Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Математическое моделирование взаимодействия газового состава озоносферы и сульфатного аэрозольного слоя

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Математическое моделирование взаимодействия газового состава озоносферы и сульфатного аэрозольного слоя"



о**..

4<г \

\

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНОВ ЛЕНИНА, ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М. В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 551.510.534

\

САРГАЗАКОВ Талгат Джумакадырович

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ГАЗОВОГО СОСТАВА 030Н0СФЕРЫ И СУЛЬФАТНОГО АЭРОЗОЛЬНОГО СЛОЯ

(01.00. 22-Геофизика)

Л з т о р е ф е р ат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВА - 1991

Работа выполнена в Киргизском ордена Трудового Красного Знамени госуниверситете им.50-летия СССР. Научные руководители: доктор технических наук

профессор Токчомьшев С.1., кандидат ^нзико-ыатеиатических наук,ст.научн.сотр.Задорояный А.М. Официальные оппоненты:дрктор фиэико-матеиатических наук,профессор Шхосков С.11., кандидат физико-математических наук,доцент Кузнецов Г.И. Ведущая организация: Институт физики атмосферы ¿В СССР.

Защита состоится " № " X— в /$ .¿тр час,

на заседании специализированного совета Д.053.05.81 по геофизике в Московском государственном университете им.И. В.Ломоносова

по адресу: с--.//- .-Г" / $

119999, идова, Ленинские горы, ИГУ, физический фадужьтет.ауд, ...

С двссартадрвй можно ознякпсттьс,. в бнбяиотеке

физического факультета

Автореферат разослан "

-/г-

■х

1991г.

Учены!, секретарь Специализированного совета кандидат физико-математических наук ^у7

В.В.Розанов.

:.: -леи

^•гдал __

ХФрт -цнЯ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность теш. Возможность разрушения озонного слоя Земли под воздействием антропогенного загрязнения атмосферы является одной из главных проблем охраны окружапцей среды. Наиболее опасными для озонного слоя веществами, -чсрасываемыми в результате хозяйственной деятельности в атмосферу „ считаются фреоны и другие хлорсо-держащие газы. Одним из проявлений таких выбросов является наблюдаемая с начала 80-х годов озонная дыра над Антарктидой. В последнее время выяснилось, что в образовании озонной дыры важную роль играют гетерогенные реакции хлорных и азотных составлявших на поверхности полярных стратосферных облаков, а в лабораторных экспериментах оыло обнаружено, что аналогичные реакции протекают на поверхности водного раствора серной кислоты. Это означает, что г *е-рогенные процессы на поверхности стратосферного сульфатного аэрозоля могут играть существенно. большую роль в балансе атмосферного озона, чем предполагается в настоящее время.

А.Х.Хргианом были обнаружены и впервые описаны аномал-п озона Северного полушария 1982-1987 гг., появляющиеся в зимне-весеннее время с двухлетней периодичностью • . Он же и предложил

динамический механизм наблюдаемой аномалии, но вместе с тем не отрицается возможность фотохимически-гетерогенного механизма разрушения озона при сокращении его доступа из высоких широт, одним из источников стратосферных сульфатных аэрозолей является газ ск_з, образующийся частично при сжигании топлива, деятельности нефтеперерабатывающей промышленности, поэтому возможен еще один источник воздействия человека на озонный слой. К. настоящему времени взаимодействие сульфатного аэрозоля с озоносферой прстически не изуче-'но. ' '

Основным методом исследования возможных последствий зптропо-

геьного загрязнения атмосферы является численное моделирование. Исследования взаимодействия газовое и аэрозольной составляющих необходимо выполнять на основе фотохимически самосогласованной, интерактивной модели, позволяющей совместно рассчитывать газовый и аэрозольный состав атмосферы с учетом гетерогенных процессов. Только с помощью такой модели можно адекватно описать воздействие одновременных выбросов в атмосферу хлорных и серных составляющих, сильных вулканических извержении и некоторых других явлений на озонный .лой. К Моменту начала настоящего исследования самосогласованных моделей озоносДОрЫ и стратосферного сульфатного аэрозольного слоя не существовало, поэтому.создание такой модели и проведение с ее помощью численных исследований является актуальной задачей. ' • -

Цели работ!

I. Разработать численную фотохимически самосогласованную, интерактивную одномерную модель малых нейтральных газовых составляющих озоносферы и сульфатного стратосферного аэрозольного слоя для теоретических исследований гетерогенных и фотохимических процессов озоносферы, '7

г. Исследовать физико-химические механизмы образования сульфатного аэрозольного слоя в стратоаг-рв и его влияния на озон в антропогенно загрязненной атиосфере,

3. Оценить влияние возможногр увеличешш антропогенных выбро-cof серных .овладений (главным образом, oes) на озонный слой, через гетерогенные реакции на образующихся аэрозолях.

Метод исследования - чи^жэтое моделирование.

Научим иоваана работы:

I. Впервые разработана численная фотохимически самосогласованная интерактивна л модель малых нейтральных газовых составляющих

озонасфери и еуя&фэтого аэрозольного слоя, позволяпцая исследо--" вать в даяние на озоносферу не только традиционных антропогенных загрязнителей, таких как фреоны. сн^, n2o, но* и. увеличивающихся

выбросов серных соединения. .

2. Показано, что гетерогенные процессы на поверхности стратосферных сульфатных аэрозолей существенно усиливают разрушение озона под воздействием антропогенных выбросов хлорных соединений.

3. Впервые проведено совместное моделирование изменений озоносферы и сульфатного аэрозольного слоя при возможном увеличенном содержании oes в атмосфере и показано, что при учете гетерогенных реакций на образующемся сульфатном аэрозоле в нижней стратосфере происходит заметное уменьшение озонного слоя. На основе этих результатов, и проведенного анализа экспериментальных данных по изменениям в озоносфере после сильных извержений вулканов (особенно Эль-Чичона в марте-апреле 1982 г.), впервые предположено, что наблвдаемое уменьшение озона в стратосфере после вулканических извержений, может быть объяснено перераспределением хлорных и азотных составляющих озоносферы в результате гетерогенных реакций на образующемся сульфатном аэрозоле.

Практическая ценность. Разработанная модель может быть использована для прогноза состояния озонного слоя Земли по различным возможным сценариям антропогенного загрязнения атмосферы, включающим выбросы серы, фреонов, закиси азота, метана и других газов. Модель также может быть использована для моделирования эволюции вулканических извержений и их влияния на озон атмосферы. Аэрозольная модель может быть полезной при изучении радиационного баланса в земной атмосфере, особенно при возмущениях аэрозольного слоя.

Положения, выносимые на защиту:

I. Численная фотохимически самосогласованная интерактивная

одномерная модель малых нейтральных газовых составляющих атмосферы и сульфатного аэрозольного слоя, и результаты численных экспериментов. '

2. Вывод о том, что' увеличение эффективности хлорного цикла за счет перераспределения хлорных составляющих, обусловленного гетерогенными процессами на поверхности сульфатного аэрозоля, приводит к существенному усилению разрушения озона при антропогенном загрязнении атмосферы хлорсодеркащими соединениями.

3. Вывод о том, что возможное увеличение содержания oes в.атмосфере приведет к сокращению озона.

. 4. Вывод о том, что наблюдаемое уменьшение озонного слоя после вулканических выбросов, обусловлено гетерогенными' реакциями с

участием хлорных и азотных составляющих.на аэрозолях.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на

конференции "ЭВМ и науки о Земле" (Новосибирск, 1986 г.), Всесоюзном совещании по численному моделированию состава и динамики свободной атмосферы (Суздаль, 1988 г.), Всесоюзной конференции по атмосферному озону (Суздаль, 1988 г.), международном симпозиуме.КАПР "Взаимосвязь региональных и глобальных процессов в атмосфере и гидросфере" (Тбилиси, 1988 г.), международном симпозиуме "Исследования средней атмосферы" (Душанбе, 1989 г.), международном рабочем совещании "Химические процессы и озонное моделирование" (Ленинград, 23-29 сентября, 1Э90 г.), а такке на.научных семинарах Фрунзенского политехнического института,■ Новосибирского государственного университета, Московского государственного университета, Цен-г тральной аэрологической обсерватории Госксмгидромета,. Института •¿«¿жи атмосферы АН СССР.

Структура и объем работы. Диссертация объемом 190 страниц со-уз 5ьел«гл1. трох глав, заключения и списка цитируемой лите-

ратуры (137 наименования). Содержит 24 рисунка и 5 таблиц.

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 4 работах.

Содержание работы.

Во сведении обосновывается актуальность темы, формулируются цели исследования, излагается структура диссертации и краткое содержание глав.

В первой главе диссертации приводится краткий обзор литературы по теме диссертации и выбирается метод решения поставленной задачи. Вся глава разбита на 4 раздела. В первом разделе проводится обзор, исследований фотохимических процессов, важных в озоносфере, подробно рассматриваются компоненты и реакции кислородного, водородного, азотного и хлорного циклов, а также химия углеводородных и серных компонент. Показано, что источником озона и кислородных компонент (огЪ) иск3Р) ) в атмосфере является фотодиссоциация молекул кислорода, а разрушение молекул озона происходит по фотодис- . социации и в циклах с участием активных кислородных, водородных, азотных и хлорных компонент (0. он, но, ,N0, мо^сл, сю ). Отмечается, что для лучшего представления сложных фотохимических процессов в озоносфере и для улучшения численного моделирования ее, необходимо выделять и дополнительно ■рассматривать так называемые "нечетные частицы" или семейства "нечетких" кислорода о,,, водорода' но^, азота но.и хлора сю_ . В процессе изложения Ешеля-тгсл активные в фотохимическом плане компскенты, а тзкзэ' и пассивные компоненты,' чьи фотохимические времена ьизнк. сравнимы с характерными временами динамических процессов. Это разграничение упревает численное решение проблемы. Источниками активных компонент и семейств в озоносфере являются диссоциации пассивных компонент, такое как н,о. н3,от.4,м20, сн3а, сс:г сга3, сра'а 2 :, ¡-гем-жония ссдерха-

ния которых в атмосфере может привести к нарушению баланса в озо-носфере. К изменениям могут также привести нарушения в содержании компонент-резервуаров, таких как hno3, ciono 2 и hci в результате гетерогенных реакций в стратосфере.

Необходимость рассмотрения химии углеводородных компонент обусловлена тем, что она приводи'1' к дополнительному источнику озона в тропосфере и нижней стратосфере, и молекул воды и водорода в стратосфере. Серная химия важна тем, что начинаясь с диссоциации ocs в атмосфере, она приводит к образованию серной кислоты,1 которая в результате гетерогенных процессов ведет к образованию сульфатного аэрозольного слоя в стратосфере.

В разделе 1.2 рассмотрены исследования стратосферного аэрозольного слоя (САС) или слоя Юнге. В результате обзора экспериментальных и теоретических исследований установлено, что частицы САС в основном представляют собой капли переохлажденных растворов серной кислоты в воде, причем по весу в них серная кислота составляет ~ 75%. Определены основные характеристики САС, такие как полная сульфатная масса стратосферных аэрозолей, отношение смеси числа больших частиц (г > о.js мкм) и всех чаотиц (г > о.oi мкм), отношение числа частиц с г > о.is мкм к их числу с г > о. as мкм, и которые получены в экспериментах с помощью забора проб фильтрованием, импакторов и двухканального фотоэлектрического счетчика (аэро-золезонда) частиц в фоновых условиях. Отмечается, что аэрозольный слой распространен глобально по всей земной стратосфере и размеры его частиц лежат в основном в пределах от о.oi мкм до*~ i мкм.

Выполнен обзор и более недавних исследования САС в таком широкомасштабном эксперименте, как sage ii и сопутствующих валидаци-онных локальных измерений с использованием различных усовершенст-вованых приборов в 1934-1388 гг. Полученные в них характеристики

y

САС были слегка возмущены, так как последствия извержений вулкана Эль-Чичон в марте-апреле 1982 г. к этому моменту еще полностью не прошли, однако они также показали, что частицы САС в основном состоят из бо-еоч раствора по весу серной кислоты в воде.

Установлено, что САС образуется в результате гетерогенных превращений газовой серной кислоты в атмосфере, основной источник которой в периоды слабой вулканической активности есть диссоциация oes и последующее газофазное окисление серы до H2so4, а в периоды сильной вулканической активности она образуется из газа so2, который поступает в больших колличествах в стратосферу при этом.

В результате обзора существующих модельных исследований САС было установлено, что основными процессами, формирующие САС, являются: газофазное окисление серы до паров H2so4 в результате поступления в стратосферу газов oes и so2; гомогенная бинарная нуклеа-ция из паров H2so4 и н2о; конденсация (или испарение) этих паров на частицах САС; броуновская коагуляция аэрозолей; седиментация и перенос , обусловленный вертикальной турбулентной диффузией в горизонтально-однородном приближении. Отмечается, что образование новых частиц для САС происходит за счет нуклеации в основном в области верхней тропосферы, затем эти частицы за счет диффузии проникают в стратосферу, где и образуют в . результате конденсации и коагуляции, САС. Седиментация и диффузия, перенося частицы САС в тропосферу, где существует слой вымывания, приводят к стоку сульфатных аэрозолей. .

В разделе 1.3 выполнен обзор по исследованиям гетерогенной химии в атмосфере. Показано, что прямой сток озона на сульфатных аэрозолях с вероятностью захвата, полученной из эксперимента, не может повлиять существенно на состав озоносферы. Гораздо эффективней (с вероятностью ~ i ) на частицах САС происходит сток компонент

"нечетного водорода" (он, н,р2,но 2) и в моделировании озоносферы необходимо учитывать эти реакции. Была установлена возможность реакции

ы2°5 + н2°ж -' 2ш03 ' (и )

на сульфатных аэрозолях с вероятностью г * о.ов. Именно учет этой реакции в фотохимических моделях позволяет получить более удовлетворительное сезонное поведение шо3 в высоких широтах. В результате обзора также установлено, что на сульфатных стратосферных аэрозолях могут эффективно проходить следующие реакции:

ciono2+ hcl ж —>ci 2+ hno-g. (r2 )

c10n0 2 + н ж -► нос1 г + hno з , ( r3 )

n2og + нс1ж -► спю 2 + нпо 2 . (r4 )

приводящие совместно с реакцией (Ei) к ослаблению азотного цикла и к усилению хлорного за счет нарушений в содержаниях резервуаров HCl, сюыо£ и нью3 . Отмечено, что эти реакции очень эффективно могут проходить на частицах полярных стратосферных облаков и играют главную роль в возникновении'озонной "дыры" над Антарктидой в весеннее время. Было установлено, что продукт hno3 в гетерогенных реакциях (K1-R4) на сульфатных аэрозолях выделяется в газовую фазу, и по этой же причине сток HN03 на этих частицах не существенен, несмотря на высокую полученную ее скорость {г sio"'). в разделе показывается, что реакции (r2) и (r3) идут быстрее для более водных поверхностей, и на основании имещихся данных было предположено, что на частицах САС эти реакции идут примерно с одинаковой скоростью, которая определяется только водностью аэрозолей. Так, на сульфатных аэрозолях, содержащих до ¿о* воды, вероятность этих реакций имеет порядок io"ä. Скорость реакции (R4) полагается равной скорости(ri) на сульфатных аэрозолях по аналогии с данными для них на ледяных частицах.

В конце раздела отмечается, что не исключена возможность таких гетерогенных реакций на частицах сас, как прямые стоки о3, no, no2 и рекомбинация радикалов сю с образованием ci 2, однако полученные для них результаты должны быть еще проверены в других независимых экспериментах, прежде чем они будут включены в модели для исследования озоносферы.

В последнем разделе 1.4 выполнен обзор по численному моделированию озоносферы. В начале коротко рассмотрены существующие трехмерные, двухмерные и одномерные модели, сущность заложенных в них динамических и фотохимических процессов, круг решаемых с их помощью ^эрономических задач, их достоинства и недостатки. Отмечены преимущества появившихся двухмерных радиационно-фотохимических моделей озоносферы, включающие важные обратные связи между динамическими', радиационными и фотохимическими процессами. Отмечается, что несмотря на недостатки, одномерные модели остаются важным инструментом в исследованиях озоносферы благодаря расширенному рассмотрению в них фотохимических процессов, а также и микрофизических процессов формирования CAO. Так автором была разработана такая модель. В разделе выполнен обзор по существующим модельным исследованиям озоносферы с учетом гетерогенных реакций на частицах САС, в том числе и самого автора, и показано, что учет гетерогенных реакций, отмеченных в разделе 1.3, позволяет объяснить такио наблюдаемые явления, как истощение озона и ыо^ в вулканическом облаке, сезонное поведение нло3 в высоких широтах, а также может дать более реальные оценки изменений в озоносфере при ее возмущениях.

• Показано, что для оценки влияния на озоносферу возможного увеличенного содержания в ней антропогенных загрязнителей, в том числе и серы, для моделирования совместной эволюции продуктов извержений вулканов и газового состава озоносферы при взаимодействии

между ними и некоторых других явлений, необходима разработка самосогласованной интерактивной модели малых нейтральных газовых составляющих озоносферы и сульфатного стратосферного аэрозоля с учетом гетерогенных реакций.

Во второй главе описана разработанная автором одномерная самосогласованная фотохимическая модель озоносферы и стратосферного сульфатного аэрозоля с учетом гетерогенных реакций, как описано в главе I. Модель представляет собой два больших блока. Первый блок состоит из одномерной фотохимической модели с учетом гетерогенных реакций на поверхностях стратосферных аэрозолей. Второй блок вклк>-чает в себя модель формирования стратосферного сульфатного аэрозольного слоя. В связи с чем, описание модели разбито на два больших раздела: в первом разделе описан фотохимический газофазный блок модели, а во втором - аэрозольный блок модели. Связующим звеном между этими блоками модели является расчет гетерогенных процессов, в связи с чем, в третьем разделе описана кинетика гетерогенных реакций, включенных в модель.

В разделе 2.1 описывается разработанная фотохимическая модель газового состава озоносферы (О-бОкм). Получена исходная система уравнений непрерывности для определения состава озоносферы, которая представляет собой систему нелинейных жестко связанных дифференциальных уравнений диффузионного типа с усредненными по сезонам и по полушарию фотохимическими и параметризованными динамическими процессами ввда:

где пв- концентрация атмосферы (мол/см'), к^ - параметризованный коэффициент турбулентной вертикальной диффузии (смг/с), пА, ра и - соответственно концентрация, и фотохимические источник и сток для 1-ой компоненты. Эти уравнения решаются для кислородных, водо-

родных, азотных, хлорных, углеводородных и серных составляодих озоносферы (в общей сложности 45 компонент). При расчете скоростей фотодиссоциаций учитывается только прямое солнечное излучение, ослабленное вследствии поглощения озоном и молекулярнйм кислородом в выше лежащих слоях атмосферы. В модели также выделяются и решаются такие же уравнения для семейств: нечетного кислорода ох - о oc'd> + о3; нечетного водорода нох - н + он + но2 + 2Нг°г» нечетного азота nox » н + но + иог + no3 + 2N2og + пкод; нечетного хлора с10х » с1 + сю + нс1 + нос1 + cxonog + clgog + cloo + clg +

cino2. Источники и стоки для компонент определяются из 142 фотохимических реакций (.who, юоз) и 8 гетерогенных реакций, описанных в разделе 1.3. Схемы фотохимических и гетерогенных реакций представлены в виде таблиц. Даются входные параметры этой модели -'температура и плотность атмосферы, граничные условия, коэффициент вертикальной турбулентной диффузии, константы скоростей реакций. Приводится литература, откуда взяты для модели спектральный поток солнечного излучения вне атмосферы, сечения поглощения фотодиссо-цшруюцих компонент и методики расчета скоростей реакций фотодиссоциаций. Далее подробно описывается численный метод решения исходных уравнений, существенными элементами которого являются использование неявных разностных схем с интегро-интерполяционным приближением, и так называемого метода "сохранения семейств".

В разделе 2.2 описывается одномерная модель формирования стратосферного сульфатного аэрозольного слоя, охватыващая высоты от в до зв км и размеры частиц от о.оов4 мкм до 4.1 га мкм. Описанн процессы, включенные в модель, согласно разделу 1.2: гомогенная бинарная нуклеация из паров h^so^ и н2о, конденсация и испарение, броуновская коагуляция, седиментация и турбулентная вертикальная диффузия. •'

Процесс окисления газофазных серных компонент и образования серной кислоты в атмосфере рассмотрен в разделе I.I при описании фотохимических процессов. Для нуклеации получены формулы, существенно уточняющие этот процесс в виду учета в них зависимости коэффициента поверхностного натяжения от радиуса зародыша, однако в модели эти формулы не использованы из-за отсутствия некоторых данных. При выводе процессов коагуляции, конденсации и седиментации получены более удобные и точные формулы, чем использованные в других моделях, и позволяющие рассматривать все режимы при обмене массой и импульсом частицы со средой (свободно-молекулярный, диффузионный и промежуточный режимы).

Полное уравнение непрерывности для сульфатных стратосферных аэрозолей, которое решается в модели, имеет вид:

а,—. . в

ГУ1/2 2

в у--а у- - г

+ Пссг', У гэ-г* ш iNCr'3Nc/r®-r's Э- dr' -

Cr -г' 5

min

г

шах

- NCr) ncCr'.riNCr'Jdr' + P„.„„ Cr,z3 ,

пукл.

г . min

где нсгз - искомая функция распределения аэрозолей по размерам (частиц-см"3-см"'), vr и vc - соответственно скорости конденсационного роста и седиментационного осаждения (сы'с), г . и г

* ' ' ml п шах

минимальный и максимальный радиусы рассматриваемых в модели аэрозолей, ксг',г"> - ядро коагуляции, выражающее вероятность столк-. новений в единицу времени между частицами г- и г" (смэ^с), и рнукл.Сг,1:> " СК0Р°СТЬ образования сульфатных аэрозолей вследствии гомогенной бинарной нуклеации (частиц см"3•с"*-см"1).

Описаны исходные данные модели и численный метод решения уравнения непрерывности для аэрозолей, при этом большое внимание уде-

ляется. проблемам подавления "численной диффузии", возникающей в конечно-разностных схемах процессов седиментации и конденсации, а также консервативности схемы по объему коагулирующихся частиц. В конце представлены результаты расчетов гомогенной бинарной нуклеа-ции и микро^изических свойств сульфатных аэрозолей, из которых видно, что процесс нуклеации эффективен в верхней тропосфере, а стратосферные аэрозоли действительно, как отмечено в разделе 1.2, состоят из бо-вох раствора серной кислоты в воде. Для того чтобы не нагромождать описание аэрозольных процессов и численных схем промежуточными выкладками, часть материалов вынесены в приложения 1-6.

В разделе 2.3 рассмотрена принятая в модели кинетика гетерогенных реакций. Используя известную скорость конденсационного роста частиц ОАО и известное распределение этих частиц по размерам при соответствующем интегрировании получены расчетные формулы, определяйте гетерогенные источник и сток серной кислоты вследствии конденсации, испарения и нуклеации в САС. При этом вероятность захвата для h2sc>4 принята i. При определении стоков вседствии гетерогенных реакций для других компонент также использовалось интегрирование по всей аэрозольной поверхности потоков этих газов на аэрозоли, задаваемых . с помощью известной параметризации Фукса-Сутугина, широко используемая в данной модели. Отмечается, что такая' параметризация позволяет довольно точно учитывать все режимы обмена массой между'частицей и средой, особенно для компонент он, h2so4. в модели учитываются прямые стоки для компонент ii2so4, он, н2°2 и IW°4 на сУльфатных аэрозолях с вероятностями захватов, равными соответственно i, i, ю'а и ю"4. Также учитываются стоки для газовых компонент сюно2, н2од и hci, и источники газовых ci , hoci, cino2 â hno3 вследствии гетерогенных реакций <m-fu).

было принято, что реакции (М ) и (И4) происходят с вероятностью захвата и2о3 с г • г-ю-5 в каждой реакции. Это в ~ зо раз меньше полученных экспериментальных данных, которые автор обнаружил лишь после проведения основной серии расчетов. Отмечается, что ввиду правильного учета скорости реакции (кг), такое занижение

принципиально не сказывается на результатах и выводах, полученных

/

в работе. Поскольку скорости реакций (к^) и (кз) на частицах САС сильно зависят от водности частиц, которая меняется с высотой,, то" зависимость вероятности захвата сюмо2 в этих реакциях полагается линейной от модельной весовой доли серной кислоты в частицах, в соответствии с имевдимиоя экспериментальными данными.

Далее обосновывается и принимается, что в сульфатных аэрозолях содержится достаточно нс1, так что все поглощенные аэрозолями сюио2, тут же вступают в реакцию (кг). Это вызывает расход газовой нс1 и в модели расчитывается вероятность их захвата аэрозолями из условия равенства потоков на аэрозоли, с одной стороны но, с другой - сюыо2 и к2од, причем следится, чтобы получаемые значения г для нс1 оыли в соответствии с водностью аэрозолей.

Эти данные для всех выше описанных реакций составляют первый вариант в расчетах по влиянию гетерогенных реакций на состав озо-носферы. Во втором варианте вероятность захвата нс1 по реакции (кг) увеличена вдвое г-ю"3 при г<го км), поскольку в первом . варианте эта реакция соответствует водности аэрозолей в средних условиях атмосферы (влажность и температура), а возможны при низких температурах и высокой влажности и более водные сульфатные аэрозоли. В третьем варианте взяты очень низкие значения вероятности захвата нс1 в (кг), составляющие 1о".*-ю"®.

В третьей главе представлены результаты численных исследова-

ний с помощью разработанной модели. Вел глава разбита на

три раи-

дела. В разделе 3.1 приводятся.расчитываемые по фотохимической части модели фоновые распределения кислородных, водородных, азотных, хлорных, углеводородных и серных компонент, а также проведено сопоставление расчитываемых профилей наиболее важных компонент озоно-сферы с имеющимися экспериментальными данными о них. Сопоставление таких компонент-трассеров, как мо0, сн4, hno3, с их экспериментальными измерениями показывает обоснованность выбора коэффициента вертикальной турбулентной диффузии кт в модели. Поскольку модельные профили соответствуют среднеКлобальным среднегодичным значениям, то при их сопоставлении с экспериментом выбирались измерения, проведенные в средних широтах в различные времена года и суток (в основном взяты из *мо, i oes, v. iij. Как показывает это сопоставление, почти для всех важных компонент озоносферы наблюдается вполне удовлетворительное согласие между расчитанными и экспериментальными значениями. Отмечается, что благодаря использованию длинноволновой фотодиссоциации oes (х < згг. s нм), наблюдается хорошее согласие между модельными значениями и экспериментальными данными для серных компонент.

Отмечены и некоторые расхождения. Так для о3 выше ~ 36 км теория дает несколько заниженные результаты, а для ног и нгог в области' от 15 до 30 км, также теоретические результаты занижены. Такое расхождение присуще всем современным моделям озоносферы (*мо, 1985, v.ni), и оно объясняется либо недостаточной изученностью нох радикальной химии, либо использованием неточных сечений поглощения, ог в области полос Шумана-Рунге (175-204.2 нм) и сечений оэ (канал образования oc'dí).

Сопоставление результатов данной модели с экспериментом л предсказаниями по двухмерным моделям показывает, Что расхождение выше 20 км для компонент cci4, cFaci¿ и cfci3 объясняется тем, что

на этих высотах основными процессами, регулирующие их концентрации, являются фотодиссоциации в области полос Шумана-Рунге, которые сильно изменяются с зенитным углом и, следовательно не учет существенного для них горизонтального переноса и вызывает эти расхождения. В целом, модель вполне удовлетворительно воспроизводит среднеглобальный газовый состав озоносферы.

Во втором разделе приводятся, расчитываемые с помощью аэрозольной части модели, все основные характеристики сульфатного аэрозольного слоя. Проведенное сопоставление этих характеристик с имепцимися экспериментальными данными показывает, что модель вполне удовлетворительно воспроизводит среднеглобальный САС. Некоторое расхождение внизу ,для такой характеристики как полное число частиц в единице массы воздуха, объясняется использованием несколько грубого граничного условия там. Представленные модельные распределения аэрозолей по размерам показывают их одномодальность, и для радиусов г > о.1 мкм, они близко соответствуют функции "zold" -логнормальному распределению нулевого порядка. Использованные экспериментальные данные в основном относятся к периоду до извержений вулкана Эль-Чичон в марте-апреле 1982г., так как после этого периода стратосферный аэрозоль был заметно усилен и все его характеристики возвращаются к фоновым лишь в настоящее время. Некоторые экспериментальные характеристики для сопоставления были взяты из недавно проведенного широкомасштабного эксперимента sage il в 1984-1988 гг. Так было проведено сопоставление, расчитываемое по модели такой характеристики, как распределение аэрозолей по размерам, показывающее вполне удовлетворительное соответствие между теоретическими и .экспериментальными результатами.

В третьем разделе представлены результаты численных исследо-

ваний влияния гетерогенных реакций на озоносферу. Показано, что в~ фоновых условиях их влияние на озон незначительно. В разделе представлен также отклик озоносферы на увеличение содержания серы в атмосфере. Получено, что при возможном' десятикратном увеличении oes и при неизменном хлорном содержании, в атмосфере формируется аэрозольный слой в ~ 5 раз превышающий по массе фоновый, и за счет активизации в таком слое гетерогенных реакций, происходит уменьшение общего содержания озона на ~ 2 %, причем на высоте ~ 18 км уменьшение концентрации достигает ~ 7%. Показан и механизм такого сокращения озона. Он обусловлен тем, что гетерогенные реакции приводят к трансформации атомов хлора из пассивных резервуарных компонент, таких как hci , ciono 2 в активный хлор (п ,сю ), а также и к трансформации азотной активной компоненты n2o5 в пассивную нно3. В результате происходит заметное усиление хлорного цикла, приводящего к разрушению озона.

Отмечается, что этот же механизм может действовать и в вулканическом облаке, состоящем из сернокислотных аэрозолей, приводя к заметному сокращению озона, наблюдаемое экспериментально. При этом, как показывают расчеты, получается заметное уменьшение нечетного азота (no + no2), и увеличение нечетного водорода (он + но2). Как показывают имеющиеся экспериментальные данные в области глобального вулканического облака, такое повэцение озоноактивных компонент действительно наблюдалось. Следовательно, предложенный в данной работе-гетерогенный механизм может быть причиной наблюдаемого сокращения озона в вулканических облаках. Таким образом отмечается, что гетерогенные процессы на. сульфатных аэрозолях играют большую роль в процессах озоносферы и для получения полной картины развития процессов в атмосфере необходимо учитывать и эти процессы. "

В заключении приведены основные результаты работы.

Основные результаты работы

1. Создана нестационарная одномерная фотохимически самосогласованная интерактивная модель озоносферы и стратосферного сульфатного аэрозоля, представляющая собой два больших блока. Первый блок состоит из модели газового состава озоносферы (0-60 км), включающей фотохимию кислородных, водородных, азотных, хлорных, углеводородных и серных компонент, а также и обнаруженные недавно важные гетерогенные реакции на поверхностях сернокислотных аэрозолей. Второй блок состоит из модели формирования сульфатного стратосферного аэрозольного слоя (8-38 км), учитывающая такие основные процессы образования слоя, как гомогенная бинарная нуклеация из паров H2so4 и н2о, конденсация и испарение, броуновская коагуляция, седиментация и вертикальный турбулентный перенос.

2. Выполнено сопоставление модельных результатов газового состава озоносферы с имеющимися экспериментальными данными и результатами двухмерных моделей (в основном из wmo, ises, v.ii ) в фоновых условиях, которое показывает, что в основном модель вполне удовлетворительно воспроизводит газовый состав озоносферы. Имеющиеся некоторые расхождения объясняются недостаточной изученностью химии ра-. дикалов нох, использованием неточных сечений поглощения о2 в области полос Шумана-Рунге и сечений для о3, присущие всем современным моделям озоносферы, а также неучетом существенного для некоторых компонент горизонтального переноса. При расчете серных компонент показано, что при использовании фотодиссоциации oes в длинноволновой области (х < згг.5 нм), их расчетные профили хорошо согласуются с экспериментальными данными.

3. С помощью аэрозольной модели были получены все фоновые основные характеристики САС и проведено сопоставление их с имеющимися экс-

периментальными данными, которре показывает, что модель корректна и вполне удОвлетвррительно отражает формирование САС.

4. Разработана методика численных исследований возможных воздействий различных антропогенных возмущений, включая серные выбросы (oes), а также и вулканических извержений на состав озоносферы на базе разработанной модели с учетом гетерогенных реакций на сернокислотных аэрозолях.

5. В ходе обзора существующих лабораторных и модельных исследований процессов в озоносфере, были выявлены наиболее важные возможные гетерогенные реакции на частицах САС, включающие гибель радикалов он и н2о2, а также и открытые недавно реакции, идущие на частицах полярных стратосферных облаков (R 1-R л ) и на водных сернокислотных поверхностях, близких к поверхностям частиц САС. Они приводят к трансформации резервуарных хлорных компонент (HCl, C10N02),- в активные и наоборот, активных азотных компонент,- в пассивные (hno3), в результате чего происходит усиление хлорного цикла в озоносфере.

6. Выполнен расчет влияния возможного увеличения содержания oes в атмосфере в будущем на озоносферу. Показано, что 10 кратное увеличение карбонилсульфида в атмосфере приводит к ~ 6 кратному возрастанию полной сернокислотной массы в образуемом аэрозольном слое (14-20 км) и к " 4 кратному возрастанию полной поверхности этих аэрозолей. При учете гетерогенных реакций, в таком слое происходит заметное изменение состава озоносферы, так что уменьиение озона в слое (16-18 км) достигает ~ 7%, а' общее содержанке озона уменыаа-ется на ~ 2.1%. Фоновый аэрозоль очень слабо изменяет озон.

7. Проведен анализ, на примере извержений вулкана Эль-Чичон в мзр-те-апреле 1982 г., влияния крупных извержений на озоносферу, когда в стратосфере формируется вулканическое сернокислотное облако. В

результате сопоставления данных этого анализа с результатами, полученными в пункте 6, был предложен наиболее вероятный гетерогенный механизм, объясняющий наблюдаемое сокращение озона и изменения в составе озоносферы в вулканическом облаке. Этот механизм включает действие реакций (Ki-R4).

Таким образом, настоящая работа представляет собой широкий комплекс исследований в актуальной.области аэрономии, включающей в себя исследования фотохимии озоносЛери, стратосферных сульфатных аэрозолей (слоя Юнге) , гетерогенной химии стратосферы, анализ имеющихся экспериментальных данных в сопоставлении с теоретическими результатами, и разработку методики расчета влияний ра?личшо: антропогенных и естественных выбросов в атмосферу на озочный слой Земли. В результате проделанной работы установлена важногтъ гетерогенных процессов в озоносФере и, предложен возможный гетерогенный механизм, объясняющий по крайней'мере частично обнаруженное'и описанное А.Х.Хргианом аномальноо поведение озона в Северном полушарии в 1982-1987 гг., и который не противоречит предложенному им динамическому механизму наблюдаемого явления, а скорое дополняет его.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДОССЕГГАЦЯ! ОЛУШШШ в РАБОТАХ:

1. Саргазаков Т.Д., Токтомыаев С.", и др. Исследование вертикального распределения озона в средних широтах СССР,- В кн.: Применение ЭВМ в исследованиях йжзическлх .процессов в атмосфере и ионосфере. Новосибирск: ШТ СО АНСССР, 1987, с.31-36.

2. Запорожный А.М..Саргазаков Т.Д. Самосогласованная Фотохимичес-

' кая модель малых газовых составляющих атмосферы и -стратосферного. . сульфатного аэрозоля,- В кн: Всесоюзная конференция по атмосферному озону (2-3 октября 1938 г.., г. Суздаль) .. Тезисы докладов. •■ Долгопрудный, 19i8, с.30.. '

3. Задорожный A.M., Саргазаков Т.Д. Самосогласованная фотохимическая модель малых газовых составлящих атмосферы и стратосферного сульфатного аэрозоля. - В кн.: Симпозиум "Взаимосвязь региональных и глобальных процессов в атмосфере и гидросфере". 15-18 ноября 1988 г., Тбилиси. Тезисы докладе®. Тбилиси,, 1988, с.69.

4. Zadorozhny А.М., Sargazaxov T.D., Dyominov .1.0. A numerical aelf-conaietent photochemical model of minor gaseous and aerosol constituents in the middle atmosphere. - In: Middle Atmosphere Study. International Symposium. Dushanbe, November 12-19, 1989. Abstracts. Moscow, 1909, p.5. '■ '