникновению реакционно-диффузионных волн (РДВ) в виде распространяющихся фронтов и импульсов Эти волны являются волнами фазы и проявляются в равномерном (с постоянной скоростью) смещении вдоль широтного круга резких скачков начальной фазы В случае осцилля-ций с периодом 2 и 4 суток РДВ распространяются только в восточном направлении, т е против вращения Солнца. Эти волны вызываются наличием зональной неоднородности фазы ср0 (х) суточных вариаций освещенности и в искусственно заданных условиях ср0(х)нсоп51 фазовые перепады остаются неподвижными В случае осцилляции с периодом 3 суток зональная неоднородность фазы внешнего воздействия играет второстепенную роль, поэтому РДВ могут распространяться в обоих направлениях

В § 3.4 получены аналитические выражения для скоростей V обнаруженных волн Показано, что в случае осцилляции с периодом 2 и 4 суток

У~ВХХ/Ь В случае осцилляций с периодом 3 суток V = л/20„ /Т ± / Ь ,

где Т-период осцилляций, знак плюс соответствует восточному направлению распространения, минус - западному При характерных значениях основных параметров (Охх и Ь) скорости РДВ могут достигать -(100-300) км/сутки

В § 3.5 пояснены основные отличия РДВ в МФХС от случая «классических» РДВ, возникающих в мультистабильных системах, а так же на примере фазовых фронтов двухсуточных осцилляций проведен анализ возможности регистрации атмосферных РДВ в реальных условиях мезосферы

Четвертая глава посвящена развитию, на примере БДМ МФХС, методов применения базовых динамических моделей для восстановления по экспериментальным данным вертикальных распределений характеристик атмосферы, не измеряемых непосредственно, и применению этих методов для восстановления вертикальных распределений концентраций химических компонент мезосферы по результатам одновременных измерений распределений озона и т идроксила

В § 4.1 изложены результаты применения блока алгебраических уравнений БДМ МФХС для обработки данных кампании CRISTA-MAHRSI Во время проведения второй спутниковой кампании CRISTA - MAHRSI в период с 8 по 16 августа 1997 года были произведены одновременные измерения вертикальных распределений температуры, концентрации воздуха и двух химических компонент МФХС - ОН и Оз - в широком диапазоне широт, высот и локальных значений времен [13-14] Как уже отмечалось в первой главе (§ 1 5), этой информации оказывается достаточно, чтобы, используя уравнения для быстрых переменных БДМ МФХС, определять вертикальные распределения концентрации Н, О, НОх и Н02 В данном параграфе в качестве примера представлена восстановленная дневная эволюция вертикального распределения концентраций этих компонент на 60-63°N, 355-360°N

В § 4.2 описана процедура восстановления вертикального распределения концентрации паров воды H20(z), основанная на использовании системы дифференциальных уравнений БДМ МФХС. Данная процедура является итерационной Исходной информацией для ее запуска являются две пары распределений {Ora(z), HOxm(z)} и {Ocnd(z), НО* (z)}, которые предварительно восстановлены из данных CRISTA-MAHRSI, измеренных в течение одного светового дня (в моменты локального времени tm < 10 ч и tend > 12 ч) и отвечающих близким значениям горизонтальных координат (долготы и широты) Конечная цель процедуры восстановления H20(z) заключается в отыскании такого профиля данного параметра МФХС, при котором распределения динамических переменных O(z) и HO*(z), получаемые в результате расчета конечно-временной эволюции БДМ с начальными условиями 0Ln(z) и HOxm(z) в момент времени t^d оказываются максимально близки распределениям Oend(z) и HOxcnd(z) Предложенный подход протестирован на многочисленных модельных примерах с помощью полной модели МФХС. Данная модель выступала в роли «поставщика» предполагаемых экспериментальных данных Показано, что восстановленные распределения концентрации паров воды хорошо воспроизводят исходные модельные («правильные») распределения как качественно, так и количественно вплоть до высот 85-87 км

В § 4.3 изложены результаты применения указанной процедуры к данным CRISTA-MAHRSI В этом параграфе представлены 4 профиля H20(z), полученные из данных, измеренных 13 08 1997 и 15 08 1997 на (60-63°N, 355-360°W), (63-65°N, 225-230°W), (69-71°N, 60-65°W) и (66-68°N, 141-148°W), и проведено их сравнение с данными спутниковых измерений HALOE Отмечено, во-первых, что наличие двух максимумов в восстановленных распределениях H20(z) на 73 и 81 км, как качественно, так и количественно хорошо соответствует результатам измерений HALOE Во-вторых, ниже примерно 65-70 км восстановленные значения концентрации Н20 оказываются заметно меньше, чем данные HALOE Проведен анализ возможных причин данного несоответствия и на основании его результатов

сделан вывод, что на этих высотах используемые для восстановления Н20(г) данные спутниковых измерений концентрации ОН (МАКНБ!) загашены относительно их реальных значений.

В § 4.4 проведен критический анализ метода восстановления концентрации Н20 по данным С1ИБТА-МАН1181, предложенного в работе [15]. Данный метод основан на предположении о фотохимическом равновесии между концентрациями Н20 и ОН, которое, по мнению авторов [15], является хорошим приближением для описания соотношения между этими компонентами вплоть до высоты 86 км В последующей работе [16] тот же подход был применен для восстановления пространственного распределения концентрации Н20 на широтах 50-71°М и анализа корреляций между возникновением полярных мезосферных облаков и степенью насыщенности воздуха водяными парами на высотах 80-86 км В результате такого анализа было, в частности, получено, что полярные мезосферные облака могут существовать в условиях, когда восстановленные авторами работ [16] концентрации Н20 были заметно меньше, чем концентрации насыщенного водяного пара

В данном параграфе показано, что условие фотохимического равновесия между концентрациями Н20 и ОН является плохим приближением для восстановления концентрации Н20 выше 75-80 км Это означает, что весьма вероятной причиной полученных в работе [16] неожиданных результатов (возникновение полярных мезосферных облаков в ненасыщенном водой воздухе) может быть применение некорректного (для этих высот) метода восстановления концентрации Н20

В § 4.5 данные кампании СШ5ТА-МАН1181 сравниваются с полученной в результате аналитического анализа алгебраических уравнений БДМ МФХС функциональной связью концентраций ОН и О г Показано, что в мезосфере и нижней термосфере справедливо предельное соотношение между' значениями концентраций ОН и 03, зависящее от высоты Установлено, что данные CR.ISTA-MAHR.SI удовлетворяют этому соотношению вплоть до высоты 87 км, а в вышележащей области имеется существенное расхождение между теорией и экспериментом

В заключении приводятся положения, выносимые на защиту, дается список публикаций по теме диссертации и перечень цитируемой литературы

Основные положения, выносимые на защиту

1 Воздействие квазидвухсут очной атмосферной волны на двухсуточные фотохимические осцилляции в области мезопаузы приводит к формированию регулярного в горизонтальном направлении распределения концентраций МГС в верхней мезосферс с зональным волновым числом, близким к волновому числу атмосферной волны Основным механизмом такого воздействия является периодический перенос малых газовых составляющих вертикальной компонентой скорости ветра в волне, приводящий к захвату фазы фотохимических осцилляций фазой осцилляций ветра в волне Данный эффект является пороговым по амплитуде волны, причем в условиях мезопаузы пороговые значения амплитуды оказываются заметно меньше максимальных их зарегистрированных значений

2 В атмосфере Земли может возбуждаться новый тип волн, представляющих собой фронты или импульсы фазы нелинейных фотохимических осцилляций концентраций малых газовых составляющих, распространяющихся вдоль широтного круга в области мезопаузы Возникновение волн обусловлено особыми нелинейными свойствами мезосферной фотохимии и имеющим место в этой области атмосферы высоким уровнем волновой турбулентности В случае осцилляций с периодами двое и четверо суток скорость распространения данных воль прямо пропорциональна величинам коэффициента горизонтальной турбулентной диффузии и градиента зональной неоднородности фазы суточных вариаций освещенности

3 В реальных атмосферных условиях могуг наблюдаться сложные нелинейные режимы поведения концентраций малых газовых составляющих верхней мезосферы (мультипериодические и хаотические осцилляции) Тип возникающих осцилляций существенно зависит от постоянной компоненты вертикального ветра, которая модифицирует нелинейно-динамические свойства мезосферной фотохимической системы и, в зависимости от величины и направления его скорости, может приводить как к подавлению нелинейных осцилляций концентраций малых газовых составляющих верхней мезосферы, так и к обогащению спектра режимов их поведения

4 Базовая динамическая модель мезосферной фотохимической системы является эффективным инструментом для извлечения дополнительной информации о малых газовых составляющих мезосферы из доступных экспериментальных данных и позволяет значительно увеличить информативность результатов наблюдений Применение данной модели к результатам одновременных измерений концентраций озона и гидроксила, проведенных в рамках спутниковых экспериментов СШЯТА-МАНКЗТ, делает возможным восстановление вертикальных распределений концентраций еще четырех ключевых химических компонент мезосферы - атомарных кислорода и водорода, а также гидропероксида и паров воды

5 В мезосфере и нижней термосфере справедливо предельное соотношение между значениями концентраций ОН и 03, зависящее от высоты

Данные CRISTA-MAHRSI удовлетворяют этому соотношению вплоть до

высоты 87 км, а в вышележащей области имеется существенное расхождение между теорией и экспериментом

Список цитированной литературы

1 Feigin А М and Konovalov IB On the possibility of complicated dynamic behavior of atmospheric photochemical systems Instability of the Antarctic photochemistry during the ozone hole formation II J Geophys Res 101, P 26 023-26 038, 1996

2 Feigin A M , Konovalov IВ , Molkov Ya I Towards understanding nonlinear nature of atmospheric photochemistry Essential dynamic model of the mesospheric photochemical system II J Geophys Res , 103, 25447-25460, 1998

3 Konovalov IВ , Feigin A.M , Mukhma A Y Toward an understanding of the nonlinear nature of atmospheric photochemistry Multiple equilibrium states in the high-latitude lower stratospheric photochemical system // J Geophys Res, 104, 8669-8689,1999

4 Konovalov I В , Feigin A M Towards an understanding of the non-linear nature of atmosphenc photochemistry origin of the complicated dynamic behavior of the mesospheric photochemical system // Nonlinear Processes in Geophysics, 7, 87-104, 2000

5 Фейгин A M Нелинейные дипаимческие модели атмосферных фотохимических систем методы построения и анализа (обзор) // Известия РАН ФАО, 38,513-554,2002

6 Sonnemann G and Fichtelmann В Enforced oscillations and resonances due to internal non-linear processes of photochemical system in the atmosphei eH Acta Geod Geophys Mont Hung , 22,301-311, 1987.

7 Fichtelmann В , Sonnemann G Non-linear behaviour in the photochemistry of minor constituents in the upper mesosphere II Ann Geophys 10, 719728,1992

8 Sonnemann G and Fichtelmann В Subharmonics, cascades of period of doubling and chaotic behavior of photochemistry of the mesopause region IIJ Geophys Res, 101,1193-1203,1997

9 Sonnemann G , Feigin A M , Molkov Ya I On the influence of diffusion upon the nonlinear behaviour of the photochemistry of the mesopause region //J Geophys Res , 104, 30591-30603, 1999.

10 Sonnemann G , Feigm AM Non-linear behaviour of a reaction-diffusion system of the photochemistry within the mesopause region II Phys Rev E 59, 1719-1726, 1999

11 Sonnemann G , Feigm A M Non-linear response of the upper mesospheric photochemical system under action of diffusion II Adv Space R.es 24, 557560 1999

12 Lubken F J Seasonal variation of turbulent energy dissipation rates at high latitudes as determined by in situ measurements of neutral density fluctuations 111 Geophys. Res 102(D), 13441-13456,1997

13 Grossmann KU, OfFermann D, Gusev O, Oberheide J, Riese M, Spang R The CRISTA-2 mission H J Geophys Res 2002 V 107 art no -8173

14 Conway R R, Summers M E , Stevens M H , Cardon J G , Preusse P , Offermann D Satellite observations of upper stratospheric and mesospheric OH The HOx dilemma И Geophys Res Lett. 2000. V 27 P 2613-2616

15 Summers M E , Conway R R, Englert С R, Siskind D E , Stevens M H, Russell J M , Gordley L L., McHugh M J Discovery of a water vapor layer in the Arctic summer mesosphere Implications for polar mesospheric clouds II Geoph Res Lett 2001 V 28 P 3601-3604

16 Stevens MH, Conway RR, Englert CR, Summers ME, Grossmann К U, Gusev О A PMCs and the water fiost point in the Arctic summer mesosphere II Geoph Res Lett 2001 V 28 P 4449-4452

Список публикаций автора по теме диссертации

1 * Куликов М Ю , Фейгин А М , Зоннеманн Г.Р Восстановление по экспериментальным данным пространственно-временных

зависимостей концентраций малых газовых составляющих, не измеряемых непосредственно // Труды 7-ой Всероссийской конференции "Малые примеси, атмосферное электричество и динамические процессы в атмосфере", Нижний Новгород, стр 103-111 2003

2* Куликов М Ю Влияние квазидвухсуточной атмосферной волны на пространственно — временную эволюцию малых газовых составляющих в районе мезопаузы И Труды 7-ой Всероссийской конференции "Малые примеси, атмосферное электричество и динамические процессы в атмосфере", Нижний Новгород, стр 112-119, 2003

3* Куликов М Ю, Фейгин А М Исследование динамических и фотохимических процессов в мезосфере — нижней термосфере И Труды совещания по программе фундаментальных исследований ОФН РАН "Физика атмосферы электрические процессы, радиофизические методы исследований", стр 30-32, 2003

4* Куликов М10, Фейгин А М Реакционно-диффузионные волны в мезосферной фотохимической системе с учетов горизонтальной турбулентной диффузии И Тезисы 9-ой Всероссийской школы-семинара "Волны - 2004", Москва, 40,2004

5* Куликов М Ю, Фейгин А М, Зоннеманн Г Р Определение вертикального распределения паров воды в мезосфере по одновременным измерениям распределений озона и гидрокешга

// Сборник тезисов 8-ой Всероссийской конференции молодых ученых «Состав атмосферы и электрические процессы», Москва, 39, 2004 6* Куликов М Ю Формирование когерентных пространственных структур в реакционно-диффузионной атмосферной системе под действием планетарной вои>ы // Известия ВУЗов Радиофизика, том 47, № 9, 739-752, 2004 7* Kulikov MYu, Feigm AM , Sonnemann GR Retrieval of water vapor profile in the mesosphei e from satellite ozone and hydroxyl measurements by the basic dynamic model of mesospheric photochemical system И Abstracts of 35th COSPAR Scientific Assembly, Paris, France, 18-25 July 2004 Paper-number C2 1-0077-04 8* Куликов M Ю, Фейгин A M Реакционно-диффузионные волны в мезосферной фотохимической системе с учетом горизонтальной турбулентной диффузии И Известия РАН Серия физическая, том 68, № 12, 1796-1803,2004 9* Kuhkov М Yu, Feigm А М Reactive-diffusion -naves in the Earth's mesosphei e II EGU-2005, Vienna, 24-29 April 2005 Geophysical Research Abstracts, Vol 7, P 00720, 2005 10* Куликов M Ю , Фейгин A M , Рыскин В Г Исследование динамических и фотохимических процессов в мезосфере - нижней термосфере // Труды совещания по программе фундаментальных исследований ОФН РАН "Физика атмосферы электрические процессы, радиофизические методы исследований", стр 69-75, 2005 11 * Kulikov М Yu , Feigin А М Reactive-diffusion waves in the mesospheric photochemical system II Journal of Advanced Space Research, 35(11), 19921998,2005

12* Kuhkov M Yu The formation of spatially coherent structures in the reactive-diffusion atmosphei ic system by the planctaiy wave II Proceedings of International Symposium "Topical problems of nonlinear wave physics", 2-9 August, 2005, St -Peterburg - Niznliy Novgorod, Plenary Talks, Workshops, 38-39, 2005 13* Kulikov MYu, Feigm AM Possible manifestation of chemical nonlmearity in the Earth's atmosphere reactive-diffusion waves in mesopause region II Proceedings of International Symposium "Topical problems of nonlinear wave physics", 2-9 August, 2005, St.-Peterburg-Niznhy Novgorod, NWP-3, 40-41, 2005 14* Kuhkov M Yu Theoretical investigation of the influence of a quasi 2-day wave on nonlinear photochemical oscillations in the mesopause region II Препринт ИПФРАН № 696, 2006,32 стр 15* Куликов МЮ, Фейгин AM, Зоннеманн ГР Восстановление вертикальных распределений концентраций химических компонент мезосферы по результатам ооновременных измерений распределений озона и гидроксила // Препринт ИПФ РАН № 699, 2006,31 стр

16* Куликов MIO, Фейгин AM О корректности применения условия фотохимического равновесия концентрации гидроксгта в мезосфсре для восстановления распределения концентрации паров воды по данным спутниковых измерений озона и гидроксгта II Тезисы докладов 10-ой Всероссийской конференции молодых ученых «Состав атмосферы и электрические процессы», Москва, 54,2006 17* Фейгин А М, Куликов М.Ю Нелинейные динамические процессы в мезосфере новые эффекты и возможности их регистрации И Тезисы докладов 10-ой Всероссийской конференции молодых ученых «Состав атмосферы и электрические процессы», Москва, 50,2006 18* Куликов МЮ, Фейгин AM, Зоннеманн ГР Восстановление вертикальных распределений концентраций химических компонент мезосферы по результатам одновременных измерений распределений озона и гидроксила // Известия ВУЗов Радиофизика, том 49, № 9, 760769,2006

19* Куликов М Ю, Гаштури А П Влияние вертикальной адвекции на нелинейно-динамические свойства фотохимии верхней мезосферы II Известия ВУЗов Радиофизика, том 49, X® 12,1043-1050,2006 20* Kulikov М Yu Theoretical investigation of the influence of a quasi 2-day wave on nonlinear photochemical oscillations in the mesopause region H Journal of Geophysical Research, 112, D02305, doi 10 1029/2005JD006845, 2007.

Оглавление диссертации

Введение ... . ........... .3

1. Мезосфернаи фотохимическая система, ее нелинейно-динамические свойства и базовая динамическая модель ... . 14

1 1 Описание МФХС . ... 14

1 2 Нелинейно-динамические свойства МФХС

на высотах области мезопаузы . . . 16

1 3 Свойства субгармонических осцилляций

в районе мезопаузы ... ... . 21

1 4 Метод построения базовых динамических моделей

атмосферных ФХС и описание БДМ МФХС 23

1 5 Анализ корректности системы алгебраических

уравнений БДМ МФХС . ... 28

2. Воздействие квазидвухсуточной атмосферной волны

на фотохимические осцилляции с периодом двое суток . 31

2 1 Квазндвухсуточная атмосферная волна . 31 2 2 Качественный анализ влияния КДВ на двухсуточные

осцилляции выделение основных механизмов . 32

2 3. Описание используемой модели. .... 37

2.4 Влияние периодического вертикального переноса . . 40

2 5 Влияние горизонтального переноса ... 49

2 6 О возможной роли фотохимических осцилляций

с периодом двое суток в механизме усиления летних КДВ . 56

3. Влияние вертикальной адвекции и горизонтальной турбулентной диффузии на субгармонические режимы поведения мезосферной фотохимической системы .. . . . . 59

3 1 Описание используемых моделей .............59

3 2 Влияние вертикальной адвекции .. .. .. ..61

3 3. Реакционно-диффузионные волны ... ..68

3 4 Скорости реакционно-диффузионных волн .... 72

3 5 Особенности механизма возникновения

реакционно-диффузионных волн в мезосферной

фотохимической системе....... . 74

4. Восстановление вертикальных распределений концентраций химических компонент мезосферы по результатам одновременных измерений распределений озона и гидроксила . 79

4.1 Восстановление концетраций Н, Н02, НОх и О

из данных кампании CRISTA - MAHRSI...... 79

4.2. Процедура восстановления концентрации паров воды ... 81

4.3 Восстановление H20(z) по данным CRISTA-MAHRSI......88

4.4 О корректности применения условий фотохимического равновесия концентрации гидроксила для восстановления распределения концентрации паров воды..... . .93

4 5 Несоответствие теоретических представлений результатам

измерений на высотах выше 87 км .. .... . 101

4 6 Приложение 1 . .... 104

Заключение . . . ....... 105

Список работ по теме диссертации .. . . . 107

Список цитированной литературы . . . .110

Михаил Юрьевич Куликов

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В МЕЗОСФЕРЕ ЗЕМЛИ С ПОМОЩЬЮ БАЗОВЫХ ДИНАМИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Автореферат

Подписано к печати 25 04 2007 г Формат 60 х 90 '/к. Бумага офсетная № 1 Уел печ л 1,5 Тираж!00экз Заказ№56(2007)

Отпечатано в типографии Института прикладной физики РАН, 603950 II Новгород, >л Ульянова, 46

Содержание диссертации, кандидата физико-математических наук, Куликов, Михаил Юрьевич

Введение

1. Мезосферная фотохимическая система, ее нелинейно-динамические свойства и базовая динамическая модель

1.1. Описание МФХС

1.2. Нелинейно-динамические свойства МФХС на высотах области мезопаузы

1.3. Свойства субгармонических осцилляций в районе мезопаузы

1.4. Метод построения базовых динамических моделей атмосферных ФХС и описание Б ДМ МФХС

1.5. Анализ корректности системы алгебраических уравнений БДМ МФХС

2. Воздействие квазидвухсуточной атмосферной волны на фотохимические осцилляции с периодом двое суток

2.1. Квазидвухсуточная атмосферная волна

2.2. Качественный анализ влияния КДВ на двухсуточные осцилляции: выделение основных механизмов

2.3. Описание используемой модели

2.4. Влияние периодического вертикального переноса

2.5. Влияние горизонтального переноса

2.6. О возможной роли фотохимических осцилляций с периодом двое суток в механизме усиления летних КДВ

3. Влияние вертикальной адвекции и горизонтальной турбулентной диффузии на субгармонические режимы поведения мезосферной фотохимической системы

3.1. Описание используемых моделей

3.2. Влияние вертикальной адвекции

3.3. Реакционно-диффузионные волны

3.4. Скорости реакционно-диффузионных волн

3.5. Особенности механизма возникновения реакционно-диффузионных волн в мезосферной фотохимической системе

4. Восстановление вертикальных распределений концентраций химических компонент мезосферы по результатам одновременных измерений распределений озона и гидроксила

4.1. Восстановление концентраций Н, НО2, НОх и О из данных кампании CRISTA -MAHRSI

4.2. Процедура восстановления концентрации паров воды

4.3. Восстановление H20(z) по данным CRISTA-MAHRSI

4.4. О корректности применения условий фотохимического равновесия концентрации гидроксила для восстановления распределения концентрации паров воды

4.5. Несоответствие теоретических представлений результатам измерений на высотах выше 87 км

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследование фотохимических процессов в мезосфере Земли с помощью базовых динамических моделей"

Изучение эволюции малых газовых составляющих (МГС) традиционно считается одной из основных задач в исследовании атмосферы Земли. Эволюция МГС управляется фотохимическими процессами, которые, являясь одним из основных источников нагрева воздуха в средней атмосфере, оказывают влияние на большинство атмосферных параметров и обуславливают один из ключевых механизмов антропогенного воздействия на процессы, протекающие в различных областях атмосферы (озонные дыры, парниковый эффект, увеличение концентрации озона в приземного слое и др.). В свою очередь, фотохимия подвержена влиянию всех типов атмосферного переноса, чувствительна к температуре, солнечной активности и другим атмосферным факторам. Поэтому исследование эволюции МГС является важной составляющей анализа возможных изменений состояния всей земной атмосферы.

Экспериментальное наблюдение за МГС атмосферы производится с помощью двух групп методов: контактных и дистанционных. Контактные измерения осуществляются посредством самолетов, зондов, стратостатов или ракет и, как правило, обеспечивают более высокую точность измерений. При этом они имеют существенные ограничения по высоте (примерно 25 км для самолетов и зондов и 45-50 км для стратостатов) либо, как в случае ракетных измерений, оказываются весьма дорогостоящими и производятся эпизодически. Дистанционные методы позволяют зондировать атмосферу в существенно большем диапазоне высот, однако для них существует проблема точности измерений, поскольку эти методы оперируют с интегральным сигналом, который формируется излучением, приходящим, как правило, из широкого диапазона высот и почти всегда сильно зашумленным. Поэтому, несмотря на многократный рост объема данных наблюдений за эволюцией МГС в последние годы (прежде всего, за счет спутниковых наблюдений), число доступных прямым и регулярным измерениям МГС по-прежнему невелико. Естественный выход в такой ситуации - привлечение математических моделей1 атмосферных фотохимических систем, которые к настоящему моменту созданы и в значительной степени верифицированы для большинства областей земной атмосферы. Основными задачами для данных моделей являются, во-первых, удовлетворительное воспроизведение наблюдаемого поведения интересующих нас МГС атмосферы, во-вторых, извлечение информации о плохо измеряемых компонентах из имеющихся экспериментальных данных. В последнем случае

1 Системы уравнений химической кинетики для концентраций МГС, учитывающие процессы переноса 3 математические модели используются для отыскания априорных связей между измеряемыми непосредственно и восстанавливаемыми характеристиками. Отметим, что такой подход к обработке измеряемых данных может значительно (в разы) увеличивать информативность результатов экспериментальных кампаний по исследованию атмосферы. Серьезным препятствием широкому применению атмосферных фотохимических моделей в указанных целях является их высокая размерность: почти всегда в состав таких систем входит несколько десятков и более реагирующих между собой химических компонент, а эволюция этих систем зависит от большого числа параметров.

В работах [1-6] было показано, что исследование эволюции атмосферных фотохимических систем наиболее удобно проводить с помощью математически корректно упрощенных моделей (ниже, следуя работе [1], будем называть их базовыми динамическими моделями). Базовые динамические модели (БДМ) сохраняют в интересующей области значений параметров основные качественные и количественные свойства "полной" системы, но включают при этом минимально возможное число динамических переменных, описываемых дифференциальными уравнениями, и максимально возможное число переменных, описываемых локальными во времени и пространстве соотношениями. Такие модели предназначались первоначально и были успешно использованы для анализа нелинейно-динамических свойств атмосферной фотохимии, обусловленных чисто химическими механизмами (без учета пространственных связей) [1-6]. Нетрудно, однако, понять, что указанные «врожденные» особенности БДМ позволяют существенно снижать время компьютерных расчетов в случае применения этих моделей при многомерном пространственном моделировании с учетом реальных процессов атмосферного переноса, а так же делают БДМ чрезвычайно эффективным инструментом для извлечения дополнительной информации из экспериментальных данных. В данной работе базовые динамические модели привлекаются для исследования фотохимических процессов в мезосфере Земли.

Мезосферой принято называть часть земной атмосферы в диапазоне высот 50-90 км, которая расположена, как и все другие слои атмосферы Земли, между соседними экстремумами вертикального распределения температуры воздуха. Нижний экстремум (максимум температуры) является границей мезосферы и стратосферы которая, в частности, включает в себя основную часть озонового слоя Земли. Верхний экстремум (минимум температуры) отделяет мезосферу от более теплой термосферы, в которой температура быстро растет с ростом высоты и, в зависимости от уровня солнечной активности, может достигать от 500 до 2000К [7]. Несмотря на то, что концентрация воздуха в мезосфере примерно в

10^-10° меньше, чем вблизи земной поверхности, его (воздуха) основными составляющими, как и в нижележащих областях атмосферы, являются молекулярные азот и кислород. Средняя молярная масса воздуха в мезосфере слабо меняется с высотой, причем отношение концентраций N2 и Ог оказывается примерно таким же, как в приземном слое.

Отличительной чертой мезосферы является наличие отрицательного меридионального градиента температуры между летним и зимним полушариями: температура средней и верхней мезосферы зимой в среднем значительно (на несколько десятков градусов) превышает летнюю температуру [7]. Более того, в верхней части мезосферы - в области мезопаузы (80-90 км) - температура воздуха достигает своих наименьших в земной л атмосфере значений (примерно 130-140К и ниже ), которые регистрируются на средних и высоких широтах в летнее время года. Отметим, что при таких низких температурах происходит формирование самых высотных облаков на Земле - так называемых полярных мезосферных облаков3, чьи частицы, как принято считать, состоят преимущественно изо льда и образуются путем сублимации водяного пара [9].

Мезосфера характеризуются большим разнообразием наблюдаемых процессов переноса. Кроме среднего зонального ветра, чьи скорости на мезосферных высотах достигают своих максимальных для нижней и средней атмосферы значений (до 100 м/с), особенно заметны и важны волновые движения различных пространственно-временных масштабов, в том числе генерируемые тропосферными и стратосферными источниками [7, 10]. В частности, существенную роль в динамике мезосферы играют внутренние гравитационные волны с характерными периодами порядка нескольких десятков минут и длинами волн в горизонтальном направлении порядка несколько десятков километров. Эти волны возникают в тропосфере за счет различных механизмов, включая взаимодействие воздушных потоков с элементами подстилающей поверхности. Распространение гравитационной волны в вышележащих слоях атмосферы сопровождается значительным увеличением ее амплитуды (вследствие уменьшения плотности воздуха), так что на мезосферных высотах градиент температуры воздуха с учетом волнового возмущения может достигать сверхадиабатичных значений. В результате волна становиться неустойчивой и разрушается, что порождает сильную турбулентность [7, 11]. Считается, что турбулентность приводит к существенной модификации пространственного распределения средних

2 Во время международной ракетно-радарной кампании >1ЬС-91 были зарегистрированы температуры ниже 100К [8].

3 Существуют еще два названия: серебристые облака и ночные светящиеся облака. 5 зональных ветров и возникновению быстрых вертикальных движений воздуха в средней и верхней мезосфере, вследствие которых происходит заметное адиабатическое охлаждение в летнем полушарии и нагревание в зимнем. Таким образом, именно с процессами, вызванными разрушением внутренних гравитационных волн, связывается наличие наблюдаемого отрицательного меридионального градиента температуры между этими полушариями. Кроме того, разрушение внутренних гравитационных волн приводит к возникновению турбулентной диффузии, которая, несмотря на сильную разреженность воздуха на мезосферных высотах, оказывается существенно более важным процессом переноса, чем молекулярная диффузия. Эта диффузия является анизотропной относительно направления перемешивания, вследствие чего коэффициент вертикальной диффузии примерно в 103 - 104 раз меньше коэффициента горизонтальной диффузии [12]. Кроме высокочастотных и ультракоротких гравитационных волн, в мезосфере наблюдается широкий спектр низкочастотных волн (с характерными периодами до десяти и более суток) и планетарными пространственными масштабами. Наиболее заметные из них (в смысле величин амплитуд флуктуаций температуры, зональной и меридиональной компонент скорости ветра) - суточный и полусуточный приливы с зональными волновыми числами 1 и 2 соответственно, а также квазидвухсуточная волна с волновым числом, равным в большинстве случаев трем. Механизм генерации приливов, в принципе, известен (см., например, [10]). Суточный прилив возбуждается суточной вариацией поглощения солнечного излучения водяным паром в тропосфере и озоном - в стратосфере. Возникновение полусуточной приливной волны связано с наличием высших гармоник в дневном поглощении солнечного излучения стратосферным озоном. В отношении же квазидвухсуточной волны можно сказать (см., например, [5]), что в настоящее время не существует теории, позволяющей удовлетворительно объяснить все основные наблюдаемые особенности этого явления.

Одним из интригующих свойств фотохимии мезосферы является возможность нелинейного отклика этой системы на суточные вариации освещенности. В работах [2, 4, 1315] с помощью нуль - мерных моделей было показано, что на высотах области мезопаузы возможен широкий спектр периодических (субгармонических - с периодами 2, 3, 4 и т.д. суток) и хаотических режимов поведения концентраций малых газовых составляющих. Отметим, что суточные вариации освещенности являются ключевым механизмом воздействия Солнца на химические процессы во всей атмосфере. Однако, на сегодняшний день неизвестны какие-либо другие атмосферные фотохимические системы, которые обладают подобными нелинейно-динамическими свойствами. Кроме того, интерес к нелинейным осцилляциям в районе мезопаузы продиктован возможностью их проявления в поведении основных параметров верхней мезосферы и в процессах генерации атмосферных волн. Дело в том, что экзотермические реакции между химическими составляющими, входящими в состав мезосферной фотохимической системы, обеспечивают основной фотохимический нагрев воздуха мезосферы и на высотах области нелинейного отклика скорость притока тепла за счет данных процессов составляет несколько градусов в сутки [16]. Поэтому нетривиальное поведение малых газовых составляющих в условиях верхней мезосферы может существенно проявляться в изменчивости температуры воздуха данной области. В частности, хаотические осцилляции должны приводить к возникновению хаотической {нерегулярной) составляющей в зависимости от времени температуры воздуха. Кроме того, присутствие в спектре фотохимического нагрева воздуха гармонической компоненты с периодом двое суток позволяет предположить существование связи между фотохимическими осцилляциями с периодом двое суток и возбуждением квазидвухсуточных волн. Заметим также, что поскольку данные процессы характеризуются примерно одинаковыми временными масштабами, можно ожидать, что воздействие квазидвухсуточной волны на область нелинейного отклика посредством локальной модуляции параметров фотохимии и через периодический перенос малых газовых составляющих волновой компонентой ветра может существенно влиять на динамику малых газовых составляющих в этой области атмосферы. Для того, чтобы говорить более определенно о возникновении данных явлений в реальных условиях мезосферы, необходимо провести детальный анализ нелинейно-динамических свойств мезосферной фотохимической системы не только с учетом квазидвухсуточной волны, но и других наиболее существенных типов атмосферного переноса. Исследования, проведенные в предшествующих диссертации работах, не позволяют дать исчерпывающий ответ на данный вопрос, поскольку в них рассмотрен далеко неполный спектр процессов переноса, которые потенциально могут воздействовать на динамику мезосферной фотохимической системы. В частности, в работах [16-18] исследовано влияние вертикальной турбулентной диффузии. Было показано, что учет этого типа переноса приводит к существенному обеднению спектра возможных режимов поведения мезосферной фотохимической системы. Оказалось, что при реально наблюдаемых летом значениях коэффициента вертикальной диффузии в районе мезопаузы могут "выживать" режимы с периодом двое и четверо суток, а в зимних условиях нелинейный отклик оказывается полностью подавленным. В работе [19] исследовано влияние переноса средним зональным ветром. Было показано, что движение ячейки воздуха вдоль параллелей приводит к доплеровскому сдвигу периода суточных вариаций освещенности, что проявляется в периоде нелинейных фотохимических осцилляции, который в соответствие с величиной скорости зонального ветра может меняться на несколько часов.

Первой целью данной диссертации является анализ влияния не учитываемых ранее типов атмосферного переноса на динамику мезосферной фотохимической системы. Для достижения поставленной цели с помощью базовых динамических моделей мезосферной фотохимии были решены следующие задачи:

1) исследовано воздействие квазидвухсуточной атмосферной волны заданной амплитуды на двухсуточные фотохимические осцилляции в районе мезопаузы;

2) проведен анализ субгармонических режимов поведения мезосферной фотохимической системы с учетом вертикальной адвекции (перенос постоянной компонентой вертикальной скорости ветра) и горизонтальной турбулентной диффузии.

Второй целью данной диссертации является развитие методов применения базовых динамических моделей для восстановления по экспериментальным данным вертикальных распределений характеристик атмосферы, не измеряемых непосредственно. Для продвижения в данном направлении в диссертации рассмотрены следующие задачи:

1) проведен анализ возможностей БДМ мезосферной ФХС по восстановлению концентраций ряда малых газовых составляющих мезосферы и вертикальных профилей управляющих параметров данной ФХС, не измеряемых непосредственно, и разработаны соответствующие методы восстановления;

2) разработанные методы использованы для восстановления вертикальных распределений концентраций ключевых химических компонент мезосферы - атомарных кислорода и водорода, а также гидропероксида и паров воды по одновременным измерениям вертикальных распределений концентраций озона и гидроксила, проведенных в рамках спутниковых экспериментов СШ8ТА-МАШ81.

Основные результаты диссертации состоят в следующем:

1. Путем аналитического исследования и численного моделирования показано, что наиболее существенным механизмом воздействия квазидвухсуточной атмосферной волны на двухсуточные фотохимические осцилляции в районе мезопаузы является периодический перенос малых газовых составляющих вертикальной компонентой скорости ветра в волне. Данный механизм приводит к захвату фазы фотохимических осцилляций фазой осцилляций ветра и, тем самым, обуславливает формирование регулярного горизонтального распределения МГС верхней мезосферы с зональным волновым числом, близким к волновому числу атмосферной волны. Минимальные амплитуды волны, необходимые для возникновения указанных эффектов, оказываются заметно меньше своих максимально возможных значений в реальных условиях мезопаузы.

2. В результате проведенного численного моделирования обнаружено, что влияние горизонтальной турбулентной диффузии на субгармонические фотохимические осцилляции в районе мезопаузы приводит к формированию реакционно-диффузионных волн в виде бегущих в зональном направлении фронтов и импульсов фазы этих осцилляции. Показано, что в случае осцилляций с периодами двое и четверо суток скорость распространения данных волн прямо пропорциональна величинам коэффициента горизонтальной диффузии и градиента зональной неоднородности фазы суточных вариаций освещенности.

3. Путем численного моделирования показано, что учет вертикальной адвекции существенно модифицирует нелинейно-динамические свойства мезосферной фотохимической системы и, в зависимости от величины и направления скорости среднего вертикального ветра, может приводить как к подавлению нелинейных осцилляций малых газовых составляющих верхней мезосферы, так и к существенному усложнению спектра режимов их поведения. При реально возможных значениях коэффициента вертикальной турбулентной диффузии и скорости вертикального ветра могут возникать сложные режимы поведения (в частности, трехсуточный и хаотический), которые без учета вертикальной адвекции оказываются подавленными вертикальной диффузией.

4. Предложен метод восстановления концентраций ряда малых газовых составляющих мезосферы, не измеряемых непосредственно, по экспериментальным данным. Метод применен для обработки результатов одновременных измерений концентраций озона и гидроксила, проведенных в рамках спутниковых экспериментов СШ8ТА-МАН1181, что позволило восстановить вертикальные распределения концентраций еще четырех ключевых химических компонент мезосферы - атомарных кислорода и водорода, а также гидропероксида и паров воды. Показано, что в мезосфере и нижней термосфере справедливо предельное соотношение между значениями концентраций ОН и Оз, зависящее от высоты. Установлено, что данные CR.ISTA-MAHR.SI удовлетворяют этому соотношению вплоть до высоты 87 км, а в вышележащей области имеется существенное расхождение между теорией и экспериментом.

Научная и практическая ценность. Теоретическое и практическое значение проведенных исследований состоит в следующем.

Во-первых, обнаруженная синхронизация пространственных распределений двухсуточных фотохимических осцилляций и квазидвухсуточной атмосферной волны делает возможным резонансное усиление данной атмосферной волны за счет соответствующего фотохимического нагрева воздуха. Таким образом, полученные результаты являются теоретической основой высказанного в предшествующих работах [14-16] предположения о возможной связи между возникновением в области мезопаузы нелинейных фотохимических осцилляций и наблюдаемым (в летний период) резким усилением квазидвухсуточной волны.

Во-вторых, обнаружен новый для нелинейной динамики тип реакционно-диффузионных волн, возникающих в цепочке диффузионно-связанных вынужденных нелинейных осцилляторов, находящихся в режиме субгармонического нелинейного отклика на внешнее периодическое воздействие. Эти волны имеют целый ряд отличий от «классических» волн, возникающих в мультистабильных системах. Обнаруженные волны вызываются пространственной неоднородностью фазы внешнего воздействия, имеют фиксированное направление распространения (совпадающее с направлением увеличения фазы внешнего воздействия), скорость их движения пропорциональна коэффициенту диффузии. Напомним, что «классические» волны формируются вследствие «конкуренции» между разными устойчивыми состояниями равновесия мультистабильной системы, направление распространения зависит от начальных условий, скорость движения этих волн пропорциональна квадратному корню из коэффициента диффузии.

В-третьих, возникновение хаотического поведения мезосферной фотохимической системы при реальных значениях коэффициента вертикальной турбулентной диффузии и скорости вертикального ветра означает присутствие хаотической составляющей в пространственно-временной зависимости основных параметров верхней мезосферы (в частности, температуры воздуха). Это позволяет выдвинуть предположение, что фотохимия мезосферы, наряду с процессами разрушения внутренних волн, является еще одним источником для возникновения турбулентности на высотах области мезопаузы.

В четвертых, предложенный подход к восстановлению концентраций малых газовых составляющих мезосферы, не измеряемых непосредственно, по доступным экспериментальным данным является общим и может быть распространен на другие области атмосферы.

В пятых, найденное предельное соотношение между значениями концентраций ОН и Оз может быть использовано для повышения точности измерений этих компонент в мезосфере и нижней термосфере.

Апробация работы. Изложенные в диссертации результаты докладывались на семинарах и конкурсах работ молодых ученых ИПФ РАН, совещаниях по программе фундаментальных исследований ОФН РАН «Физика атмосферы: электрические процессы, радиофизические методы исследований», на международных конференциях: 4-ом и 5-ом Рабочих совещаниях программы «REACTOR» Европейского научного фонда (2003 г., Будапешт, Венгрия; 2004г., Прага, Чехия), 35-ой Научной ассамблеи COSPAR (2004г., Париж, Франция), Генеральной ассамблеи Европейского союза наук о Земле (2005 г., Вена, Австрия), Международном симпозиуме «Topical Problems of Nonlinear Wave Physics» (2005 г., Санкт-Петербург - Нижний Новгород, Россия); на всероссийских конференциях: 9-ой Всероссийской школе-семинаре «Волны - 2004» (Москва), 7-ой, 8-ой, 9-ой и 10-ой Всероссийской школе-конференции молодых ученых «МАПАТЭ» (2003г., Нижний Новгород; 2004г., Москва; 2005г., Борок; 2006г., Москва), 12-ой и 13-ой Научной школе «Нелинейные Волны» (2004 и 2006 г.г., Нижний Новгород), XV научной сессии Совета по нелинейной динамике (2006г., Москва).

Основные результаты диссертации опубликованы в 6 статьях в реферируемых российских и международных научных журналах, 2 препринтах ИПФ РАН, 2 отчетах по программе фундаментальных исследований ОФН РАН, 4 сборниках трудов и 6 сборниках тезисов всероссийских и международных конференций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Всего в работе 55 рисунков, три таблицы. Список цитируемой литературы состоит из 76 наименований. Общий объем диссертации 115 листов.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Куликов, Михаил Юрьевич

Заключение

В заключение сформулируем обоснованные в диссертационной работе положения, выносимые на защиту.

1. Воздействие квазидвухсуточной атмосферной волны на двухсуточные фотохимические осцилляции в области мезопаузы приводит к формированию регулярного в горизонтальном направлении распределения концентраций МГС в верхней мезосфере с зональным волновым числом, близким к волновому числу атмосферной волны. Основным механизмом такого воздействия является периодический перенос малых газовых составляющих вертикальной компонентой скорости ветра в волне, приводящий к захвату фазы фотохимических осцилляций фазой осцилляций ветра в волне. Данный эффект является пороговым по амплитуде волны, причем в условиях мезопаузы пороговые значения амплитуды оказываются заметно меньше максимальных их зарегистрированных значений.

2. В атмосфере Земли может возбуждаться новый тип волн, представляющих собой фронты или импульсы фазы нелинейных фотохимических осцилляций концентраций малых газовых составляющих, распространяющихся вдоль широтного круга в области мезопаузы. Возникновение волн обусловлено особыми нелинейными свойствами мезосферной фотохимии и имеющим место в этой области атмосферы высоким уровнем волновой турбулентности. В случае осцилляций с периодами двое и четверо суток скорость распространения данных волн прямо пропорциональна величинам коэффициента горизонтальной турбулентной диффузии и градиента зональной неоднородности фазы суточных вариаций освещенности.

3. В реальных атмосферных условиях могут наблюдаться сложные нелинейные режимы поведения концентраций малых газовых составляющих верхней мезосферы (мультипериодические и хаотические осцилляции). Тип возникающих осцилляций существенно зависит от постоянной компоненты вертикального ветра, которая модифицирует нелинейно-динамические свойства мезосферной фотохимической системы и, в зависимости от величины и направления его скорости, может приводить как к подавлению нелинейных осцилляций концентраций малых газовых составляющих верхней мезосферы, так и к обогащению спектра режимов их поведения.

4. Базовая динамическая модель мезосферной фотохимической системы является эффективным инструментом для извлечения дополнительной информации о малых газовых составляющих мезосферы из доступных экспериментальных данных и позволяет значительно увеличить информативность результатов наблюдений. Применение данной модели к результатам одновременных измерений концентраций озона и гидроксила, проведенных в рамках спутниковых экспериментов CRISTA-MAHRSI, делает возможным восстановление вертикальных распределений концентраций еще четырех ключевых химических компонент мезосферы - атомарных кислорода и водорода, а также гидропероксида и паров воды.

5. В мезосфере и нижней термосфере справедливо предельное соотношение между значениями концентраций ОН и Оз, зависящее от высоты. Данные CRISTA-MAHRSI удовлетворяют этому соотношению вплоть до высоты 87 км, а в вышележащей области имеется существенное расхождение между теорией и экспериментом.

Пользуясь приятной возможностью, автор выражает глубокую благодарность своему учителю Александру Марковичу Фейгину за чуткое руководство, интересные и плодотворные дискуссии и всестороннюю помощь при выполнении данной работы. Автор так же признателен своим соавторам (Г.Р. Зоннеманну и А.П. Гуштури), В.А. Миронову и И.Б. Коновалову за ценные замечания, сотрудникам отдела 140 за полезные обсуждения на семинарах отдела, Д. Офферманну, М. Кауфманну, О. Гусеву и М. Стивенсу за любезно предоставленные данные экспериментов CRISTA - MAHRSI.

Список работ по теме диссертации.

1*. Куликов М.Ю., Фейгин A.M., Зоннеманн Г.Р. Восстановление по экспериментальным данным пространственно-временных зависимостей концентраций малых газовых составляющих, не измеряемых непосредственно II Труды 7-ой Всероссийской конференции "Малые примеси, атмосферное электричество и динамические процессы в атмосфере", Нижний Новгород, стр. 103-111,2003.

2*. Куликов М.Ю. Влияние квазидвухсуточной атмосферной волны на пространственно -временную эволюцию малых газовых составляющих в районе мезопаузы И Труды 7-ой Всероссийской конференции "Малые примеси, атмосферное электричество и динамические процессы в атмосфере", Нижний Новгород, стр. 112-119,2003.

3*. Куликов М.Ю., Фейгин A.M. Исследование динамических и фотохимических процессов в мезосфере - нижней термосфере II Труды совещания по программе фундаментальных исследований ОФН РАН "Физика атмосферы: электрические процессы, радиофизические методы исследований", стр. 30-32,2003.

4*. Куликов М.Ю., Фейгин A.M. Реакционно-диффузионные волны в мезосферной фотохимической системе с учетом горизонтальной турбулентной диффузии II Тезисы 9-ой Всероссийской школы-семинара "Волны - 2004", Москва, 40,2004.

5*. Куликов М.Ю., Фейгин A.M., Зоннеманн Г.Р. Определение вертикального распределения паров воды в мезосфере по одновременным измерениям распределений озона и гидроксила II Сборник тезисов 8-ой Всероссийской конференции молодых ученых «Состав атмосферы и электрические процессы», Москва, 39,2004.

6*. Куликов М.Ю. Формирование когерентных пространственных структур в реакционно-диффузионной атмосферной системе под действием планетарной волны Н Известия ВУЗов: Радиофизика, том 47, № 9,739-752,2004.

7*. Kulikov M.Yu., Feigin A.M., Sonnemann G.R. Retrieval of water vapor profile in the mesosphere from satellite ozone and hydroxyl measurements by the basic dynamic model of mesospheric photochemical system // Abstracts of 35th COSPAR Scientific Assembly, Paris, France, 18-25 July 2004. Paper-number: C2.1-0077-04.

8*. Куликов М.Ю., Фейгин A.M. Реакционно-диффузионные волны в мезосферной фотохимической системе с учетом горизонтальной турбулентной диффузии II Известия РАН. Серия физическая, том 68, № 12,1796-1803,2004.

9*. Kulikov M.Yu., Feigin A.M. Reactive-diffusion waves in the Earth's mesosphere II EGU-2005, Vienna, 24-29 April 2005. Geophysical Research Abstracts, Vol. 7, P. 00720,2005.

10*. Куликов М.Ю., Фейгин A.M., Рыскин В.Г. Исследование динамических и фотохимических процессов в мезосфере - нижней термосфере // Труды совещания по программе фундаментальных исследований ОФН РАН "Физика атмосферы: электрические процессы, радиофизические методы исследований", стр. 69-75,2005.

11*. Kulikov M.Yu., Feigin A.M. Reactive-diffusion waves in (he mesospheric photochemical system II Journal of Advanced Space Research, 35(11), 1992-1998,2005.

12*. Kulikov M.Yu. The formation of spatially coherent structures in the reactive-diffusion atmospheric system by the planetary wave // Proceedings of International Symposium "Topical problems of nonlinear wave physics", 2-9 August, 2005, St.-Peterburg - Niznhy Novgorod, Plenary Talks, Workshops, 38-39,2005.

13*. Kulikov M.Yu., Feigin A.M. Possible manifestation of chemical nonlinearity in the Earth's atmosphere: reactive-diffusion waves in mesopause region // Proceedings of International Symposium "Topical problems of nonlinear wave physics", 2-9 August, 2005, St.-Peterburg-Niznhy Novgorod, NWP-3,40-41,2005.

14*. Kulikov M.Yu. Theoretical investigation of the influence of a quasi 2-day wave on nonlinear photochemical oscillations in the mesopause region II Препринт ИПФРАН № 696,2006,32 стр.

15*. Куликов М.Ю., Фейгин A.M., Зоннеманн Г.Р. Восстановление вертикальных распределений концентраций химических компонент мезосферы по результатам одновременных измерений распределений озона и гидроксила II Препринт ИПФРАН № 699,2006,31 стр.

16*. Куликов М.Ю., Фейгин A.M. О корректности применения условия фотохимического равновесия концентрации гидроксила в мезосфере для восстановления распределения концентрации паров воды по данным спутниковых измерений озона и гидроксила II Тезисы докладов 10-ой Всероссийской конференции молодых ученых «Состав атмосферы и электрические процессы», Москва, 54,2006.

17*. Фейгин A.M., Куликов М.Ю. Нелинейные динамические процессы в мезосфере: новые эффекты и возможности их регистрации II Тезисы докладов 10-ой Всероссийской конференции молодых ученых «Состав атмосферы и электрические процессы», Москва, 50,2006.

18*. Куликов М.Ю., Фейгин A.M., Зоннеманн Г.Р. Восстановление вертикальных распределений концентраций химических компонент мезосферы по результатам одновременных измерений распределений озона и гидроксила // Известия ВУЗов: Радиофизика, том 49, № 9,760-769,2006.

19*. Куликов М.Ю., Гаштури А.П. Влияние вертикальной адвекции на нелинейно-динамические свойства фотохимии верхней мезосферы II Известия ВУЗов: Радиофизика, том 49, № 12,1043-1050,2006.

20*. Kulikov M.Yu. Theoretical investigation of the influence of a quasi 2-day wave on nonlinear photochemical oscillations in the mesopause region I I Journal of Geophysical Research, 112, D02305, doi: 10.1029/2005JD006845,2007.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Куликов, Михаил Юрьевич, Нижний Новгород

1. Feigin А.М. and Konovalov I.B. On the possibility of complicated dynamic behavior of atmospheric photochemical systems: Instability of the Antarctic photochemistry during the ozone hole formation Hi. Geophys. Res. 101, P. 26.023-26.038,1996.

2. Feigin A.M., Konovalov I.B., Molkov Ya.I. Towards understanding nonlinear nature of atmospheric photochemistry: Essential dynamic model of the mesospheric photochemical system III. Geophys. Res., 103,25447-25460,1998.

3. Konovalov I.B., Feigin A.M., Mukhina A.Y. Toward an understanding of the nonlinear nature of atmospheric photochemistry: Multiple equilibrium states in the high-latitude lower stratospheric photochemical system II J. Geophys. Res, 104, 8669-8689,1999.

4. Konovalov I.B., Feigin A.M. Towards an understanding of the non-linear nature of atmospheric photochemistry: origin of the complicated dynamic behavior of the mesospheric photochemical system //Nonlinear Processes in Geophysics, 7, 87-104,2000.

5. Фейгин A.M. Нелинейные динаимческие модели атмосферных фотохимических систем: методы построения и анализа (обзор) И Известия РАН. ФАО, 38, 513-554, 2002.

6. Куликов М.Ю., Фейгин A.M. Нелинейные динамические свойства полярной стратосферной фотохимии в присутствии полярных стратосферных облаков типа 16 и их влияние на характеристики антарктической озонной дыры II Препринт ИПФ РАН № 604,34 стр., 2002.

7. Brasseur G. and Solomon S. Aeronomy of the Middle Atmosphere И 452 pp., D. Reidel, Norwell, Mass., 1986.

8. Schmidlin F.J. First observation of mesopause temperature lower than 100 К11 Geophys. Res. Lett., v. 19, p. 1643,1992.

9. Hervig M., Thompson R.E., McHugh M., Gordley L.L., Russell J.M., Summers M.E. First confirmation that water ice is the primary component of polar mesospheric clouds II Geophys. Res. Lett., 28(6), 971-974,2001.

10. Холтон Дж.Р. Динамическая метеорология стратосферы и мезосферы II Гидрометеоиздат, Ленинград, 223 стр., 1979.

11. Lindzen R.S., Turbulence and stress owing to gravitywave and tidal breakdown II J. Geophys. Res., 86,9707,1981.

12. Ebel A. Eddy diffusion models for the mesosphere and lower thermosphere //J. Atmos. Terr. Phys. 42, 617-628, 1980.

13. Sonnemann G. and Fichtelmann B. Enforced oscillations and resonances due to internal nonlinear processes of photochemical system in the atmosphere II Acta. Geod. Geophys. Mont. Hung., 22,301-311,1987.

14. Fichtelmann B., Sonnemann G. Non-linear behaviour in the photochemistry of minor constituents in the upper mesosphere II Ann. Geophys. 10,719-728,1992.

15. Sonnemann G. and Fichtelmann B. Subharmonics, cascades ofperiod of doubling and chaotic behavior of photochemistry of the mesopause region I I J. Geophys. Res., 101, 1193-1203, 1997.

16. Sonnemann G., Feigin A.M., Molkov Ya.I. On the influence of diffusion upon the nonlinear behaviour of the photochemistry of the mesopause region // J. Geophys. Res., 104, 3059130603,1999.

17. Sonnemann G., Feigin A.M. Non-linear behaviour of a reaction-diffusion system of the photochemistry within the mesopause region II Phys. Rev. E 59,1719-1726,1999.

18. Sonnemann G., Feigin A.M. Non-linear response of the upper mesospheric photochemical system under action of diffusion II Adv. Space Res. 24,557-560,1999.

19. Sonnemann G.R. The photochemical effects of dynamically induced variations in solar insolation II J. Atmos. Sol. Terr. Phys., 63,781-797,2001.

20. Fichtelmann B., Sonnemann G. On the variation of ozone in the upper mesosphere and lower thermosphere: a comparison between theory and observation II J. Meteorol. 1989.

21. Chandra S., Jackman C.H., Fleming E.L., Russell J.M. The seasonal and long term changes in mesospheric water vapor I I Geophys. Res. Lett., 24(6), 639-642,1997.

22. Lubken F.J. Seasonal variation of turbulent energy dissipation rates at high latitudes as determined by in situ measurements of neutral density fluctuations I I J. Geophys. Res. 102(D), 13441-13456,1997.

23. Sander S.P., Finlayson-Pitts B.J., Friedl R.R. et al. Chemical kinetics and photochemical data for use in atmospheric studies // JPL Publ., 14,02-25,2003.

24. Hedin A.E. Extension of the MSIS Thermospheric Model into the Middle and Lower Atmosphere I I J. Geophys. Res. 1991. V. 96. P. 1159.

25. Korner U., Sonnemann G.R. Global three-dimensional modeling of the water vapor concentration of the mesosphere-mesopause region and implications with respect to the noctilucent cloud region IIJ. Geophys. Res. 2001. V. 106. P. 9639-9651.

26. Hocking W.K. Turbulence in the region 80-120 km // Adv. Space Res. 1990. V. 50. P. 153161.

27. Danilov A.D., Kalgin U.A. Seasonal and latitudinal variations of eddy diffusion-coefficient in the mesosphere and lower thermosphere II J. Atmos. and Terr. Phys. 1992. V. 54. P. 14811489.

28. Lubken F.J. Experimental results on the role of turbulence for the heat budget of the upper atmosphere II Born University, 1993.160 pp.

29. Doyle J.D. Wind measurements in the upper atmosphere II Ph.D. thesis, University of Adelaide, Australia, 1968.

30. Muller H.G. Long-period meteor wind oscillations //Philos. Trans. R. Soc. London, Ser. A, 271, 585-598, 1972.

31. Salby M.L. and Roper R.G. Long-period oscillation in the meteor region // J. Atmos. Sci., 37,237-244, 1980.

32. Craig R.L., Vincent R.A., Fraser G.J., Smith M.J. The quasi 2-day wave near 90 km altitude at Adelaide (35°S) //Nature, 287, 319-302, 1980.

33. Rodgers C.D. and Prata A. Evidence for a traveling 2-day wave in the middle atmosphere II J. Geophys. Res., 86,9661-9664,1981.

34. Burks D. and Leovy C. Planetary waves near the mesospheric easterly jet // Geophys. Res. Lett., 13, 193-196, 1986.

35. Plumb R.A., Vincent R.A., Craig R.L. The quasi 2-day wave event of January 1984 and its impact on the mean mesospheric circulation II J. Atmos. Sci., 44, 3030-3036,1987.

36. Poole L.M.G. Characteristics of the mesospheric two day wave as observed at Grahamstown (.33.3°S; 26.5°E) 115. Atmos. Terr. Phys., 52,259-268,1990.

37. Clark R.R., Current A.C., Manson A.H., Meek C.E., Avery S.K., Palo S.E., Aso T. Global properties of the 2-day wave from mesosphere-lower thermosphere radar observations II1. Atmos. Terr. Phys., 43, 1279-1288, 1993.

38. Harris T.J. and Vincent R.A. The quasi 2-day wave observed in the equatorial middle atmosphere // J. Geophys. Res., 98,10,481-10,490, 1993.

39. Wu D.L., Hays P.B., Skinner W.R., Marshall A.R., Burrage M.D., Lieberman R.S.,. Ortland D.A Observations of the quasi 2-day wave from the high resolution Doppler imager on UARSII Geophys. Res. Lett., 20,2853-2856, 1993.

40. Wu D., Fishbein E.F., Read W.G., Waters J.W. Excitation and evolution of the quasi-two-day wave observed in UARS/MLS temperature measurements II J. Atmos. Sci., 53, 728- 738, 1996.

41. Meek C.E., et al. Global study of northern hemisphere quasi 2-day wave events in recent summers near 90 km altitude II J. Atmos. Terr. Phys., 58, 1401-1411, 1996.

42. Ward W.E., Wang D.Y., Solheim B.H., Shepherd G.G. Observations of the two-day wave in WINDII data during January, 1993II Geophys. Res. Lett., 23,2923-2926,1996.

43. Thayaparan T., Hocking W.K., MacDougall J. Amplitude, phase and period variations of the quasi 2-day wave in the mesosphere and lower thermosphere over London, Canada, during 1993 and 1994II J. Geophys. Res., 102,9461-9478,1997.

44. Lieberman R. Eliassen-Palm fluxes of the 2-day wave II J. Atmos. Sci., 56, 2846-2861, 1999; 2625-2627,2002 (Corrigendum).

45. Azeem S.M.I., Palo S.E., Wu D.L., Frodevaux L. Observations of the 2-day wave in UARS MLS temperature and ozone measurements II Geophys. Res. Lett., 28, 3147-3150, 2001.

46. Limpasuvan V. and Wu D.L. Two-day wave observations of UARS Microwave Limb Sounder mesospheric water vapor and temperature II J. Geophys. Res., 108, 4307, doi: 10.1029/2002JD002903,2003.

47. Sonnemann G. R. and Grygalashvyly M. On the two-day oscillations and the day-to-day variability in global 3-D-modeling of the chemical system of the upper mesosphere/mesopause region I I Nonlinear Processes in Geophysics, 12,691-705,2005.

48. Salby M. Rossby normal modes in nonuniform background configurations II J. Atmos. Sci., 38,1803-1826 (Part I); 1827-1840 (Part II), 1981.

49. Press W.H., Teukolsky S.A., Vetterling W.T., Flannery B.P. Numerical Recipes in C II Cambridge: Cambridge University Press, 1992.

50. Ward W.E., Solheim B.H., Shepherd G.G. Two day wave induced variations in the oxygen green line volume emission rate: WINDII observations II Geophys. Res. Lett, 24, 1127-1130, 1997.

51. Pedlosky J. Geophysical Fluid Dynamics II Springer-Verlag, New York, 1987.

52. Pancheva D., Alberca L.F., De la Morena B.A. Simultaneous observation of the quasi-two-day variations in the lower and upper ionosphere over Europe II J. Atmos. and Terr. Phys., 56, 43-50,1994.

53. Field R.J., Burger M., (eds.) Oscillations and traveling waves in chemical systems II J. Wiley and Sons, Inc., New York, 1985.

54. Hunt B.G. The 2-day wave in the middle atmosphere as simulated in a general circulation model extending from the surface to 100 km II J. Atmos. Terr. Phys., 43, 1143-1154,1981.

55. Plumb R.A., Baroclinic instability of the summer mesosphere: A mechanism for the quasi 2-day wave? II J. Atmos. Sci., 40,262-270,1983.

56. Pfister L. Baroclinic instability of easterly jets with application to the summer mesosphere II J. Atmos. Sci., 42,313-330,1985.

57. Hagan M.E., Forbes J.M., Vial F. Numerical investigation of the propagation of the quasi 2-day wave into the lower thermosphere I I J. Geophys. Res., 98, 23,193-23,205,1993.

58. Salby M., Callaghan P. Seasonal amplification of the 2-day wave: Relationship between normal mode and instability II J. Atmos. Sci., 58,1858- 1969,2001.

59. Fox J.L., Wofsy S.C., McElroy M.B., Prather M.J. A stratospheric chemical instability // J. Geophys. Res. 87(C), 11126-11132,1982.

60. Gumbel J., Murtagh D.P., Espy P.J., Witt G., Schmidlin F.J. Odd oxygen measurements during the Noctilucent Cloud 93 rocket campaign II J. Geophys. Res. 1998. V. 103. P. 2339923414.

61. Grossmann K.U., Offermann D., Gusev O., Oberheide J., Riese M., Spang R. The CRISTA-2 mission //J. Geophys. Res. 2002. V. 107. art. no.-8173.

62. Conway R.R., Summers M.E., Stevens M.H., Cardon J.G., Preusse P., Offermann D. Satellite observations of upper stratospheric and mesospheric OH: The HOx dilemma II Geophys. Res. Lett. 2000. V. 27. P. 2613-2616.

63. Clancy R.T., Sandor B.J., Rusch D.W., Muhleman D.O. Microwave observations and modeling 03, H20, andH02 in the mesosphere II J. Geophys. Res. 1994. V. 99. P. 5465-5473.

64. Sandor B.J., Clancy R.T. Mesospheric HOx chemistry from diurnal microwave observations of HO2, Oj, andH2OII J. Geophys. Res. 1998. V. 103. P. 13337-13351.

65. Singer W., Bremer J., Hocking W.K., Weiss J., Latteck R., Zecha M. Temperature and wind tides around the summer mesopause at middle and Arctic latitudes II Adv. Space Res. 2003. V. 31(9). P. 2055-2060.

66. Hervig M., McHugh M., Summers M.E. Water vapor enhancement in the polar summer mesosphere and its relationship to polar mesospheric clouds II Geoph. Res. Lett. 2003. V. 30. P. art. no.-2041.

67. Sonnemann G.R., Grygalashvyly M., Berger U. Autocatalytic water vapor production as a source of large mixing ratios within the middle to upper mesosphere II J. Geophys. Res., 110, D153 0310.1029/2004JD005593,2005.

68. McHugh M., Hervig M., Magill B., et al. Improved mesospheric temperature, water vapor and polar mesospheric cloud extinctions from HALOEII Geoph. Res. Lett. 2003. V. 30(8). P. art. no.-1440.

69. Von Zahn U., Berger U. Persistent ice cloud in the midsummer upper mesosphere at high latitudes: Three-dimensional modeling and cloud interactions with ambient water vapor II J. Geophys. Res., 2003. V. 108. P. doi: 10.1029/2002JD002409.

70. Summers M.E., Siskind D.E. Surface recombination of O and H2 on meteoric dust as a source of mesospheric water vapor II Geoph. Res. Lett. 1999. V. 26. P. 1837-1840.

71. Stevens M.H., Conway R.R., Englert C.R., Summers M.E., Grossmann K.U., Gusev O.A. PMCs and the water frost point in the Arctic summer mesosphere I I Geoph. Res. Lett. 2001. V. 28. P.4449-4452.

72. Mukhin D.N., Feigin A.M., Molkov Ya.I., Suvorov E.V. Bayesian approach to retrieval a vertical ozone profile from radiometric data II J. Adv. Sp. Res. Vol. 37(12). P. 2292-22996. 2006.

73. Cherian M.A., Rhodes P., Simpson R.J., Dixon-Lewis G. Kinetic modelling of the oxidation of carbon monoxide in flames II18th Simp. (Int.) on Combustion. The Combustion Institute. 1981.P.385.