Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему
Особенности отклика полей солнечной ультрафиолетовой радиации в атмосфере на различные возмущения ее газового и аэрозольного состава
ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы
Автореферат диссертации по теме "Особенности отклика полей солнечной ультрафиолетовой радиации в атмосфере на различные возмущения ее газового и аэрозольного состава"
МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМ. М. В. ЛОМОНОСОВА
ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
На правах рукописи
° УДК 551.510
МАНОЙЛО Андрей Викторович ч
ОСОБЕННОСТИ ОТКЛИКА ПОЛЕЙ СОЛНЕЧНОЙ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ РАДИАЦИИ В АТМОСФЕРЕ НА РАЗЛИЧНЫЕ ВОЗМУЩЕНИЯ ЕЕ ГАЗОВОГО И АЭРОЗОЛЬНОГО СОСТАВА.
04.00.23 - физика атмосферы и гидросферы
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
МОСКВА 2000
Работа выполнена на кафедре физики атмосферы физического факулыс Московского Государственного университета им. М.В. Ломоносова.
НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ: кандидат физико-математических наук Кузнецов Геннадий Иванович.
ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:
доктор физико-математических наук доктор технических наук
Бекоркжов Валентин Иванович Лебедев Владимир Валентинович
ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Институт физики атмосферы РАН
Защита состоится /У." декабря 2000 г. в_час._мин. на заседании Си
циализированного Совета Д 053.05.81 по геофизике в Московском Государс венном Университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва. Вороб евы горы, МГУ, физический факультет, аудитория_.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.
Автореферат разослан " ноября 2000 г.
Ученый секретарь Специализированного кандидат физико-математических наук
¿02 6 У. //. О
Естественная ультрафиолетовая (УФ) радиация (солнечная радиация с пинами волн, меньшими 400 нм) является наиболее активным по своему влия-ию на биосферу природным излучением. УФ радиация обладает бактерицид-ым действием, длительное отсутствие УФ радиации может привести у человека заболеванию, связанному с недостатком витамина D. С другой стороны, уверение уровня УФ радиации оказывает- негативное влияние на живые орга-измы и приводит к угнетению фотосинтеза высших растений и морской биоты, зку кожи, повреждениям ДНК и глазным болезням у человека и животных.
Степень воздействия УФ радиации на любой биологический процесс эинято характеризовать спектром действия А(Х), определяющим относи-:льный вклад излучения на данной длине волны X в рассматриваемое явление, [ощность эффективной биологической дозы ультрафиолетового излучения D(t)
зависимости от времени t определяется выражением D(t) = jF(A,t)A(A)cfX, где
л,
Я, t) - спектральная плотность потока радиации. Эффективная биологическая >за вычисляется как интеграл от D(t) по соответствующему периоду времени.
Принято разделять ^спектр УФ радиации на "длинноволновый" и оротковолновый" диапазоны - УФ-А и УФ-Б, соответственно, с границей □дела 315-320 нм. Наибольший биологический эффект на живые организмы :азывает УФ-Б радиация.
Основным поглотителем наиболее опасной УФ-Б радиации является озон, этя изменение общего содержания озона (ОСО) влияет в основном на солнеч-ю радиацию в УФ-Б диапазоне длин волн, для расчета биологического дейст-я необходимо знать спектральный отклик А(Х) для более длинных волн лоть до 330-340 нм (т. н. "хвост" спектра действия).
Значительное влияние, которое озон оказывает на перенос УФ радиации в иной атмосфере, определяет важность изучения пространственной и времен-й изменчивости его концентрации. ОСО регулярно измеряется на сети из ;>1ше ста озонометрических станций по методу Добсона. С 1979 года прово-гся регулярные измерения ОСО со спутников приборами TOMS (Total Ozone ipping Spectrometer).
Вертикальное распределение озона (ВРО) характеризуется максимумом отности на высоте 20-25 км. В полярных областях максимум расположен выи более ярко выражен, чем в тропиках. В. нижней стратосфере наблюдается л- содержания озона по направлению к полюсу для всех сезонов, что является ;ультатом глобальной циркуляции атмосферы. Наибольший градиент на-юдается ранней весной. Выше уровня 30 мбар зависимость обратная, что свя-[0 с доминирующим влиянием фотохимических процессов над переносом, ществуют различия в распределении ОСО между северным и южным полу-риями Земли. Наиболее отчетливо они проявляются поздней зимой, когда щентрация озона в Антарктике значительно меньше, чем в Арктике, для всех :от. Для средних широт (50°) различия менее заметны. Характер глобальной юсферной циркуляции является причиной низких значений ОСО вблизи эк-ора.
Облачность оказывает существенное влияние на структуру полей солнеч-i УФ радиации в атмосфере. В зависимости от мощности сплошной облач-й покров ослабляет УФ-Б радиацию от 56 до 99%. Среднее уменьшение УФ
радиации из-за облаков по спутниковым данным составляет около 30% для 6' северной широты. В ряде случаев отмечается усиление суммарной УФ радиащ разорванной облачностью, достигавшее 25%.
Для того, чтобы извлечь из воспринимаемых приборами возмущений п лей рассеянной радиации информацию о происходящих в атмосфере процесса необходимо решить обратную задачу оптики атмосферы, которая в подавля! щем большинстве случаев не имеет аналитического решения и рсшастся толы численно, используя метод многократной прогонки аналогичной прямой зад чи (задачи расчета полей радиации по известной структуре среды) для разли ных пространственных распределений радиационно-активных составляющ: атмосферы. Необходимость обрабатывать в режиме реального времени даннь непрерывно поступающие с измерительной аппаратуры, накладывает жестк требования на программное обеспечение, использующееся для расчета пр странственной структуры среды и анализа происходящих в ней изменений. Ч^ ленная модель расчета полей УФ радиации в атмосфере должна обладать выс ким быстродействием, позволяющим отслеживать динамику наблюдаемых я лений, высоким пространственным (до нескольких десятков метров) и спе тральным (доли нм) разрешением, высокой точностью и надежностью, а так: гибкостью по отношению к различным сценариям возмущений атмосферш параметров и возможностью детальной прорисовки тонкой структуры их пр странственного распределения.
Интерес, который во всем мире проявляется к дистанционным наблю; ниям в УФ-Б диапазоне (280-320 нм), вряд ли можно назвать случайны Структуру полей УФ радиации в данном диапазоне длин волн при ясном не полностью определяет пространственное распределение атмосферного озо! Влияние подстилающей поверхности перестает сказываться уже на высоте в ¡ сколько километров. Случайные помехи естественного происхождения, спль осложняющие распространение сигналов в радио-'и инфракрасном диапазон (например, взлетающие с поверхности реки стаи диких гусей, часто приним; мые радарами ПВО за движущуюся цель), в УФ диапазоне не играют роли и вносят существенных изменений в фоновый режим. В условиях безоблачной ; мосферы практически единственным источником изменений полей УФ рад! ции являются нарушения в пространственном распределении озона, возники щие в результате протекания гетерогенных химических реакций и полност] определяющиеся химическими законами и концентрацией реагентов. Таким с разом, любой движущийся в атмосфере беспилотный летательный аппарат, i кета или выполненный по технологии "стеллс" самолет, не оставляющий за i бой видимого инверсионного следа, будет контрастно выделяться на обш ровном фоне УФ радиации, если в его топливе или продуктах сгорания тогш содержатся химически активные вещества, приводящие к разрушению а™ сферного озона.
Достаточно большое количество уже разработанных различными ав-рами численных моделей расчета полей УФ радиации в атмосфере, тем не мен все еще не позволяет успешно решать весь (или хотя бы достаточно широк! круг задач атмосферной оптики. Не смотря на несомненные достоинства р личных численных моделей, большинство из них содержит ряд недостатков, i торые затрудняют их массовое практическое использование. Среди таких не шенных проблем можно отметить отсутствие согласования между различны численными моделями по единым источникам, структуре и форме представ
ия входных данных о пространственной структуре атмосферы и ее сезонной зменчивости, алгоритмическим и программным решениям, недостаточно вы-жое разрешение по высоте и длине волны, не позволяющее оценивать влияние энких структур пространственных распределений атмосферного озона и аэро-эля (с характерным масштабом изрезанности вертикальных профилей, не пре-ышающим десятки метров), низкое быстродействие и использование различ-ых допущений при приближенном решении уравнения переноса, не всегда дос-аточно полно освещаемое авторами моделей. Использование в большинстве оделей единственного численного метода решения уравнения переноса не по-золяет снимать ограничения на глубину и объем исследований, связанные с ог-аниченной применимостью этого метода.
На сегодняшний день даже лучшие численные модели, в которых реалн-эваны методы расчета полей солнечной УФ радиации в атмосфере в сложных птико-метеорологических условиях (в том числе - в условиях присутствия в тмосфере полей разорванной облачности), все еще предполагают структуру тдельных облачных фрагментов пространственно-однородной, что вносит за-[етные искажения в структуру полей уходящей УФ радиации. Между тем, неявно проведенный американскими специалистами анализ точности методики "OMS-7 показал, что неопределенность в положении нижней границы слоя обычности и используемое в методике TOMS-7 предположение об однородности ертикальной структуры облаков, может привести к ошибкам в определении )СО, достигающим значений -20 единиц Добсона. Необходимость внесения юправок и изменений в методику спутниковой озонометрии TOMS-7 требует 'ешения специальной задачи -задачи построения для конкретных эмпирических юделей полей разорванной высококучевой облачности с различной простран-твенной структурой микрофизических характеристик облачных фрагментов лобальных полей УФ альбедо системы Земля-атмосфера, - которая все еще вдет своего решения.
Данные экспериментальных наблюдений структуры радиационных по-[ей позволяют говорить о том, что, по-видимому, возмущение полей УФ радна-(ии наиболее ярко проявляет себя не повсеместно (в широком диапазоне высот и шин волн), а в узких областях фазового г,Л - пространства, в пределах которых юзмущение радиационных полей может превышать уровень возмущения в лю-юй точке вне этой области в десятки раз, а экспериментальные измерения воз-1ущения УФ радиации вне этой области будут давать картину чистого неба отсутствия возмущений структуры радиационных полей в атмосфере) даже при (остаточно заметных нарушениях пространственной структуры распределения :е газовых и аэрозольных составляющих. Знание таких особенностей отклика ггруктуры полей УФ радиации позволит вносить поправки в существующие ме-"одики поиска и наблюдения возмущений структуры радиационных полей в атмосфере, возникающих в результате аварийных выбросов химически-радиационно-) активных веществ или в результате естественных катаклизмов. Гем не менее эти области еще не открыты и описание их в научной печати еще ie дано.
Окончательно еще не изучена роль атмосферного аэрозоля в формировали радиационных полей, которая до недавнего времени считалась малой по :равнению с ролью стратосферного озона. Между тем, недавние экспериментальные измерения в районе Средиземноморья показали, что при определенных
условиях тонкая структура пространственно-временного распределения ат.м сферного аэрозоля (узкие приземные инверсионные слои) может конкурирова с естественными изменениями в основном озоновом слое Земли. Для подтве ждения или опровержения этих результатов необходимо провести всесторонш анализ условий переноса УФ радиации в атмосфере.
Целью диссертации является разработка комплекса численных модел расчета полей солнечной УФ радиации в атмосфере и исследование особенн стей отклика полей солнечной УФ радиации на различные сценарии нарушен] пространственного распределения ее радиационно-активных составляющ] (таких как атмосферный озон, аэрозоль и облачность), являющихся следствш воздействия на состав атмосферы источников возмущения ее структуры как е тественного, так и антропогенного происхождения.
Актуальность диссертационной работы связана с:
1. необходимостью разработки комплекса взаимосогласованных ( структуре и форме представления входных данных о пространственной струкп ре атмосферы и ее сезонной изменчивости, алгоритмическим и программным реи ниям) численных моделей расчета полей солнечной УФ радиации в атмосфе] предназначенного для решения в режиме реального времени прямых и обратш задач оптики атмосферы в сложных метеорологических условиях (в том чис.и в условиях присутствия в атмосфере полей разорванной облачности с различи пространственной структурой микрофизических характеристик облачных <ppi ментов) и позволяющего снимать ограничения на глубину и объем исследОЕ ний, связанные с ограниченной применимостью различных численных методе используемых для расчета структуры полей солнечной УФ радиации в атмосс} ре;
2. необходимостью построения для конкретных эмпирических модел полей разорванной высококучевой облачности, с различной вертикальж структурой микрофизических характеристик отдельных облачных фрагмент! глобальных полей УФ альбедо системы Земля-атмосфера с целью внесения п
- правок и изменений в методику спутниковой озонометрии TOMS-7, для кот рой неопределенность в положении нижней границы слоя облачности и испол зуемое в методике предположение об однородности вертикальной структур облаков, как было показано американскими специалистами, может привести ошибкам в определении ОСО, достигающим значений ~20 единиц Добсона;
3. необходимостью исследования закономерностей отклика полей У радиации в атмосфере на различные возмущения ее газового и аэрозольного с става, связанные с действием источников возмущения как естественного, так антропогенного происхождения, с целью выработки методических рекоменд ций по обнаружению в фазовом ( г,Л) пространстве узких областей (очагов) р диационного возмущения, в пределах которых возмущение радиационных пол( может превышать уровень возмущения в любой точке вне этой области в деся ки раз, а экспериментальные измерения возмущения УФ радиации вне этой oi ласти будут давать картину чистого неба (отсутствия возмущений структур радиационных полей в атмосфере) даже при достаточно заметных нарушение пространственной структуры распределения ее газовых и аэрозольных соста ляющих (связанных, например, с извержениями вулканов класса Пинатубо или протеканием озоноразрушающих процессов в области антарктической озоннс «дыры»);
4. необходимостью исследования особенностей отклика полей УФ радиа-ии в атмосфере на тонкую структуру пространственно-временного распределе-яя атмосферного озона и аэрозоля с целью изучения роли узких приземных нверсионных аэрозольный слоев в формировании поля приземной ультрафио-гтовой облученности, которые, как это недавно было экспериментально обна-ужено в районе Средиземноморья, при определенных условиях могут конку-ировать с естественными изменениями в основном озоновом слое Земли.
Новизна представленных в диссертационной работе результатов исследо-:Ший заключается в следующем:
1. Разработан новый комплекс численных моделей расчета полей сол-гчной УФ радиации в атмосфере, предназначенный для решения в режиме ре-гьного времени прямых и обратных задач оптики атмосферы в сложных метео-элогических условиях (с учетом полей разорванной облачности). Модели со-шсованы по структуре и форме представления входных данных о пространст-;нной структуре атмосферы и ее сезонной изменчивости, алгоритмическим и рограммным решениям. Различные методы решения уравнения переноса, ис-эльзуемые в моделях, позволяют снимать ограничения на глубину и объем ис-гедований, связанные с их ограниченной применимостью.
В практике решения подобных задач впервые учтена вертикальная струк-/ра микрофизических характеристик фрагментов полей разорванной облачно-■и.
2. Впервые получены систематические данные о высотно-спектрально-иротных полях солнечной УФ радиации в атмосфере и биологических дозах эражения эритемы, ДНК и растительности в северном и южном полушариях в ^возмущенных (фоновых) условиях для различных времен года и различных гачений высоты Солнца.
3. В фазовом (г,Л) пространстве впервые обнаружены узкие области чаги) радиационного возмущения, в пределах которых возмущение радиаци-шых полей может превышать уровень возмущения в любой точке вне этой об-1сти в десятки раз, а экспериментальные измерения возмущения УФ радиации ш этой области будут давать картину чистого неба (отсутствия возмущений ■руктуры радиационных полей в атмосфере) даже при достаточно заметных фушениях пространственной структуры распределения ее газовых и аэрозоль-.ix составляющих (связанных, например, с извержениями вулканов класса Пи-1тубо или с протеканием озоноразрушающих процессов в области аптарктпчс-:ой озонной «дыры»). Впервые обнаружено, что при определенных условиях 1блюдения все точки фазового пространства, в которых возмущение радиаци-шых полей достигает своего максимального значения, могут с высокой точно-ью располагаться вдоль одной прямой.
4. Впервые для конкретной эмпирической модели поля разорванной высо-жучевой облачности построены глобальные поля УФ альбедо системы Земля-мосфера.
5. Впервые в результате проведения численного эксперимента установлено, о при определенных условиях приземный инверсионный аэрозольный слой в зрмировании поля приземной ультрафиолетовой облученности может конку-фовать с естественными изменениями в основном озоновом слое Земли, что давно было экспериментально обнаружено в районе Средиземноморья.
Достоверность представленных расчетных данных обеспечивается: М высокой надежностью численных методов, используемых в моделях;
■ отсутствием существенных упрощающих предположений при приближенно решении уравнения переноса солнечной УФ радиации;
■ хорошим совпадением результатов численных расчетов с натурными измер ниями и расчетами авторов других численных моделей;
■ надежностью используемых для моделирования экспериментальных даннь (модели атмосферы NASA Goddard Space Flight Center).
Практическая ценность диссертационной работы состоит в следующем:
1. Разработанный комплекс согласованных моделей и результаты i применения (например, построенные для конкретных эмпирических моделей п лей разорванной высококучевой облачности с различной вертикальной структ рой микрофизических характеристик облачных фрагментов глобальные по. УФ альбедо системы Земля-атмосфера) можно использовать для внесения п правок и изменений в методику спутниковой озонометрии TOMS-7, для кот рой неопределенность в положении нижней границы слоя облачности и испол зуемое в методике предположение об однородности вертикальной структур облаков, как недавно бьщо показано американскими специалистами, мож привести к ошибкам в определении ОСО, достигающим значений -20 единi Добсона;
2. Представленный в диссертационной работе комплекс численных м делей расчета полей солнечной УФ радиации в атмосфере разработан, в части сти, для применения в программах исследования пространственно-временш структуры атмосферы и радиационных полей в рамках научн исследовательских проектов «Тройка» (исследование пространственн временных изменений содержания различных газовых и аэрозольных соста ляющих атмосферы вдоль трансконтинентальных разрезов, железнодорожнь вагон-лаборатория, совместный проект ИФА РАН, Россия, и Института хи\п Макса Планка, ФРГ), TOR (Total Ozone Research Program, международная пр
- грамма исследования состояния тропосферного озона по данным сети европе ских озонометрических станций) и программы исследования факелов крупнь мегаполисов (федеральный грант «Интеграция», координатор - кафедра физш атмосферы МГУ им. М.В. Ломоносова);
3. Впервые обнаруженные в фазовом (г, Л) пространстве узкие облас: (очаги) радиационного возмущения, в пределах которых возмущение радиац онных полей может превышать уровень возмущения в любой точке вне этой о ласти в десятки раз, а экспериментальные измерения возмущения УФ радиащ вне этой области будут давать картину чистого неба (отсутствия возмущен! структуры радиационных полей в атмосфере) даже при достаточно заметнь нарушениях пространственной структуры распределения ее газовых и аэрозол ных составляющих, позволяют вносить поправки в существующие методики п иска и наблюдения возмущений структуры радиационных полей в атмосфер возникающих в результате аварийных выбросов химически- (радиационной а тивных веществ или в результате естественных катаклизмов;
4. Приведенные в диссертационной работе результаты исследования вли ния тонких (с характерной толщиной - не более 1,0-1,5 км) приземных аэрозол ных слоев (тонкая структура атмосферного аэрозоля) на структуру полей У облученности, проведенного на базе разработанного комплекса моделей, впе
ые показали, что при определенных условиях облученности приземный инвер-ионный аэрозольный слой может конкурировать в формировании поля приемной ультрафиолетовой с естественными изменениями в основном озоновом лое Земли, что недавно было экспериментально обнаружено в районе Среди-емноморья. Эти новые результаты требуют пересмотра существующих пред-тавлений о том, что изменения структуры полей приземной УФ облученности и итегральных биологических доз поражения живых тканей в первую очередь вязаны с изменениями в структуре стратосферного озона, а изменения в атмо-ферном аэрозоле вносят лишь незначительный вклад в изменчивость призем-ых полей УФ радиации.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Комплекс взаимосогласованных (по структуре и форме представления ходных данных о пространственной структуре атмосферы и ее сезонной измен-ивости, алгоритмическим и программным решениям) численных моделей расчета олей солнечной УФ радиации в атмосфере, предназначенный для решения в ежиме реального времени прямых и обратных задач оптики атмосферы в пожных метеорологических условиях (в том числе - в условиях присутствия в тмосфере полей разорванной облачности с различной вертикальной структурой икрофизических характеристик облачных фрагментов)-,
2. Систематические данные о структуре высотно-спектрально-широтньгх олей солнечной УФ радиации в атмосфере и биологических дозах поражения эитемы, ДНК и растительности в северном и южном полушариях в невозму-(енных (фоновых) условиях для различных времен года и различных значений ысоты Солнца, полученные в результате применения разработанного комплек-1 численных моделей;
3. Установленные в работе закономерности отклика полей УФ радиации в гмосфере и биологических доз поражения эритемы, ДНК и растительности на ззличные возмущения пространственного распределения ее газовых и аэро-шьных составляющих, связанные с действием источников возмущения как ес-:ственного (извержения вулканов, озонная «дыра»), так и антропогенного юлеты самолетов и запуски ракет) характера, и соответствующие оценки изме-;ния;
4. Глобальные поля УФ альбедо системы Земля-атмосфера, построенные 1я конкретной эмпирической модели поля разорванной высококучевой облач-зсти при помощи разработанного комплекса численных моделей расчета руктуры полей солнечной УФ радиации в атмосфере;
5. Результаты исследования особенностей отклика полей приземной УФ 5лученности на тонкую структуру атмосферного аэрозоля (тонкий инверсион->ш слой толщиной ~1 км), проведенного при помощи разработанного комикса моделей и впервые показавшие, что в формировании поля приземной [ьтрафиолетовой облученности при определенных условиях приземный инвер-ганный аэрозольный слой может конкурировать с естественными изменениями основном озоновом слое Земли, что недавно было экспериментально обнару-:но в районе Средиземноморья.
Работа выполнялась на кафедре физики атмосферы физического факуль-та МГУ им. М.В. Ломоносова в период с 1998-2000 гг. Тема диссертации лючена в план работ кафедры физики атмосферы, проводимых в рамках на-ных грантов РФФИ и "Интеграция". Результаты работы докладывались и осуждались на Международной конференции студентов и аспирантов
"Ломоносов-97", "Ломоносов-98" (Москва, 1997, 1998 гг.), Первой и Вто): Всероссийской конференции "Физические проблемы экологии" (Москва, 19 1998 гг.). Международной конференции Аего5епзе'98 (Орландо, Флори США, 1998), Международной конференции молодых ученых (Москва, И с РАН, 1997,1998,1999, Нижний Новгород, 2000 гг.), конференции "Влияние ст тосферной авиации на климат" (Вирджиния-Бич, США, 1997, 1998 гг.), научн семинаре "Влияние полетов стратосферной авиации на верхнюю тропосфер; нижнюю стратосферу - АБТАЖЕ 99 (Норвегия, Берген, 1999 г.), 2-м науч! практическом семинаре "Проблемные вопросы контроля экологической обе новки в районах эксплуатации ракетно-космической техники" и 3-х Тихон вовских чтениях (г. Королев, 4 ЦНИИ МО, 2000 г.).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из в дения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа сод жит 152 страницы текста, 43 страницы приложений, 121 рисунок и 114 табл! Список используемой литературы содержит 171 пункт.
В введении содержится обзор современного состояния исследования стр туры полей солнечной УФ радиации в атмосфере, обосновывается актуально« темы диссертации, формулируются основные цели исследования и излагаем структура работы.
В первой главе рассматриваются основные механизмы, приводящие к < лаблению солнечной УФ радиации в атмосфере - молекулярное и многократн рассеяние, поглощение УФ радиации озоном, ослабление УФ радиации ата сферным аэрозолем и полями разорванной облачности.
Для исследования радиационных эффектов разорванной облачное необходимо разработать модель ее пространственной структуры. Кучевые с лака имеют чрезвычайно сложную структуру, отражающую конвективную щ роду их образования. В данной работе используется математическая моде геометрической структуры разорванной облачности, построенная на оснс стационарного нормального (Гауссова) эргодического поля 2г1тЛ(Т), г, и. тройного в плоскости ОХУ, со средней высотой г0 и ограниченного снизу некотором уровне Л0. При надлежащем выборе параметров поля результа' расчетов удовлетворительно согласуются с данными наблюдений.
В качестве входных параметров модели разорванной облачности испо.г зуются: балл облачности в зените л0, средний диаметр основания облаков коэффициент формы к1, равный отношению средней толщины (мощности) с лаков н к среднему диаметру Ъ.
Определяя область задания поверхности условиями 0<х<Ь, 0<у<Ь, г 1<£>, можно записать выражение для 2(х,у) в виде пространственного ря,
независимые случайные комплексные числа, ш, п - целые числа. Число член с учитываемых в разложениях, определяется требуемой точностью вычислени Разработанная схема позволяет с заданной точностью рассчитывать конкре ные облачные реализации, которые могут быть в дальнейшем использоваь при расчетах переноса радиации в условиях разорванной облачности.
Водятся основные определения оптических характеристик атмосфер (оптической толщины г, коэффициентов ослабления и рассеяния, индикатрис
юсеяния рДг;П,П')) и характеристик поля УФ радиации (энергетической яр->сти 1(7 ,Г2) Вт-лГ!ер"\ потоков радиации, рассеиваемой в верхнюю и нижнюю
1 -v о
элусферы /"'(!-)= Л и суммарной облучен-
п о » -1
эсти в точке пространства Рт(т)-= Г\т) + Р1(т)+Гл!г(т)1 н-)- Приводится реше-1е уравнения переноса солнечной УФ радиации в атмосфере
= -<7,(*)(/(£;П)- Дг,П) = ^Л/;(г;П,П')/(Г;П>/П' + у,(г;П),
учетом ослабления УФ радиации атмосферным озоном, континентальным аэ-эзолем и полями разорванной облачности.
Приводится подробное описание разработанной в диссертации методики 1счета полей энергетической яркости солнечной УФ радиации (метод последо-(тельных порядков рассеяния) и ее интегральных характеристик - радиации, (ссеянной в верхнюю и нижнюю полусферы (дельта-метод Эддингтона и метод [онте-Карло). Подробно рассматривается схема расчета полей солнечной УФ щиации в атмосфере, разбитой на произвольное число слоев.
Во второй главе рассматривается комплекс численных моделей расчета злей солнечной УФ радиации в атмосфере, разработанный для решения широко круга задач оптики атмосферы в режиме реального времени. Обсуждаются ¡зультаты верификации расчетов, выполненных на безе разработанных моде-:й, с данными экспериментальных измерений и модельными расчетами других ¡торов. Подвергнуты анализу особенности структуры невозмущенных полей >лнечной УФ радиации в атмосфере (уровень фона), полученные в результате эименения разработанной численной модели. В качестве основных выводов гавы можно отметить следующие положения:
1. Разработан комплекс численных моделей расчета полей солнечной УФ адиации в атмосфере, полностью отвечающий цели диссертации;
2. Верификация модели с данными экспериментальных измерений и мольными расчетами других авторов дает 4-7%-е расхождение результатов, что зъясняется в том числе и различными (не всегда идентичными) входными дан-лми моделей;
3. Взаимное сравнение данных, полученных в результате применения раз-1чных расчетных методов (дельта-метода .Эддингтона и метода последова-льных порядков рассеяния), показало, что расхождение между ними не пре-лшает 1%, что говорит о высокой точности и надежности модели;
4. Получены систематические данные о спектрально-пространственных шях солнечной УФ радиации в атмосфере (для различной высоты солнца и >емени года) и проведен их всесторонний анализ;
5. На любой длине волны в диапазоне 280-340 нм спектральная плотность юсеянной УФ радиации формируется не всей атмосферой, а лишь сравнитель-) небольшой ее частью - эффективным рассеивающим слоем (ЭРС), который жализован в относительно узком диапазоне высот;
6. Поверхности земли в естественных условиях достигает ничтожная 1сть УФБ радиации - доля прямой УФБ радиации, достигающей земной по-:рхности, даже летом в умеренных широтах не превышает 0,1% от поступаю-ей на верхнюю границу атмосферы;
7. Спектры УФ радиации в умеренной и, особенно, в тропической зо являются более жесткими и биологически опасными. В тропических широт доза поражения эритемы может достигать значений -47-54 л,кВп/ 1 ■ Д°за п
ражения ДНК —1,8-2,2 "^"/^г > а Д°за поражения растительности - ~ 1,5-1
м*ву , в то время как на 40-50° с. и ю.ш. величина всех трех доз поражен
уменьшается ~ в 2 раза.
Таблица 7. Дозы поражения^ ДНК (В1). эритемы (Р.!) и р
тительности (Р1) для различных широт (первая строка). Апрель 1999 г., вень фона. Зенитный угол солнца 60 °_______
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60
3,47 4,27 5,37 6,19 7,05 7,01 6,32 4,68 3,47 2,55 2,16 2,11
Е1 151 172 201 220 239 238 223 183 150 124 111 109
Р1 32,4 40,7 51,5 59,2 66,7 66,3 60,2 44,8 32,4 22,6 18,4 17,8
В третьей главе рассматриваются особенности отклика полей солнечн УФ радиации в атмосфере на различные нарушения пространственного расп] деления ее газового и аэрозольного состава, такие как разрушение атмосфер* го озона выбросами химически активных продуктов сгорания ракетного и ( молетного топлива, продуктов вулканической деятельности, аномальные из» нения ОСО в области антарктической озонной "дыры" и инверсные аэрозо; ные слои. Дана оценка биологическому воздействию УФ радиации в услови нарушения пространственной структуры атмосферного озона и аэрозоля.
В п. 3.1. рассматривается вертикальная структура полей рассеянной радиации в атмосфере. Вводятся определения факторов радиационного уси ния (ФРУ) и возмущения (ФРВ) солнечной УФ радиации в атмосфере:
■п возмущенный / у \ / 1
ФРУ (г, Л) = ' /гФ^^ху фРВ{тЛ) = у(Гю'"™'"""\тЛ)-Рф''т",,(г.Л)).
где я)-возмущенное значение избранной характеристики поля УФ
радиации, г ^""^(г, Л)-значениеизбранной характеристики поля УФрадиаци характерное для уровня фона, а где значение избранной характерней-поля УФ радиации вне атмосферы.
Установлено, что отклик по'ля УФ радиации (в диапазоне длин волн Х+ДХ]) на нарушение содержания атмосферного озона в слое [И, Ь+АЬ] заме: только в том случае, если слой возмущения озона расположен внутри слоя : фективного рассеяния (для радиации, длины волн которой лежат в диапазоне Х+ДЭД) или частично его перекрывает. Возмущение распределения атмосферш озона в узком диапазоне высот [Ь, Ы-ДЬ], ДЬ«Ь, вызывает появление в сп тральной зависимости фактора возмущения поля рассеянной УФ радиации кого максимума с центром на длине волны, для которой положение радиации но-образующего центра (характеризующегося максимальным значением ко фициента преобразования радиации - отношения возмущения радиации к в мущению содержания озона) ее ЭРС совпадает с положением слоя возмущу озона. При этом спектральный максимум будет тем уже, чем уже слой разру! ния озона.
9«"Sl-
-H4..
J К М Л М J Л А « О N I)
Рис. 1. Изменение 0С0 относительно уровня 1995 г.. являющееся следствием загрязнения атмосферы выбросами флотом стратосферной авиации продуктов сгорания реактивного топлива. 2015 г. 500 самолетов. 50% выбросов - жндкока-пельный аэрозоль.
Высотно-широтные поля ФРВ состоят из этдельных слоев, в которых и локализованы эсновные области возмущений УФ радиации. При этом пространственно локализованное возмущение поля УФ радиации на длине волны К (или в спектральном диапазоне [А, А.+ДА]) возникает в тех областях пространства, где расположен соответствующий данной длине волны слой эффективного рассеяния, и при условии, что пространственное распределение атмосферного озона будет подвергнуто изменениям в этой же области. Таким образом, при исследовании закономерностей изменений полей УФ радиации в атмосфере удобно использовать понятие слоя эффективного возмущения УФ радиации, который можно рассматривать как область пространства, в которой на данной длине волны сосредоточен-наиболее заметный отклик радиации на возмущение состава атмосферы. При этом границы слоя выбираются таким образом, чтобы любым возмущением поля радиации за пределами этой области по сравнению с величиной возмущения в любой точке области можно было пренебречь.
Слои эффективного возмущения УФ радиации обладают теми же свойствами, что и слои эффективного рассеяния - они поднимаются на более высокие уровни при увеличении зенитного угла солнца и при переходе от тропических широт к полярным, для любых длин волн АЛ и XI (А.КА.2) слой эффективного возмущения УФ радиации на длине волны будет лежать выше эффективного рассеивающего слоя для длины волны 12.
В п.3.2. исследуется влияние полетов стратосферной авиации на структуру полей солнечной УФ радиации в атмосфере.
Сверхзвуковая гражданская авиация (High Speed Civil Transport, HSCT) -класс авиации, который, по-видимому, появится в ближайшем будущем, - будет осуществлять перелёты со сверхзвуковыми скоростями (Mach 2.4, 2600 км/ч) на высоте около 19 км, в средних слоях стратосферного озона. Авиационными загрязнениями, в первую очередь касающимся стратосферного озона и климата, являются оксиды азота NOx, вода и частицы аэрозоля (в том числе оксиды серы SO,).
На рис. 1 представлено широтно-сезонное поле распределения изменения общего содержания озона, которое ожидается к 2015 году (AER Corp., USA). В сценарии предполагается, что к 2015 г. в атмосфере будет постоянно находиться 500 сверхзвуковых самолетов. В качестве гипотезы преобразования SO, в SO, принято предположение о 50%-ном выходе реакции. Выброс в атмосферу компонент сгорания топлива задан двумя индексами эмиссии - индексом эмиссии NOx (5 грамм NOxHa килограмм топлива) и индексом эмиссии серы (0.4 грамма S на килограмм топлива). Максимальное падение содержания озона наблюдает-
ся б полярных широтах северного полушария, где оно достигает одного процента.
Характерной особенностью любой зависимости ФРВ УФ радиации от длины волны падающего излучения (при фиксированном значении широты ф) в диапазоне длин волн 280-340 нм является наличие узкого спектрального максимума, лежащего в диапазоне длин волн 305-318 нм.
Уменьшение ОСО в пределах 1% вызовет в области спектрального максимума (А.>305 нм) увеличение приземной УФ облученности всего лишь на величину ~0,1-0,6% в тропиках и -0,6-1,95% в умеренных и полярных широтах. Между тем, в коротковолновой области диапазона компоненты потоков УФ радиации на длине волны 290 нм в полярных широтах северного полушария на уровне земли могут увеличиваться на -33% (при уменьшении ОСО озона на 0,8-1,0%).
Поля ФРВ состоят из отдельных эффективных слоев возмущения (ЭСВ), в которых локализованы основные области возмущений УФ радиации. ЭСВ компонент потока УФ радиации возникают в тех же областях пространства, где для данных длин волн в атмосфере лежат эффективные рассеивающие слои.
Рис. 2. Высотно-широтное по1 фактора радиационного возм щения ДЛ нисходящего пото] на длине волны 308,6 нм, апре.! 2015 г., сценарий стратосфернс авиации. Солнечный зенитнь угол - 80°.
ЭРС центрирован на высоте 32-40 км.
ЭСВ № 1 центрирован на высо-~ 30-32 км, ЭСВ № 2 - на высо-~ 12-15 км, ЭСВ № 3 - на высо--21-23 км.
Длина волны
Широта, 0
Рис. 3. Спектральная плотность ФРВ УФ радиации, рассеянной в зенит, на высоте 14 км. Октябрь 2015 г., зенитный угол солнца -80°.
Отношение отклика интегральной дс зы эритемного облучения (выраженного %) к изменению ОСО (в %), вызванного пс летами стратосферной авиации, составляе порядка 1,5-2,2 единиц для любого значени широты и зенитного угла солнца. Измен! ние дозы эритемного в северном полушари (60° с.ш.) может достигать значений ~2°/ изменение дозы ДНК - -0,3%, а дозы пор; жения растительности - -0,4%. Такие изм! нения могут привести к заметным наруш< ниям экологического баланса в полярны районах, где формирование экологически систем шло в условиях низкого естественнс го уровня приземной УФ радиации.
Таблица 2. Изменение (в %) доз поражения ДНК (01), эритемы (Е1) и растительности (Р1) для различных широт (первая строка). Апрель 2015 г. Зенитный угол солнца 60°. Сценарий стратосферной авиации.
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60
DI 0,082 0,061 0,046 0,031 0,026 0,040 0,076 0,117 0,178 0,242 0,298
EI 0,54 0,40 0,31 0,21 0,17 0,27 0,51 0,76 1,14 1,53 1,88
PI 0,086 0,060 0,044 0,029 0,024 0,038 0,079 0,131 0,217 0,309 0,383
В п. 3.3. исследуется воздействие загрязнения атмосферы продуктами сгорания ракетного топлива на структуру полей солнечной УФ радиации.
Выброс отработанного топлива двигателями ракеты происходит по всей трассе активной работы двигателей при движении ракеты сквозь всю толщу тропосферы и стратосферы. Ракета при прохождении сквозь толщу атмосферы своим слепом "вырезает" в атмосфере "окно" [диаметром несколько сотен метров), в котором озон разрушается на всех высотах точти полностью и практически мгновен-ю. Также происходит частичное перерас-1ределение озона во внешние по отноше--шю к этому "окну" слои атмосферы. Одновременно с этим происходит посте-тенное заполнение этого "окна" газами окружающего воздуха и "схлопывание" ззонного "тоннеля".
Используемое в данной работе предположение о том, что в струе выхлопа в C/j превращается 1% HCl, приводит к быстрому разрушению озона, - максимальное его процентное уменьшение достигает 70% на высоте 40 километров 1ерез 1-2 часа после запуска (рис. 4). В работе значение коэффициента диффузии >ыло принято равным в соответствии с оценками наиболее вероятных
:остояний атмосферы во время запуска.
Модель расчета полей УФ радиации в атмосфере откорректирована с уче-ом специальной геометрии задачи - локального изменения пространственного >аспределения озона в вертикальном цилиндрическом "столбе" полета ракеты, окруженного невозмущенным полем распределения озона, и диффузионного 1асплывания озонной аномалии с течением времени.
Проведён анализ временных и пространственных характеристик наруше-;ия профиля ВРО на трассе активной работы двигателей крупногабаритных вёрдотопливных ракет и представлена модель изменения ВРО в зоне их полёта. 1роведен анализ возмущения полей УФ радиации в окрестностях точки запуска акеты при условии падения солнечных лучей под углом к траектории полета. Остановлено, что на любом расстоянии от точки запуска ракеты изменение ровня УФ облученности достигает своих максимальных значений не в первые гинуты после запуска, а лишь спустя 1,5-3,5 часов. Изменение величины возму-1ения поля УФ радиации в атмосфере на различных расстояниях от точки за-
Расстояниеотместа запуска, км
III \ V V \ \ \ \ \
\ \ \ i\ \ \ \
: \Y\ \ \ \ \ \ \
/ 4 V
' . ' .
Время, часы
Рис 4. Концентрация атмосферного озона (в % от невозмущенного уровня) в стволе запуска ракеты "Space Shuttle".
\
16
пуска с течением времени полностью повторяет все особенности пространственно-временного изменения поля содержания атмосферного озона.
При оптимальных условиях геометрии наблюдения солнечной УФ радиации, пропущенной атмосферой, - сквозь след ракеты - спектральная плотность актинического потока на поверхности земли в точке запуска ракеты спустя 1,5-2 часа после пуска может в диапазоне длин волн 280-290 нм увеличиваться в 120 раз и более, в диапазоне 300-310 нм - в 3-1,5 раза, а в диапазоне 310-320 нм-в 1,1-1,01 раза. Такое изменение облученности в наиболее биологически опасном диапазоне УФ спектра (290-315 нм) приводит к тому, что в течение 9-12 часов после запуска ракеты биологические организмы даже на достаточно больших расстояниях от места запуска (~7-9 км) будут подвергаться жесткому облучению. Спектральная плотность восходящего потока на уровне 60 км над местом запуска ракеты в диапазоне длин волн 280-290 нм может увеличиваться в 4 раза и более, в диапазоне 300-310 нм-в 9-2 раза, в диапазоне 310-320 нм-в 1,6-1,25 раза и в диапазоне 320-340 нм - менее чем в 1,2 раза, что позволяет наблюдать такие аномалии в течение 7-9 часов после запуска при помощи аппаратуры, установленной на высотных самолетах и спутниках (рис. 5).
При удалении от точки запуска ракеты возмущение поля УФ радиаци достигнет своего максимального значения позже,- чем возмущение поля УФ р; диации в точке запуска и на любом высотном уровне над ней.
Таблица 3. Отношение возмущенных значений спектральной плотности а) тинической (на уровне земли), нисходящей (на уровне земли) и восходящей (г уровне 60 км) компонент потока УФ радиации к их невозмущенным значения в центре очага радиационного возмущения - точке старта ракеты спустя 1,7 ч; са после запуска.
Длина волны X, нм Изменение актинического потока на уровне земли Изменение нисходящего потока на уровне земли Изменение восходящего потока на уровне 60 км
290 180 120 4,40
300 3,28 2,6 9,31
308,6 1,28 1.25 1,96
312,5 1,10 1,07 1,47
317,5 1,033 1,02 1,24
322,3 1,007 1,002 1,13
Расстояние, км
'Ш\ \ 1
" "Ь-" .' ..... ■
Время, часы
Рис. 5. Изменение (в %) спектрально! плотности восходя щего потока на уров не 60 км, тропики сценарий возмущени: озона ракетой "Spac shuttle", длина волнь - 300 нм, поля Ус] радиации рассчитань для местных значе ний зенитных yrnoi солнца.
Таблица 4. Время, прошедшее после старта ракеты, по достижение которого эзмущение поля УФ радиации в атмосфере на всех высотных уровнях достига-■ своих максимальных значений. Данные приведены для точек пространства, иленных на различные расстояния (первая строка таблицы) от места старта акеты.
0 км 1 км 2 км 3 км 4 км 5 км 6 км 7 км
часы 1,5-1,8 1,6-1,9 2,0-2,6 3,2-3,4 3,3-3,4 3,4-3,6 2,8-3.1 2.0-2.4
ч1 —
В п.3.4. исследуется отклик полей солнеч-)й УФ радиации в атмосфере на извержения лканов. Воздействия на режим УФ радиации ¡вержений вулканов Пинатубо и Эль Чичон тоявляют одинаковые тенденции. По сравнено с Эль Чичон, все особенности изменения щиации после извержения Пинатубо выра-ены более ярко и в некоторых случаях значи-льно превосходят их по -порядку величины, эзмущения пространственного распределения •мосферного озона и аэрозоля, возникающие результате извержений вулканов, приводит к ^явлению в спектрально-высотных полях РВ компонент потоков УФ радиации эффектных областей, в центре которых возмуще-ie поля УФ радиации превышает возмущение пюбой точке поля вне этой области более чем 10 раз (рис. 6). Для значений зенитного угла солнца -60-80° смещение АХ поженил спектрального максимума ФРВ любой компоненты потока УФ радиа-ш при переходе от меньших значений высот к большим практически обратно юпорционально изменению высоты Ali и может быть аппроксимировано ли-йной зависимостью вида = -Ahmax + В.
Изменения в общем содержании атмосферного озона, наблюдаемые как в [еренных, так и в полярных широтах, приводят к значительному увеличению овня УФ облученности в биологически наиболее опасной части спектра эитемном диапазоне).
В диапазоне длин волн 300-320 нм происходит заметное увеличение спек-ального альбедо системы Земля-атмосфера. Это полностью согласуется с стом альбедо УФ радиации в том же спектральной области по данным измерений SBUV.
Рис 6. ФРВ спектральной плотности нисходящего потока, Пинатубо, тропические широты, солнечный зенитный угол 80°.
"аблица 5. Фактор понижения ОСО.
ОСО,
Д. е.
Тропики, Эль Чичон. 10
Тропики, Пинатубо. 23
Умеренные. Пинатубо. 25
Полярные, Пинатубо. 59
Разделение различных факторов, ответственных за изменение полей УФ радиации, необходимо для разработки адекватной методики обратных задач спутниковой озономет-рии. Это заключение подтверждается как модельными расчетами, так и данными измерений БВиУ (1994 г.).
Возмущение пространственного
распределения атмосферного озона и аэрозоля, возникшее в результате изв< жений Пинатубо и Эль Чичон, приводит к возрастанию интегральных доз с лучения - эритемной дозы облучения, дозы поражения ДНК и растительное После извержения Пинатубо эритемная доза облучения в тропических широт увеличилась на ^>мкВт/смг (9,6% от невозмущенного уровня эритемной дс
солнечный зенитный угол - 10°), в умеренных - на 2,6 мкВт/ 2 (6,4%, солн<
/ СМ
ный зенитный угол - 30е), а в полярных - почти на 0,5 мкВ"Усм2 ('6,6 %, солн< ный зенитный угол - 60°). При этом доза поражения ДНК для тех же значен зенитного угла солнца в тропиках увеличилась на 0,66 мкВт/см1 (17,7 %), в уи
ренных - 0,27 мкВ"/смг (11%), в полярных - 0,03 мкВ"/см2 (24%), а доза поражен
растительности - на 1,7 mkB"/cmi (9,5%), 0,8 мкВт/слр (5,7%) и 0,
мкву (12,9%), соответственно. После извержения Эль Чичон эритемная дс
облучения в тропических широтах (солнечный зенитный угол - 10°) увеличила на 3<4мкВ"Усм2 (6,7%), доза поражения ДНК - на 0,41 мкВт/с^. и доза поражен
растительности - на 1,1 мкВт/см^ (6,2%). Изменение доз радиации после изве жения Эль Чичон приблизительно в 2 раза меньше, чем после извержения Пт тубо, что объясняется в ~2 раза меньшим понижением ОСО.
Таблица 6. Относительное изменение спектральной плотности восходяще потока на уровне 60 км после извержения вулкана Пинатубо (умеренные шщ ты) для различных значений длины волны солнечной УФ радиации (первая строк и зенитного угла солнца (первый столбец).
300 нм 310 нм 320 нм 330 нм
30° 1,023 1,14 1,050 1,021
40° 1,022 1,16 1,056 1,022
50° 1,021 1,17 1,062 1,023
300 нм 310 нм 320 нм 330 нм
60° 1,019 1,19 1,064 1,025
70" 1,018 1,2! 1,067 1,025
80° 1,019 1,24 1,071 1,025
Таблица 7. Изменение (в %) спектральной плотности эритемной дозы / ражения на уровне земли для избранных значений длины солнечного зенитного уг (первый столбец таблицы) и различных сценариев возмущения атмосферного о ■ на и аэрозоля: после извержения вулкана Пинатубо (тропические, умеренные и г, лярные широты) и Эль Чичон.
Эль Чичон, Пинатубо, Пинатубо, Пинатубо,
тропики тропики умеренные широты полярные широты
20° 6,1 9,3 - -
30° 5,9 8,6 6,5 -
40° 5,3 7,7 5,9 -
50° 4,8 5,9 4,9 -
60° 3,2 4,5 3,5 16,4
70° 1,9 2,7 3,4 14,0
80° 1,0 1,9 3,3 8,1
В п. 3.5. исследуется антарктиче-кая озонная "дыра". Аномалии в Юж-юм полушарии отмечаются с начала 0-х годов. Явление озонной дыры в Антарктике состоит в устойчивом меньшении ОСО в полярных широтах уж но го полушария в сентябре-октябре : более поздним наступлением весенне-
0 максимума общего содержания ат-юсферного озона. Уменьшение озона роисходит в основном на высотах 12-24 км, причем в слое максимума онцентрация уменьшается на 70-80 % и олее (рис. 7).
Данные, приведенные на рис. 7, были использованы для оценки перерас-ределения потоков УФ радиации в области антарктической озонной "дыры", [отоки УФ излучения вычислялись в приближении безоблачной атмосферы, гнитный угол Солнца £„=80°, альбедо подстилающей поверхности - 0,8, что зляется типичными параметрами для весенних условий станции Мак-Мердо.
Отклик полей солнечной УФ радиации в атмосфере на аномальные изме-;ния в пространственном распределении концентрации атмосферного озона в элярных широтах южного полушария (антарктическая озонная "дыра"), воз-гкающие в весенние месяцы, во многом сходен с откликом полей УФ радиации
1 другие естественные и антропогенные источники возмущения поля атмо-зерного озона (такие как извержения вулканов, загрязнения атмосферы выносами самолетов и ракет) и проявляет одинаковые тенденции при оценке по-едствий различных сценариев разрушения озона.
Возмущение пространственного распределения атмосферного озона в по-рных районах южного полушария приводит к появлению в спектрально-
высотных полях ФРВ компонент потоков УФ радиации эффективных областей (рис. 8). в центре которых возмущение поля УФ радиации превышает возмущение в любой точке поля вне этой области более чем в 10 раз.
В диапазоне длин волн 300-320 нм происходит заметное увеличение спектрального альбедо системы Земля-атмосфера. Это полностью согласуется с ростом альбедо УФ радиации в том же спектральной области по данным измерений SBUV [1994].
В течение октября 1986 г. интегральные дозы поражения эритемы, ДНК и раститель-„ ности в отдельные дни увеличивались отно-ис 8. ФРВ спектральной сихельн0 своих среднеклиматических значе-тотности актинического по- ний в 2.2 I pa3ai а изменение любой из доз жа, антарктическая озонная относительНо уровня фона (выраженное в %) ,ipa, 23 октября 1986 г., сол- в течение i.2-x дней (17 и 19 октября, напри-:чный зенитный угол - 80°. мер) могло юмениться в 1,5-2 раза. В %-м
"V
Li
Рис. 7. Вертикальное распределение концентрации озона в атмосфере над станцией Мак-Мердо 30 сентября, 14, 17, 19. 21 и 21 октября 1986 г. Основное разрушение озона происходит на высотах ~10-24 км, при этом хорошо заметно смешение основных слоев разрушения озона на более низкие высоты к концу октября.
ы с о т а , км
Длина волны, нм
соотношении для всех сценариев возмущения озона наибольшие измене происходят с дозой поражения эритемы (максимальное значение изменеш; 28,7 мкВт/смг. 111% 21 октября), а наименьшие - с дозой поражения Д
(максимальное значение изменения - 0,25 мкВт/смг. 27,3% 19 октября 1986
Таким образом, можно сделать вывод о сильной изменчивости структуры ражения поля пространственного распределения атмосферного озона с течен времени и отклика полей УФ радиации на эти изменения.
Разделение различных факторов, ответственных за изменение полей радиации, необходимо для разработки адекватной методики обратных за спутниковой озонометрии. Это заключение подтверждается как модельнь расчетами, так и данными измерений БВЦУ [1994].
Таблица 8. Изменение (в %) спектральной плотности актинического пс ка УФ радиации на уровне земли для избранных значений длины волны (пер строка таблицы) и различных сценариев возмущения атмосферного оз (первый столбец таблицы). Антарктическая озонная дыра, состояние на 30 < тября, 14, 17, 21 и 23 октября 1986 г., солнечный зенитный угол - 80°.
290 нм 300 нм 308,6 нм 312,5 нм 317,5 нм 322,3 нм
30.09.86 98 26 54 41 14 4,4
14.10,86 99 85 72 49 10 9,2
17.10.86 100 100 99 89 59 18
19.10.86 100 97 88 76 21 9,6
21.10.86 101 100 99 78 52 18
23.10.86 99 85 72 49 10 9,3
В п. 3.6. исследовался отклик полей солнечной УФ радиации на присутствие в атмосфере полей разорванной облачности. Слой кучевых облаков задавался на площади 50x50 и включался в стратифицированную модель безоблачной атмосферы. Для каждого значения балла облачности моделировались облачные поля, использовавшиеся в расчетах переноса УФ радиации. Средний диаметр облаков изменялся от 1,0 до 1,7 в зависимости от балла облачности в зените.
Облачность является важным фактором, влияющим на структуру полей солнечной УФ радиации в атмосфере. Высокая динамика изменчивости облачной обстановки с течением времени может вносить существенные искажения в структуру радиационных полей (изменения уровней радиации при сплошной облачности могут составлять 6080%), которые необходимо учитывать в модельных расчетах и при анализе результатов наблюдений.
Являясь хорошим "щитом" от биологически опасного УФ излучения, поля разорванной облач-
Длина »олкы.нм
Альбедо подстнлающейловерхнос
Рис. 9. Изменение (в спектральной плотное актинического пото на уровне земли, Аб, ] то умеренных шир< континентальная моде аэрозоля, балл oблaч^ ста в зените 7, солн( ный зенитный угол 30
эсти способны уменьшать (ачения доз поражения жи->1Х тканей на десятки %, юи сплошной облачности эгуг уменьшать величины 53 поражения в 10 и более 13, что говорит о высокой ггественной изменчивости «логического воздействия риземной УФ радиации в :чение суток.
Наиболее чувствитель-эй к изменению облачной 5становки является ДНК -зменения (в %) интеграль-эй дозы поражения ДНК в ;новном превышают %-е зменения доз поражения эитемы и растительности, ем не менее изменения дозы эражения ДНК, выражение в абсолютных единицах
мкВпу
малы по сравне-
но с изменениями эритем ой дозы облучения - в мкВщ
Рис.10. Поле распределения ФРУ (выраженного в % относительно уровня безоблачной атмосферы) спектральной плотности восходящей компоненты потока солнечной УФ радиации на длине волны 300 нм, уходящей в верхнюю полусферу с высоты 60 км. Поле УФ радиации рассчитано для глобального распределение месячных значений среднего покрытия небосвода облаками Ас (толщина облаков постоянна и равна 0,3 км) по всему земному шару для января. Зенитный угол солнца - 60°.
г их значения могут отличаться в 10 и более раз.
Появление в атмосфере полей разорванной кучевой облачности увеличи-зет поток уходящей солнечной УФ радиации. Даже для относительно тонких 00-150 м) слоев разорванной высоко-кучевой облачности наблюдения спек-зальной плотности восходящего потока УФ радиации позволяют в режиме ре-1ьного времени изучать протекающие в атмосфере процессы, связанные с об-азованием облачности, и получать изображения различных слоев атмосферы и ;мной поверхности в диапазоне длин волн 290-340 нм (рис. 10).
Таблица 9. Изменение (в %) спектральной плотности актинического пото-1 для избранных значений длины волны (первый столбец таблицы) и балла об-ачности в зените (первая строка таблицы).'Поле разорванной облачности со-гоит из высокослоистых облаков (Аб), вертикальные профили атмосферного авления, температуры и парциального давления озона соответствуют модели гга умеренных широт, континентальная модель аэрозоля. Солнечный зенит-ый угол - 60°. Альбедо подстилающей поверхности - 0,2.
1 3 5 7 9 10
!90 нм -11 -13 -25 -57 -59 -75
100 нм -11 -12 -22 -54 -58 -69
>10 нм -11 -10 -22 -55 -56 -68
120 нм -12 -12 -22 -55 -56 -66
530 нм -14 -16 -23 -55 -55 -68
Таблица 10. Изменение (в % относительно уровня безоблачной атмосфер интегральной дозы эритемного облучения (Е1), дозы поражения ДНК (О!) и рг тительности(Р1) на поверхности земли для различных значений балла облачи сти в зените (первая строка таблицы). Поле разорванной облачности состоит высокослоистых облаков (Аб), вертикальные профили атмосферного давлещ температуры и парциального давления озона соответствуют модели лета у к ренных широт, континентальная модель аэрозоля. Солнечный зенитный у го; 60°. Альбедо подстилающей поверхности - 0,2.
1 3 5 7 9 Сплошная облачность
Е1 -3,29 -14,7 -23,6 -42,1 -60,5 -64,9
VI -3,31 -17,4 -28,0 -50,4 -73,2 -81,0
Р1 -3,39 -15,0 -24,2 -43,1 -62,4 -72,5
В п. 3.7. рассматривается один из примеров влияния тонкой структу пространственного распределения атмосферного аэрозоля на структуру по; солнечной УФ радиации в атмосфере. Результаты исследования особенностей I клика полей приземной УФ облученности на тонкую структуру атмосфернс аэрозоля (тонкий инверсионный слой толщиной ~1 км), проведенного при поищи разработанного комплекса моделей и впервые показавшие, что в формировании поля приземной ультрафиолетовой облученности при определенных условиях приземный инверсионный аэрозольный слой может конкурировать с естественными изменениями в основном озоновом слое Земли, что недавно было экспериментально обнаружено в районе Средиземноморья.
В условиях присутствия в атмосфере инверсных слоев содержания атмосферного аэрозоля, в середине УФ-Б диапазона (на длине волны 300 нм) изменение оптической толщины атмосферы на 1%, связанное с изменением аэрозольной замутненности, эквивалентно изменению оптической толщины атмосферы на 0,4%, связанному с уменьшением концентрации озона на высотах -12-35 км.
В заключении диссертации сформулированы основные результаты, достигнутые при разработке нового комплекса Ч1 ленных моделей расчета полей солнечной УФ радиации в атмосфере, и обо щены результаты исследования отклика полей солнечной УФ радиации на р< личные изменения пространственной структуры основных радиационн активных составляющих атмосферы в УФ диапазоне, приведенные в раздел автореферата «научная новизна работы», «практическая ценность результат работы» и «положения, выносимые на защиту».
■I « 1 I 1
Отношение гначепив иисходашего потока в ниверснон слое к его фоновому жэчению
Рис. 11. Вертикальный профи отношения значения суммы нис> дящего и восходящего поток солнечной УФ радиации в инве{ ном слое к его фоновому значет в обычных условиях, рассчип ный численной моделью, пре ставленной в диссертации. Дли волны УФ радиации - 300-340 н зенитный угол Солнца - 60°.
Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:
Кузнецов Г.И., Манойло A.B., 1998: Влияние антропогенных нагрузок на режим солнечной УФ радиации, интенсивность воздействия на живую ткань и активность гетерогенных процессов в формировании аномалнй озонного слоя Земли.//N4.. Сборник трудов Первой Всероссийской конференции "Физические проблемы экологии", тЗ.
Kuznetsov G.I., Manoilo А.У., Semutnikova E.G. and Terekhova O.A., 1998: Radiative Perturbation by the HSCT Fleet: A Sensivity Study. //Virginia Beach Conference Center. Conference on the Atmospheric Effects of Aviation, Abstracts.
H.A Крамарова, Г.И Кузнецов Г.И., A.B. Манойло, Е.Г. Семутникова, O.A. Терехова: Влияние полетов стратосферной авиации на режим УФ излучения и образование аномалий в озонном слое Земли. \\ труды конференции молодых ученных,. Москва, Институт физики атмосферы, 1998 г.
H.A. Крамарова, Г.И Кузнецов Г.И., A.B. Манойло: Влияние выбросов продуктов сгорания реактивного топлива на режим солнечного УФ излучения Д\ сборник трудов конференции "Физические проблемы экологии-99", Москва, МГУ. H.A. Крамарова, Г.И Кузнецов Г.И., A.B. Манойло: Использование численных радиационных моделей для изучения тонких структур пространственных распределений озона и аэрозоля в атмосфере на структуру полей УФ радиации \\ сборник трудов конференции "Физические проблемы экологии-99", Москва, МГУ. H.A. Крамарова, Г.И Кузнецов, A.B. Манойло: Перспективы применения численных моделей расчета полей яркости УФ радиации в атмосфере для оценки последствий разрушающего воздействия продуктов сгорания топлива реактивной авиации \\ сборник трудов конференции "Физические проблемы экологии-99", Москва, МГУ.
G.I. Kuznetsov, O.A. Tarasova, A.V. Manoilo: The Features of Background Regime Formaiion and Objects with Own Brightness Observation in Ultraviolet Wavelength Range in the Earth's Atmosphere \\ Algorithms foT Multispectral and Hyperspectral Imagery V, Proceedings of SPIE, Orlando, Florida, 2000.
Г.И. Кузнецов, A.B. Манойло: Особенности отклика полей солнечной УФ радиации в атмосфере на различные нарушения ее газового и аэрозольного состава \\ Сборник тезисов 6-й конференции молодых ученых МАПАТЭ-2000, Нижний Новгород, 2000, С.39.
Г.И. Кузнецов, A.B. Манойло: Особенности отклика полей солнечной УФ радиации в атмосфере на различные нарушения ее газового и аэрозольного состава \\ Сборник трудов 6-й конференции молодых ученых МАПАТЭ-2000, Нижний Новгород, 2000.
.Г.И Кузнецов, A.B. Манойло: Особенности отклика полей солнечной УФ-радиации в атмосфере на полеты высотной авиации и запуски твердотопливных ракет. \\ Двойные технологии, № 3, 2000 г., Москва, Российская инженерная академия, с. 78.
.Г.И Кузнецов, A.B. Манойло: Влияние полетов сверхзвуковой стратосферной авиации и ракет на структуру полей солнечной ультрафиолетовой радиации в атмосфере. \\ Двойные технологии, № 3, 2000 г., Москва, Российская инженерная академия, с. 79-82.
• N.A. Kramarova, G.I. Kuznetsov, A.V. Manoilo, E.G. Semutnicova, and O.A. Tarasova: Investigation of Regime and Fine Structure of UV Radiation Fields in the Eath's Atmosphere w Current Problems in the Atmospheric Radiation, St.-Peterburg, 2000, pp.89-90.
ООП Ъкз.Ъ-va :.1ГУ Зпк. 183-7Э-200Э".
Введение Диссертация по геологии, на тему "Особенности отклика полей солнечной ультрафиолетовой радиации в атмосфере на различные возмущения ее газового и аэрозольного состава"
В 1. Современное состояние исследованийктуры полей солнечной ультрафиолетовой радиации в атмосфере.
В 2. Цель и основные сведения о диссертационной работе.
Глава 1. Разработка методики расчета структуры полей солнечной УФ радиации в атмосфере.
1.1. Постановка задачи расчета структуры полей солнечной УФ радиации в атмосфере.
1.2. Метод последовательных порядков рассеяния. Расчет полей энергетической яркости солнечной УФ радиации в атмосфере.
1.3. Дельта-метод Эддингтона. Схема расчета полей компонент потока солнечной УФ радиации в условиях безоблачной атмосферы.
1.4. Методика расчета переноса УФ радиации через разорванную облачность.
Глава 2. Структура полей солнечной УФ радиации в атмосфере в невозмущенных условиях.
2.1. Комплекс взаимосогласованных численных моделей, предназначенный для расчета полей солнечной УФ радиации в атмосфере.
2.2. Результаты верификации разработанного в диссертации комплекса численных моделей атмосферы с данными других авторов.
2.3. Структура полей солнечной УФ радиации в атмосфере в невозмущенных (фоновых) условиях. Эффективные слои рассеяния.
2.4. Выводы.
Глава 3. Отклик полей солнечной УФ радиации в атмосфере на различные сценарии возмущения ее радиационно-активных составляющих.
3.1. Вертикальная структура полей рассеянной УФ радиации в атмосфере. Слои эффективного возмущения.
3.2. Влияние полетов стратосферной авиации на структуру полей солнечной УФ радиации в атмосфере. 79
3.2.1. Сценарий возмущения атмосферного озона полетами стратосферной авиации. 79
3.2.2. Отклик полей УФ радиации на возмущение флотом стратосферной авиации состава атмосферы. 83
3.2.3. Последствия разрушения атмосферного озона флотом стратосферной авиации с точки зрения биологическое воздействие УФ радиации. 94
3.2.4. Выводы. 97
3.3. Воздействие загрязнения атмосферы продуктами сгорания ракетного топлива на структуру полей солнечной
УФ радиации. 98
3.3.1. Сценарий возмущения пространственного распределения атмосферного озона. 98
3.3.2. Отклик полей солнечной УФ радиации в атмосфере. 103
3.3.3. Выводы. 107
3.4. Отклик полей солнечной УФ радиации в атмосфере на извержения вулканов. 109
3.4.1. Извержения вулканов и образование аномалий в озонном слое Земли. 109
3.4.2. Сценарий возмущения пространственного распределения атмосферного озона и аэрозоля. 111
5.4.3. Отклик полей солнечной УФ радиации в атмосфере. 114
3.4.4. Выводы. 123
3.5. Антарктическая озонная "дыра". 124
3.5.1. Изменения, возникающие в структуре полей солнечной УФ радиации в атмосфере. 124
3.5.2. Структура полей солнечной УФ радиации в атмосфере в области антарктической озонной "дыры". 125
3.5.3. Выводы. 135
3.6. Отклик полей солнечной УФ радиации на присутствие в атмосфере полей разорванной облачности. 136
3.6.1. Сценарии возмущения оптических характеристик атмосферы полями разорванной облачности. 136
3.6.2. Отклик полей солнечной УФ радиации в атмосфере. 137
3.6.2. Выводы. 144
3.7. Один из примеров влияния тонкой структуры пространственного распределения атмосферного аэрозоля на структуру полей солнечной УФ радиации в атмосфере. 145
3.7.1. Инверсные аэрозольные слои и поля солнечной
УФ радиации. 145
3.7.2. Выводы. 148
4. Заключение.
149
5. Список литературы.
6. Приложения.
6.1. Приложение к параграфу 2.2. Примеры взаимной верификации расчетов, выполненных на основе различных численных методов - Дельта-метода Эддингтона и метода последовательных порядков рассеяния.
6.2. Приложение к параграфу 2.3. Значения доз поражения эритемы, ДНК и растительности в северном и южном полушариях в фоновых условиях.
6.3. Приложение к параграфу 3.2. Влияние полетов стратосферной авиации на структуру радиационных полей в атмосфере.
6.4. Приложение к параграфу 3.4.3. Изменения в структуре полей солнечной УФ радиации, возникающие в результате извержений вулканов.
6.5. Приложение к параграфу 3.5.2. Изменение структуры полей солнечной УФ радиации в области антарктической озонной дыры.
6.6. Приложение к параграфу 3.6.2. Поля разорванной облачности и изменения в структуре полей солнечной УФ радиации в атмосфере.
151 167
167
169
172
180
191
ВВЕДЕНИЕ.
В 1. Современное состояние исследований структуры полей солнечной ультрафиолетовой радиации в атмосфере.
Естественная ультрафиолетовая (УФ) радиация (солнечная радиация с длинами волн, меньшими 400 нм) является наиболее активным по своему влиянию на биосферу природным излучением. УФ радиация обладает бактерицидным действием, длительное отсутствие УФ радиации может привести у человека к заболеванию, связанному с недостатком витамина D. С другой стороны, увеличение уровня УФ радиации оказывает негативное влияние на живые организмы - угнетение фотосинтеза высших растений и морской биоты, рак кожи, повреждение ДНК и глазные болезни у человека и животных (WMO [1998]). В результате эволюции природные организмы приспособились к фоновому уровню УФ излучения, который необходим для их нормальной жизнедеятельности.
Степень воздействия УФ радиации на любой биологический процесс принято характеризовать спектром действия А(к), определяющим относительный вклад излучения на данной длине волны X в рассматриваемое явление. Мощность эффективной биологической дозы ультрафиолетового излучения D(t) в зависимости от времени t определяется выражением
D(t)= Jf(A, t)A(A)dZ,
Л! где F(X, t) - спектральная плотность потока радиации. Эффективная биологическая доза вычисляется как интеграл от D(t) по соответствующему периоду времени. Принято разделять спектр УФ радиации на "длинноволновый" и "коротковолновый" диапазоны - УФ-А и УФ-Б, соответственно, с границей раздела 315-320 нм. Наибольший биологический эффект на живые организмы оказывает УФ-Б радиация.
Основным поглотителем наиболее опасной УФ-Б радиации является озон. Для характеристики воздействия изменений общего содержания озона (ОСО) в атмосфере на разнообразные биологические процессы используется т.н. фактор увеличения радиации (radiation amplification factor, RAF), который определяется как взятый с обратным знаком коэффициент пропорциональности между относительным изменением ОСО и относительным изменением биологически активной УФ радиации. По данным UV-B Monitoring Workshop Review [1992] (UV-B MVR), для различных явлений RAF может изменяться в пределах от 0.1 до 4. Хотя изменение ОСО влияет в основном на солнечную радиацию в УФ-Б диапазоне длин волн, для расчета RAF необходимо также знать спектральный отклик А(А,) для более длинных волн вплоть до 330-340 нм (т. н. "хвост" спектра действия).
Исследованию воздействия УФ-Б радиации на растения посвящены работы Teramura et al. [1990], Tevini et al. [1991], Bomman et al. [1989]. Жизнедеятельность растений связана с поглощением солнечной радиации, поэтому наибольшая часть их тканей находится под непосредственным воздействием света. В настоящее время лишь небольшое количество видов (в основном - сельскохозяйственных) изучено с точки зрения воздействия УФ радиации (Effects of Increased Ultraviolet Radiation on Biological Systems (EIURBS) [1992]). Наиболее надежные эксперименты, проведенные в полевых условиях, показали большую видовую и внутривидовую изменчивость в стойкости растений к повышенным уровням УФ радиации. Исследования свидетельствуют, что некоторые растения демонстрируют уменьшенную продуктивность и нарушенное воспроизводство в условиях, соответствующих 15-20% истощению озонового слоя.
Изучение воздействия УФ-Б радиации на морские экосистемы особенно важно, так как биологическая продуктивность океанов превосходит все наземные экосистемы вместе взятые (Effects of Increased Ultraviolet Radiation on Biological systems [1992], Smith et al. [1992], Smith et al. [1979], Morel [1988], Smith et al. [1989], Krotkov et al. [1993], De Fabo et al. [1990]). Одним из условий сложившегося в океанских экосистемах равновесия является неизменность спектрального состава падающего солнечного света. Изменение этого равновесия в результате уменьшения ОСО в атмосфере может иметь серьезные последствия для биосферы. Особое значение в этой связи имеет жизнедеятельность фитопланктона как первого и наиболее важного звена пищевой цепочки. В силу того, что солнечная радиация является для фитопланктона единственным источником энергии, он находится в верхних слоях океана и изменения уровня УФ радиации оказывает на него наибольшее влияние. Для коротких промежутков времени биологическая продуктивность фитопланктона уменьшается под действием повышенных уровней УФ-Б радиации. Так, недавние исследования воздействия условий "озонной дыры" на фитопланктон (Smith et al. [1992]) показали, что по мере истощения озонного слоя возрастает относительная доля УФ-Б радиации на поверхности и в верхнем слое океана и наблюдается подавление фотосинтеза. Авторы оценили уменьшение первичной продуктивности, вызванное повышенным уровнем УФ-Б радиации, в 6-12% за время исследования. Высказывались также опасения (EURBS [1992]), что уменьшение продуктивности фитопланктона может послужить толчком для роста концентрации С02 в земной атмосфере, усиливая парниковый эффект. Однако, в настоящее время биогеохимические связи этих процессов изучены недостаточно хорошо. Результаты серии исследовательских работ (Frederick et al. [1991], Smith [1989], Smith et al. [1979], Krotkov et al. [1993]) показывают, что УФ излучение проникает в морскую воду на экологически значимые глубины. Существуют веские основания полагать (EIURBS [1992]), что икра многих морских организмов чувствительна к УФ радиации. Известно также, что различные виды имеют разную чувствительность к УФ-Б радиации. Различные механизмы, такие как фотозащитные пигменты, восстановление повреждений ДНК, вертикальная миграция, могут приводить к повышенной стойкости к естественному УФ излучению.
Известные и предполагаемые воздействия на организмы человека, животных и растений возросшего потока УФ-Б радиации разнообразны - от возникновения рака до подавления иммунной системы (WMO [1998], De Fabo et al. [1990]). Следовательно, истощение озонного слоя, вероятно, будет иметь различные последствия для здоровья людей и животных.
Для значений фактора усиления радиации 0.6-0.9 (в зависимости от широты места) подавление иммунной системы под воздействием УФ радиации наблюдается как у людей, так и у лабораторных животных. Воздействие УФ радиации на глаза вызывает фотокератит, старческую дальнозоркость и некоторые виды катаракты. Согласно оценке UV-B Monitoring Workshop Review [1992], уменьшение озона при неизменных других условиях приводит к миллиону дополнительных случаев слепоты, связанных с катарактой.
Рак кожи является одним из наиболее опасных результатов биологического воздействия УФ радиации на живые ткани человека. Эпидемиологические исследования связывают частоту возникновения рака кожи с накопленной в течении жизни дозой УФ радиации. Использование спектров действия, полученных в экспериментах на мышах, показывает, что 1% уменьшение ОСО приводит к росту биологически активной радиации на 2,3%. Механизмы защиты людей и животных от УФ радиации включают адаптацию, иммунный отклик и системы регенерации поврежденных тканей.
Биологическая активность естественной солнечной УФ радиации определяет важность исследования процессов переноса УФ радиации в атмосфере и атмосферных условий, определяющих ее поступление к поверхности Земли.
Обзор данных о содержании озона в земной атмосфере представлен в работах Хргиан и др. [1973], Перов и др. [1980]. В наиболее упрощенном виде механизм образования озона состоит в следующем.
Жесткое" УФ излучение Солнца, проникая в верхние слои стратосферы Земли, практически полностью поглощается там молекулами кислорода, разлагая их на атомарный кислород: 02 + hv -» 20. Порог этой реакции, по данным Кароль и др. [1983], составляет 242 нм. Источником атомарного кислорода в стратосфере и тропосфере служат также оксиды азота. Реакция N02 +hv N0 + 0 вносит существенный вклад в образование атомарного кислорода в тропосфере, где двуокись азота имеет как естественное, так и антропогенное происхождение.
Реакция между О и 02 - О + Ог -» Оъ, по современным данным (Кароль и др.
1983]), служит основным источником озона. Однако, реальная атмосферная фотохимия озона значительно сложнее и состоит из десятков реакций с соединениями различного происхождения (WMO Scientific Assessment of Ozone Depletion [1998], [1994], [1991], [1990], Еланский и др. [1993]). Важную роль в формировании уровня содержания озона в атмосфере играет его каталитическое разрушение хлорсодержащими соединениями.
Значительное влияние, которое озон оказывает на прохождение УФ радиации в земной атмосфере, определяет важность изучения пространственной и временной изменчивости его концентрации. Общее содержание озона регулярно измеряется на сети из свыше ста озонометрических станций по методу Добсона (Хргиан и др. [1973], Шаламянский [1993]). С 1979 года проводятся регулярные измерения ОСО со спутников приборами TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) (McPeters et al. [1993], Stolarski et al. [1991]).
Сезонное изменение среднемесячного и среднезонального хода ОСО хорошо изучено (Кароль и др. [1983], Атлас климатических карт [1990], Бекорюков и др. [1986]). Основными его особенностями являются постоянный экваториальный минимум, составляющий около 260 Е.Д., и северный приполярный максимум (около 440 Е.Д.) в марте-апреле. Наибольшие сезонные вариации ОСО наблюдаются в полярных широтах, наименьшие - в тропиках.
Стратосферный и тропосферный озон различаются по своему происхождению и влиянию на перенос радиации и биосферу. Стратосферный озон возникает по указанному выше механизму под действием УФ радиации Солнца. Происхождение тропосферного озона частично объясняется динамическими причинами (перенос из стратосферы), частично - фотодиссоциацией естественных и антропогенных оксидов азота.
Данные о вертикальном распределении озона (ВРО) обобщены Бекорюков и др. [1986], Dutsch et al. [1978]. ВРО характеризуется максимумом плотности на высоте -20-25 км. В полярных областях максимум расположен выше и более ярко выражен, чем в тропиках. В нижней стратосфере наблюдается рост содержания озона по направлению к полюсу для всех сезонов, что является результатом глобальной циркуляции атмосферы. Наибольший градиент наблюдается ранней весной. Выше уровня 30 мбар зависимость обратная, что связано с доминирующим влиянием фотохимических процессов над переносом. Существуют различия в распределении ОСО между северным и южным полушариями Земли. Наиболее отчетливо они проявляются поздней зимой, когда для всех высот концентрация озона в Антарктике значительно меньше, чем в Арктике. Для средних широт (50°) различия менее заметны. Характер глобальной атмосферной циркуляции является причиной низких значений ОСО вблизи экватора.
Рассмотрение сезонных вариаций концентрации озона на фиксированных уровнях приводит к следующим результатам. В средней стратосфере (11-22 мбар) содержание озона уменьшается от экватора к полюсу. Следует отметить, что такое широтное распределение сложилось бы и в спокойной атмосфере под воздействием только фотохимических факторов. Следовательно, они преобладают над динамическими в средней стратосфере. Однако, движение воздушных масс также участвует в формировании широтного распределения озона. Так, на этих высотах заметен вторичный максимум концентрации озона в северном полушарии поздней зимой, являющийся результатом глобального переноса, - черта, почти полностью отсутствующая в южном полушарии. Подобное распределение сохраняется и в переходной области 3-9 мбар. Распределение качественно изменяется в верхней стратосфере, где виден отчетливый зимний максимум и летний минимум в верхних и средних широтах. Наибольшая сезонная изменчивость ОСО проявляется в северном полушарии в средних и высоких широтах.
Помимо сезонных, наблюдаются значительные изменения ОСО от года к году. Общее содержание озона меняется в соответствии с 11-летним циклом солнечной активности. Выявлен также квазидвухлетний период таких изменений, связанный с двадцатишестимесячным циклом циркуляции тропической атмосферы. В вертикальных распределениях концентрации озона, рекомендованных Всемирной метеорологической организацией (ВМО) (WMO cloudless standard atmosphera [1986]) в качестве модельных для тропиков, средних и полярных широт, кривые имеют один максимум, соответствующий слою с максимальной концентрацией озона, и экспоненциально спадают на больших высотах. Однако, поскольку содержание озона в воздухе определяется в основном типом воздушной массы, то в результате их перемешивания могут также наблюдаться и смешанные зависимости с двумя и более максимумами.
Большое количество работ посвящено выявлению долговременного тренда ОСО. Надежному обнаружению изменений ОСО с 1957 года (когда начались регулярные изменения) мешают сильная временная изменчивость этой величины, влияние 11-летнего цикла солнечной активности, квазидвухлетних осцилляции (Кароль и др. [1990], Груздев др. [1992]), а также неравномерность распределения станций озонометрической сети (большая часть которых расположена в средних широтах северного полушария) и загрязненность нижней тропосферы и промышленными выбросами. В целом исследователи отмечают рост ОСО в 60-е годы и отрицательные тренды в последующий период. Наибольшие отрицательные изменения наблюдаются в зимние месяцы, наименьшие и даже положительные - в летние. Ведущиеся в течение более 15 лет измерения приборами TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) позволяют регулярно получать глобальные распределения ОСО в атмосфере Земли. Данные за период 11,6 лет с ноября 1978 г. проанализированы Stolarski et al. [1991]. В среднем, между 65° ю.ш. и 65° с.ш. ОСО уменьшалось на 0.26±0.14% в год. Наибольшие изменения наблюдались весной в Антарктике (от -2.0% до -3.0% в год) и между 40 и 50° северной широты (-0.8% в год).
Эти данные были использованы Madronich [1992] для моделирования глобальных сезонных трендов доз облученности биологически эффективной УФ радиацией для безоблачных условий. В расчетах использовался спектр действия для повреждений ДНК. Для северного полушария получен статистически значимый тренд от 5% до 11% за десятилетие.
В научной литературе лишь сравнительно недавно стали появляться результаты исследований изменения структуры полей УФ радиации и биологических доз поражения живых тканей человека, животных и растений, связанные с такими областями административно-хозяйственной деятельности человека как полеты высотной авиации и запуски ракет. Согласно Danilin et. al. [1997], [1998], изменение ОСО, связанное с загрязнением атмосферы выбросами химически-активных продуктов сгорания топлива будущим флотом стратосферной авиации (флот из 500 самолетов), в полярных широтах северного полушария может составить за 25 лет (1995-2015 гг.) величину ~1%, что сравнимо с приведенными выше данными о естественных изменениях ОСО. Несомненно, такие потери в атмосферном озоне должны сопровождаться любопытными изменениями в структуре полей солнечной УФ радиации в атмосфере и биологических дозах облучения. Однако, на сегодняшний день получены лишь первичные оценки изменения уровня приземной УФ облученности и биологических доз поражения эритемного покрова, а вертикальная структура возмущенных полетами высотной авиации радиационных полей в диапазоне 280-340 нм еще не исследована.
Тропосферный озон составляет около 10% от общего количества озона в земной атмосфере. Концентрация тропосферного озона обладает сильной пространственной и временной изменчивостью (Звягинцев и др. [1996]). Оценка влияния тропосферного озона на ослабление УФ радиации должна учитывать то, что от 50% до 100% УФ радиации в нижней тропосфере составляет рассеянная радиация. Это приводит к возрастанию эффективной длины пути, проходимого излучением в тропосфере, и, соответственно, большему его ослаблению за счет газового поглощения и рассеяния (Brühl et al. [1989]).
В работе McKenzie et al. [1991] исследовано влияние общего содержания озона на эритемную радиацию по данным наземных измерений в Лаудер (Новая Зеландия, 45° ю.ш.). Измерения проводились при фиксированных углах Солнца в течение 1990 года. В анализе использовались спутниковые данные об ОСО (прибор TOMS) и наземные измерения по методу Добсона. Из представленных временных зависимостей видно, что наибольшие изменения эритемной радиации вызываются изменениями облачного покрова. Также хорошо заметна отрицательная корреляция с сезонными и дневными изменениями ОСО. Для безоблачных условий получены экспериментальные значения факторов усиления эритемной радиации при изменения ОСО от 240 до 380 Е.Д. - 1,25 ±0,15, которые имеют тенденцию к росту с увеличением зенитного угла Солнца. Найденные значения RAF были больше, если использовались данные TOMS. При одинаковых углах Солнца утренние наблюдения дают меньшие значения RAF, чем послеполуденные. Эти значения систематически больше значений, полученных на основе моделирования. Например, в Madronich et al. [1991] для дневной интегральной дозы получено значение RAF 1,1 (30° с.ш.). Однако, к сравнению экспериментальных и расчетных значений следует подходить осторожно, так как последние вычисляются при фиксированном профиле озона для 1% изменения ОСО, тогда как в эксперименте мы имеем дело с естественными вариациями профиля и ОСО. В McKenzie et al. [1991] отмечается также сильное влияние зенитного угла Солнца и облаков на биологически активную УФ радиацию. Так, например, для безоблачных условий уровень эритемной радиации при зенитном угле Солнца 30° был в четыре раза выше, чем при 60°. Влияние аэрозоля в месте наблюдений характеризовалось как слабое (видимость - 50 км).
Более сильное влияние тропосферного озона на приземную УФ радиацию по сравнению со стратосферным продемонстрировано в ВгиЫ е1 а1. [1989] на основе моделирования и данных о профиле озона, полученных на станции в южной Германии. Здесь концентрация озона в тропосфере практически удвоилась за период с 1968 по 1982 год, что является типичным для континентальных регионов средних широт северного полушария в летнее время. Хотя ОСО уменьшилось в месте измерения на 1,5% между 1968 и 1982 годом, рассчитанное уменьшение УФ-Б радиации за счет роста концентрации озона в тропосфере составило 0,9% в полдень и 0,5% в целом за день.
Если оценивать изменение УФ радиации с учетом ее спектра действия на ДНК, то уровень эффективной УФ радиации уменьшился в два раза, т.е. на 1,7% в полдень и 1% за день. В 1982 году уменьшение стратосферного озона составило 6,4% по сравнению с 1968 годом, в то время как концентрация тропосферного озона выросла на 60%. Изучение приведенных данных показывает непропорционально высокую роль тропосферного озона в ослаблении УФ радиации. Так, рост ОСО на 3,5% приводит к уменьшению биологически активной УФ радиации на 10% для близких значений тропосферного озона. Рост стратосферного озона на 5% вызывает уменьшение дозы лишь на 8,5%.
Расчеты по двухмерной фотохимической модели ВгиЫ е! а1. [1989] также показывают, что рост фоновых концентраций озона в тропосфере северного полушария из-за индустриальных выбросов СО и ЫОх вызывает уменьшение проникновения УФ-Б радиации к поверхности Земли, несмотря на уменьшение стратосферного озона на 20%. Наиболее высокие уровни УФ радиации наблюдаются в Антарктике в период "озонной дыры". В работе 81апте8 Qt а1. [1990] проанализированы спектральные измерения УФ радиации на станции Мак-Мердо (Антарктика, 78° ю.ш.) в диапазоне 280-350 нм. Путем моделирования по этим данным были восстановлены общее содержание озона и эффективная оптическая толщина облачности. Восстановленные значения ОСО хорошо согласуются с наземными (метод Добсона) и спутниковыми (ТОМБ) измерениями. В работе приведены оценки влияния ОСО и облачности на уровень эффективной (ДНК) дозы УФ радиации. Так, для двух дней с близкими значениями оптической толщины облаков (9 и 10) мощность дозы вблизи полудня составила 0,246 мВт/м для ОСО 329 Е.Д. и 0.903 мВт/м2 для 252 Е.Д. Наоборот, для дней с близкими ОСО (291 и 294 Е.Д.) и оптической толщиной облаков 47 и 8 дозы составили 1,32 и 2,09, соответственно.
В отсутствие истощения озонового слоя следовало бы ожидать сезонного хода УФ радиации, симметричного относительно летнего солнцестояния. Однако, приведенные в работе Stanmes et al. [1990] временные ряды свидетельствуют о повышенных уровнях УФ радиации в октябре по сравнению с мартом. Для исследования причины этой асимметрии были выполнены расчеты средних доз в весенний период с пониженным содержанием озона и результаты сравнены с симметричным относительно солнцестояния периодом - осенью. Показано в среднем 20%-е превышение весенней дозы над осенней при соответствующем уменьшении ОСО на 8%. Это дало величину RAF 2,5% в согласии с теоретическими расчетами. Разница в оптической толщине облаков практически отсутствовала. Хотя весной наблюдалось значительное усиление УФ радиации, ее уровень не превышал уровня летнего солнцестояния.
Превышение максимально возможного при нормальной толщине озонного слоя уровня УФ радиации (соответствующего летнему солнцестоянию) зарегистрировано на станции Палмер, Антарктика (Frederick et al. [1991]) в 1990 году. В отличие от 1988 года, когда истощение озонного слоя было ограниченно октябрем и началом ноября, в 1990 году "озонная дыра" существовала вплоть до начала декабря. Для оценки влияния истощения озонного слоя на УФ радиацию Frederick et al. [1991] использовали отношение нисходящих потоков УФ радиации на длинах волн 306,5 и 350 нм. Это позволяет устранить слабо зависящее от длины ослабление радиации облачностью. Длина волны 306,5 соответствует максимуму эритем-ного спектра действия. Таким образом, данное отношение позволяет оценить относительные изменения биологически активной УФ радиации, вызванные изменением толщины озонового слоя. В период с середины сентября до конца декабря лишь для 10 дней это отношение было ниже климатологического и в 20% случаев было более чем в два раза выше климатологического среднего.
Shettle et al. [1974] выполнили расчеты уровней приземной УФ радиации для оптических толщин аэрозоля таег= 0 (чисто молекулярное рассеяние), таег=0.289 (стандартный случай), а также для удвоенной и учетверенной аэрозольной оптической толщины. Результаты показывают, что пренебрежение аэрозольным ослаблением увеличивает суммарную радиацию на 10-20%. Значительно большие ошибки возникают в относительных количествах прямого и рассеянного света. Так, при нормальном падении прямая солнечная радиация возрастает на 50% и более чем на 2 порядка для высоты Солнца 5°. При нормальном падении солнечных лучей происходит занижение потоков на 50%. При малых высотах Солнца количество рассеянной радиации завышается на 10-20%.
Shettle et al. [1974] исследовали влияния зенитного угла Солнца, содержания озона, аэрозолей и альбедо Земли на УФ радиацию, достигающую поверхности Земли в диапазоне 280-340 нм. В данной работе использован метод дискретных ординат для расчета переноса радиации в атмосфере, разбитой на 5 слоев. Исследовано влияние микроструктуры аэрозоля на характеристики УФ радиации. Показано, что изменение ширины распределения аэрозольных частиц по размерам приводит к незначительным изменениям доли рассеянного света. Зависимость уровня рассеянной радиации у поверхности Земли от характерного размера частиц аэрозоля имеет сложный характер. Найдено, что увеличение характерного радиуса от 0,1 мкм до 1 мкм приводит к уменьшению альбедо однократного рассеяния с 0,93 до 0,67 и аэрозоль поглощает больше света. Уменьшение радиуса на порядок величины уменьшает фактор асимметрии с 0,71 до 0,53 так, что значительно больше света рассеивается аэрозольными частицами назад. Оба эффекта приводят к уменьшению количества рассеянной радиации.
Liu et al. [1991] провели исследование влияния промышленных аэрозолей, образованных в результате выбросов диоксида серы, на уровень биологически активной УФ радиации. Данные об уменьшении дальности видимости в восточной части США и Западной Европы с доиндустриальной эпохи использовались как входные параметры модели для оценки изменений УФ-Б радиации на поверхности Земли. Для расчета коэффициента ослабления аэрозольными частицами при
4 919/ менялось известное соотношение ß550 = ' yR , где Rv - метеорологическая дальность видимости, км. Расчеты проведены для типичных летних условий (21 июля) 40° с.ш. Аэрозоль предполагался равномерно перемешанным в приграничном слое. Для оценки влияния толщины приграничного слоя расчеты проводились для двух толщин. При двухкилометровом слое и уменьшении видимости с 95 (естественный фоновый уровень восточной части США) до 15 км (характерное значение для непромышленных районах в середине 70-х годов) плотность потока УФ радиации уменьшилась на 18% (Я, - 310 нм). При однокилометровом пограничном слое уменьшение составило 12%.
Эффективная (ДНК) доза УФ радиации уменьшается на 5-18% для летних безоблачных условий, что эквивалентно росту содержания стратосферного озона на 2,5-9%. Таким образом, в сильно населенных промышленных регионах северного полушария аэрозоли могут значительно уменьшать уровень биологически активной УФ радиации и частично или полностью замаскировать отрицательные последствия уменьшения количества стратосферного озона. Влияние аэрозоля, однако, пренебрежимо мало для удаленных океанских акваторий южного полушария.
Облачность оказывает существенное влияние на структуру полей солнечной УФ радиации в атмосфере. По данным Незваль [1995] уровень суммарной УФ радиации (А<380 нм) в Москве в период 1968-1993 г.г. понизился на 15-20% в зависимости от времени года на фоне значительного роста балла нижней (до 27%) и общей облачности (11-14%).
Работы Brühl et al. [1988], McKenzie et al. [1991], Frederick et al. [1990], Nack et al. [1974] посвящены экспериментальному исследованию влияния облачного покрова на приземную УФ радиацию. В зависимости от мощности, сплошной облачный покров ослабляет УФ-Б радиацию от 56 до 99%. Среднее уменьшение УФ радиации из-за облаков по спутниковым данным Frederick et al. [1990] составило около 30% для 60° северной широты. В работе Brühl et al. [1988] отмечается, что для всех углов Солнца облака уменьшали УФ радиацию до 50% по сравнению с
Зезоблачными условиями. В ряде случаев отмечалось усиление суммарной УФ радиации разорванной облачностью, достигавшее 25%. Сильная изменчивость эблачного покрова требует пространственного и временного усреднения результатов измерений для надежной оценки влияния облаков на УФ радиацию. В связи г этим приведенные оценки могут сильно зависеть от времени и места наблюдения. Frederick et al. [1990] предприняли попытку оценить влияние облачного покрова на эритемную радиацию по измерениям эффективной интегральной УФ радиации и результатам численного моделирования. Используя получасовые средние отсчеты приборов около местного полудня на четырех станциях континентальной части США, авторы получили среднемесячные значения пропускания УФ радиации относительно максимального значения за месяц. Фактически делалось предположение о том, что максимальный отсчет соответствует условиям чистого неба. Сезонный ход относительного пропускания характеризовался максимумом в июне или июле, составившем 0,72 в Филадельфии (40° с.ш.), 0,83 в Бисмарке (46,8°) и 0.90 в Эль-Пасо (31,8°). На станции Мауна-Лоа (19,5°) годовой цикл менее заметен в соответствии с малой сезонной изменчивостью в тропиках. Авторами отмечена известная идеализированность такого подхода, связанная с несколькими причинами. Во-первых, максимальный за месяц отсчет не всегда соответствует незагрязненной безоблачной атмосфере. Во-вторых, анализ не учитывает изменения зенитного угла Солнца в полдень в течение месяца. Наконец, предположение о том, что вся изменчивость отсчетов приборов определяется облачностью, не учитывает сезонного хода ОСО, влияние аэрозольных и газовых загрязнений. На основе данного подхода рассчитан сезонный ход эритемной радиации в местный полдень для безоблачного неба и с учетом среднемесячного относительного пропускания. Если без учета влияния облачного покрова для всех сезонов наблюдался рост уровня эритемной радиации с уменьшением широты, то облака ослабляют, а в некоторых случаях и нарушают эту зависимость. Для четырех станций получены среднегодовые значения пропускания от 0,67 до 0,78.
В работе Frederick et al. [1990] выполнено модельное исследование влияния облаков на эритемную радиацию для двух предельных случаев. В первом случае предполагалось, что небосвод постоянно покрыт сплошной облачностью, а изменения относительного пропускания связаны с изменениями оптической толщины. Во втором случае предполагалось, что изменения пропускания связаны с изменением балла разорванной облачности. В первом случае (максимальная чувствительность к изменению оптической толщины) зависимость от т - нелинейная. Показано, что 10%-ные изменения т влияют на эритемную радиацию сильнее при тонких, чем при толстых облаках. В целом 10%-ное изменение балла облачности уменьшает эритемную радиацию сильнее, чем 10%-ное изменение оптической толщины сплошного облачного слоя, которое приводит к изменению уровня эри-темной радиации на 2-5% в зависимости от места и времени года. Полученные данные могут служить одним из возможных объяснений отрицательных трендов биологически активной УФ радиации, выявленных Scotto et al. [1988], т.к. 10%-ные изменения балла облачности могут привести к большим изменениям в уровне УФ радиации, чем связанные с зарегистрированным отрицательным трендом осо.
В работе Nack et al. [1974] на основе численного моделирования рассмотрено влияние облачного покрова, тумана и смога на УФ радиацию в диапазоне от 280 до 340 нм. Влияние указанных факторов оценивается по отношению потока рассеянной (или суммарной) радиации к величине рассеянного (суммарного) потока в безоблачных условиях (параметры Cs и Cq, соответственно).
При нахождении Солнца в зените величина Cs растет с ростом оптической толщины облаков тс до значения гс=2, а затем начинает уменьшаться, оставаясь большей 1 даже для достаточно толстых облаков с тс- 10 при длинах волн X >300 нм. Интересным является то, что изменение практически независящего от длины волны параметра тс приводит к значительному изменению спектральной зависимости рассеянной УФ радиации, что отражает сильную зависимость от X характеристик других компонентов атмосферы. Увеличение зенитного угла Солнца приводит к уменьшению отношения Cs так, что при больших углах Солнца Cs меньше 1 для исследованного диапазона длин волн 280-340 нм. Отношение суммарных потоков в облачной и безоблачной атмосфере Ся всегда меньше 1 и значительно слабее зависит от зенитного угла Солнца по сравнению с Cs. Изменение Cq с ростом тс примерно одинаково для рассматриваемого диапазона длин волн.
Nack et al. [1974] оценили влияние разорванной облачности на приземную УФ радиацию путем введения 2-х дополнительных параметров: п - балл облачности и 8 — индикатор закрытости диска Солнца, принимающий значения 0 или 1 в зависимости от того, открыто или закрыто Солнце облаками. Потоки прямой Ft и рассеянной Fs радиации представятся тогда в виде:
F1(8,tc) = (\- 8)Ft (0) + 8Ft (г Д (В. 1)
Fs(n,rc) = (l-n)Fs(0) + nFs(Tc). (В.2)
В условиях разорванной облачности при 8 = 0 суммарная радиация может превышать соответствующую величину для безоблачной атмосферы. Для п=0,8 расчеты дали Cs >1,0 вплоть до тс=2 при Солнце в зените. Наибольшее увеличение уровня УФ радиации (26%) получено для длины волны 340 нм при гс=10. При этом даже для сравнительно небольшого балла облачности 0,2 наблюдается увеличение радиации на 6%. На основании указанного рассмотрения получены следующее аппроксимационное выражение для отношения потока приземной УФ радиации при разорванной облачности:
Сд (8,п,тс) = 1 - [l - С, (тс)\ + (и - 8)[1 - Rt (В.З) где у(тс)- отношение прямой радиации к рассеянной, а
Л((гс) = ехрГ--^-1 (В.4) cost/
Для усредненного во времени отношения потоков, когда 8 = п, из соотношения (В.З) следует:
Cq(8,n,rc) = \-^-Cq(rc)\i. (В.5)
Это выражение по форме совпадает с приведенными в литературе Cq(n,rc) = l-kn, где величина к зависит от типа и оптической толщины облаков, от зенитного угла Солнца и изменяется от 0,45 до 0,68.
Влияние земного альбедо А на уровень УФ радиации у поверхности Земли исследовано Shettle et al. [1974], Чубаровой [1993] на основе следующего подхода.
Поток суммарной радиации на поверхности Земли Q может быть представлен в виде:
Q(A, 0О) = Q(0 A Xl + Аг + (Аг)2 +.)= , (В. 6)
1 -Аг где г - та часть радиации, отраженной от поверхности, которая рассеяна назад к поверхности атмосферой. Для изотропно отражающей (ламбертовой) поверхности г является функцией состава атмосферы и длины волны, но не зависит от зенитного угла Солнца. Согласно данным Shettle et al. [1974], зависимость г от длины волны достигает максимума 0,4 при Я =315 нм, спадая до величины 0,2 на более коротких волнах. В области значительного поглощения озоном г уменьшается с ростом ОСО. Близкое значение г получено в работе Чубаровой [1993] на основании модельных расчетов. В тоже время там же отмечается, что значения г, полученные на основании наблюдений УФ радиации путем обращения (Effects of Increased Ultraviolet Radiation on Biological systems [1992]), значительно меньше и примерно равны 0,13. Высказано предположение, что на эффекты переотражения сильно влияет неоднородность альбедо подстилающей поверхности, связанная с городской застройкой и т.п.
В работах Doda et al. [1980], Doda et al. [1981] приведены экспериментальные значения спектральных альбедо различных поверхностей в ультрафиолетовой области спектра. С самолета на различных высотах измерялись потоки восходящей и нисходящей радиации. С целью устранения влияния атмосферы данные по каждой длине волны линейно экстраполировались к уровню Земли. Для исследованных поверхностей (сосновый лес, океан, зеленый луг, пашня, пустыня, черная лава, снег) спектральное альбедо составляет несколько процентов (снег - 40%) и имеет тенденцию к росту с увеличением длины волны. В работе предложены аналитические аппроксимации спектрального хода альбедо в исследованном диапазоне (290-400 нм).
В 2. Цель и основные сведения о диссертационной работе.
В связи со стремительным развитием методов дистанционного наблюдения поверхности Земли и различных слоев атмосферы из космоса и с высотных самолетов все большее значение приобретают задачи, связанные с возможностью наблюдения и сопровождения в режиме реального времени протекающих в атмосфере процессов, особенно тех, которые несут повышенную опасность или отличаются непредсказуемым поведением. Высокая биологическая активность солнечной УФ радиации в диапазоне длин волн 280-340 нм обуславливает необходимость постоянного слежения за изменением структуры радиационных полей и связанных с ними изменениями доз поражения живых тканей человека (вызывающего рак кожи, разрушение сетчатки глаза), животных и растений, что может привести к серьезным нарушениям экологического баланса, в первую очередь, в экосистемах полярных широт, в течение эволюционного развития приспособившихся к низкому естественному уровню УФ радиации и чутко реагирующих на любое его изменение.
Для того, чтобы извлечь из воспринимаемых приборами возмущений полей рассеянной радиации информацию о происходящих в атмосфере процессах, необходимо решить обратную задачу оптики пространственно неоднородных сред, которая в подавляющем большинстве случаев не имеет аналитического решения и решается только численно, используя метод многократной прогонки аналогичной прямой задачи (задачи расчета полей радиации по известной структуре среды) для различных пространственных распределений радиационно-активных компонент атмосферы. Необходимость обрабатывать в режиме реального времени данные, непрерывно поступающие с измерительной аппаратуры, накладывает жесткие гребования на программное обеспечение, использующееся для расчета простран-:твенной структуры среды и анализа происходящих в ней изменений. Численная модель расчета полей направленной радиации в атмосфере должна обладать высоким быстродействием, позволяющим отслеживать динамику наблюдаемых явлений, высоким пространственным (до нескольких десятков метров) и спектральным (доли нм) разрешением, высокой точностью и надежностью, а также гибкостью по отношению к различным сценариям возмущений атмосферных параметров и возможностью детальной прорисовки тонкой структуры их пространственного распределения.
Интерес, который во всем мире проявляется к дистанционным наблюдениям в УФ-Б диапазоне (280-320 нм), вряд ли можно назвать случайным. Структуру полей УФ радиации в данном диапазоне длин волн при ясном небе полностью определяет пространственное распределение атмосферного озона. Влияние подстилающей поверхности перестает сказываться уже на высотах порядка нескольких километров. Случайные помехи естественного происхождения, сильно осложняющие связь в радио и инфракрасном диапазонах (например, взлетающие с поверхности реки стаи диких гусей, часто принимаемые радарами ПВО за движущуюся цель), в УФ диапазоне не играют роли и не вносят существенных изменений в фоновый режим. Практически единственным источником изменений полей УФ радиации являются нарушения в пространственном распределении озона, возникающие в результате протекания гетерогенных химических реакций и полностью определяющиеся химическими законами и концентрацией реагентов. Таким образом, любой движущийся в атмосфере беспилотный летательный аппарат, ракета или выполненный по технологии "стеллс" самолет, не оставляющий за со-5ой видимого инверсионного следа, будет контрастно выделяться на общем ровном фоне УФ радиации, если в его топливе или продуктах сгорания топлива содержатся химически активные вещества, приводящие к разрушению атмосферного озона.
Натурные измерения являются важнейшим критерием подтверждения гех или иных выводов о взаимосвязи полей УФ радиации с различными атмосферными факторами и процессами. Наблюдения позволяют наиболее полно эписать статистические зависимости изменения полей УФ радиации, характерных для данного места измерений. Для обобщения получаемых таким образом зависимостей необходимо наличие глобальной или региональной сети станций, изме-эяющей спектральные потоки УФ радиации и УФ радиацию, рассеянную в определенном направлении. Для разделения влияния различных факторов на приземную УФ радиацию требуются длительные ряды наблюдений УФ радиации и сопутствующей ей метеорологической информации. Это предполагает значитель-аые материальные затраты.
В условиях отсутствия глобальных сетей УФ мониторинга важное значение триобретают методы исследования, основанные на моделировании переноса УФ излучения. Численный эксперимент позволяет использовать имеющиеся данные о составе атмосферы для анализа влияния метеорологических условий на уровень УФ радиации и получения зависимостей, репрезентативных для данного региона. Моделирование переноса УФ радиации в атмосфере позволяет наиболее полно исследовать закономерности изменчивости полей УФ радиации при варьировании различных факторов - таких, как пространственное распределение атмосферного озона, аэрозоля и облачность. Это особенно важно в случае последней, так как численные расчеты позволяют абстрагироваться от сильной изменчивости облаков, неизбежно затрудняющей выявление таких зависимостей при натурных измерениях. Численный эксперимент может также служить важным вспомогательным средством при интерпретации результатов экспериментальных измерений.
Достаточно большое количество уже разработанных различными авторами численных моделей расчета полей УФ радиации в атмосфере, тем не менее, все еще не позволяет успешно решать весь (или хотя бы достаточно широкий) круг задач атмосферной оптики. Не смотря на несомненные достоинства различных численных моделей (Ленобль [1991]), большинство из них содержит ряд недостатков, которые атрудняют их массовое практическое использование. Среди таких нерешенных проблем можно отметить отсутствие согласования между различными численными моделями по единым источникам, структуре и форме представления входных данных о пространственной структуре атмосферы и ее сезонной изменчивости, алгоритмическим и программным решениям, недостаточно высокое разрешение по высоте и длине волны, не позволяющее оценивать влияние тонких структур пространственных распределений атмосферного озона и аэрозоля (с характерным масштабом изрезанности вертикальных профилей, не превышающим десятки метров), низкое быстродействие и использование различных допущений при приближенном решении уравнения переноса, не всегда достаточно полно освещаемых авторами моделей. Использование в большинстве моделей единственного численного метода решения уравнения переноса не позволяет снимать ограничения на глубину и объем исследований, связанные с ограниченной применимостью этого метода.
На сегодняшний день даже лучшие численные модели (Геогджаев [1996]), в которых реализованы методы расчета полей солнечной УФ радиации в атмосфере в сложных оптико-метеорологических условиях (в том числе - в условиях присутствия в атмосфере полей разорванной облачности), все еще предполагают структуру отдельных облачных фрагментов пространственно-однородной, что вносит заметные искажения в структуру полей уходящей УФ радиации. Между тем, проделанный Hsu et. al. [1997] анализ точности методики TOMS-7 показал, что неопределенность в положении нижней границы слоя облачности и используемое в методике TOMS-7 предположение об однородности вертикальной структуры облаков, может привести к ошибкам в определении ОСО, достигающим значений ~20 единиц Добсона. Необходимость внесения поправок и изменений в методику спутниковой озонометрии TOMS-7 требует решения специальной задачи -задачи построения для конкретных эмпирических моделей полей разорванной облачности с различной пространственной структурой микрофизических характеристик облачных фрагментов глобальных полей УФ альбедо системы Земля-атмосфера, - которая все еще ждет своего часа.
Данные экспериментальных наблюдений структуры радиационных полей позволяют говорить о том, что, по-видимому, возмущение полей УФ радиации наиболее ярко проявляет себя не повсеместно (в широком диапазоне высот и длин волн), а в узких областях фазового г, Я -пространства, в пределах которых возмущение радиационных полей может превышать уровень возмущения в любой точке вне этой области в десятки раз, а экспериментальные измерения возмущения УФ радиации вне этой области будут давать картину чистого неба (отсутствия возмущений структуры радиационных полей в атмосфере) даже при достаточно заметных нарушениях пространственной структуры распределения ее газовых и аэрозольных составляющих. Знание таких особенностей отклика структуры полей УФ радиации позволит вносить поправки в существующие методики поиска и наблюдения возмущений структуры радиационных полей в атмосфере, возникающих в результате аварийных выбросов химически- (радиационно-) активных веществ или в результате естественных катаклизмов. Тем не менее эти области еще не открыты и описание их еще не дано в научной печати.
Необходимо отметить практически полное отсутствие исследований особенностей отклика полей УФ радиации в атмосфере на тонкую структуру пространственно-временного распределения атмосферного озона и аэрозоля, например, с целью изучения роли узких приземных инверсионных аэрозольный слоев в формировании поля приземной ультрафиолетовой облученности, которые, как это недавно было экспериментально обнаружено в районе Средиземноморья, при определенных условиях могут конкурировать с естественными изменениями в основном озоновом слое Земли.
Целью диссертации является разработка комплекса взаимосогла-сованных численных моделей расчета полей солнечной УФ радиации в атмосфере (в диапазоне длин волн 280-340 нм) и исследование особенностей отклика полей солнечной УФ радиации на различные сценарии нарушения пространственного распределения ее радиационно-активных составляющих (таких как атмосферный озон, аэрозоль и облачность), являющихся следствием воздействия на состав атмосферы источников возмущения ее структуры как естественного, так и антропогенного происхождения.
Для достижения этой цели были поставлены следующие научно-исследовательские задачи:
1. Разработать комплекс численных моделей расчета полей солнечной УФ радиации в атмосфере (в диапазоне длин волн 280-340 нм), предназначенный для решения прямых и обратных задач оптики атмосферы и отвечающих следующим требованиям:
- высокое пространственное (десятки метров) и спектральное (пм) разрешение, позволяющее оценивать отклик полей УФ радиации на тонкую структуру пространственного распределения атмосферного озона, аэрозоля и пространственную микроструктуру облачных фрагментов;
- модели расчета полей энергетической яркости УФ, восходящей, нисходящей, прямой и актинической компонент потока в безоблачных и в условиях присутствия в атмосфере полей разорванной кучевой облачности должны использовать общую для всех моделей базу входных данных о пространственной структуре атмосферы и ее сезонной изменчивости, общие алгоритмические и программные решения, взаимно дополнять друг друга и решать в режиме реального времени широкий круг задач атмосферной оптики;
- использование комплекса взаимосогласованных численных моделей для анализа конкретных сложных оптико-метеорологических ситуаций в атмосфере должно снимать большинство ограничений на глубину и объем исследований, связанных с ограниченной применимостью различных численных методов, используемых для расчета структуры полей солнечной УФ радиации в атмосфере;
- метод расчета полей солнечной УФ радиации в модели переноса УФ радиации сквозь поле разорванной облачности должен быть разработан с учетом микроструктуры облачных фрагментов (распределения капель по размерам), что позволит приблизить расчетную модель к реальным условиям облачной атмосферы. Впервые в практике решения подобных задач в облачной модели должна быть учтена вертикальная структура микрофизических характеристик облачности.
2. На основе разработанного комплекса численных моделей получить систематические данные о высотно-спектрально-широтных полях солнечной УФ радиации в атмосфере и биологических дозах поражения эритемы, ДНК и растительности в северном и южном полушариях в невозмущенных (фоновых) условиях для различных времен года и различных значений высоты Солнца.
3. На основе разработанного комплекса моделей провести анализ основных широтных, высотных и сезонных закономерностей отклика полей УФ радиации в атмосфере на различные возмущения ее газового и аэрозольного состава, связанные с действием источников возмущения как естественного (извержения вулканов, озонная «дыра»), так и антропогенного (полеты самолетов и запуски ракет) характера. Для каждого сценария возмущения состава атмосферы получить соответствующие оценки изменения доз поражения эритемы, ДНК и растительности.
4. Для конкретной эмпирической модели поля разорванной высококучевой облачности построить глобальные поля УФ альбедо системы Земля-атмосфера.
5. На базе разработанного комплекса моделей исследовать роль узких приземных инверсионных аэрозольный слоев в формировании поля приземной ультрафиолетовой облученности, которые, как это недавно было экспериментально обнаружено в районе Средиземноморья, при определенных условиях могут конкурировать с естественными изменениями в основном озоновом слое Земли.
Актуальность диссертационной работы связана с:
1. необходимостью разработки комплекса взаимосогласованных (по структуре и форме представления входных данных о пространственной структуре атмосферы и ее сезонной изменчивости, алгоритмическим и программным решениям) численных моделей расчета полей солнечной УФ радиации в атмосфере, предназначенного для решения в режиме реального времени прямых и обратных задач оптики атмосферы в сложных метеорологических условиях (в том числе - в условиях присутствия в атмосфере полей разорванной облачности с различной пространственной структурой микрофизических характеристик облачных фрагментов) и позволяющего снимать ограничения на глубину и объем исследований, связанные с ограниченной применимостью различных численных методов, используемых для расчета структуры полей солнечной УФ радиации в атмосфере;
2. необходимостью построения для конкретных эмпирических моделей полей разорванной высококучевой облачности с различной пространственной структурой микрофизических характеристик облачных фрагментов глобальных полей УФ альбедо системы Земля-атмосфера с целью внесения поправок и изменений в методику спутниковой озонометрии TOMS-7, для которой неопределенность в положении нижней границы слоя облачности и используемое в методике предположение об однородности вертикальной структуры облаков, как было показано в Hsu et. al. [1997], может привести к ошибкам в определении ОСО, достигающим значений ~20 единиц Добсона.
3. необходимостью исследования закономерностей отклика полей УФ радиации в атмосфере на различные возмущения ее газового и аэрозольного состава, связанные с действием источников возмущения как естественного, так и антропогенного происхождения, с целью выработки методических рекомендаций по обнаружению в фазовом ( г,Л) пространстве узких областей (очагов) радиационного возмущения, в пределах которых возмущение радиационных полей может превышать уровень возмущения в любой точке вне этой области в десятки раз, а экспериментальные измерения возмущения УФ радиации вне этой области будут давать картину чистого неба (отсутствия возмущений структуры радиационных полей в атмосфере) даже при достаточно заметных нарушениях пространственной структуры распределения ее газовых и аэрозольных составляющих (связанных, например, с извержениями вулканов класса Пинатубо или с протеканием озоноразру-шающих процессов в области антарктической озонной «дыры»);
4. необходимостью исследования особенностей отклика полей УФ радиации в атмосфере на тонкую структуру пространственно-временного распределения атмосферного озона и аэрозоля с целью изучения роли узких приземных инверсионных аэрозольный слоев в формировании поля приземной ультрафиолетовой облученности, которые, как это недавно было экспериментально обнаружено в районе Средиземноморья, при определенных условиях могут конкурировать с естественными изменениями в основном озоновом слое Земли.
Новизна представленных в диссертационной работе результатов исследований заключается в следующем:
1. Впервые разработан комплекс взаимосогласованных (по структуре и форме представления входных данных о пространственной структуре атмосферы и ее сезонной изменчивости, алгоритмическим и программным решениям) численных моделей расчета полей солнечной УФ радиации в атмосфере, предназначенный для решения в режиме реального времени прямых и обратных задач оптики атмосферы в сложных метеорологических условиях (в том числе — в условиях присутствия в атмосфере полей разорванной облачности с различной пространственной структурой микрофизических характеристик облачных фрагментов) и позволяющий снимать ограничения на глубину и объем исследований, связанные с ограниченной применимостью различных численных методов, используемых для расчета структуры полей солнечной УФ радиации в атмосфере.
Впервые в практике решения подобных задач в модели учтена вертикальная структура микрофизических характеристик фрагментов полей разорванной облачности.
2. На основе разработанного комплекса численных моделей впервые получены систематические данные о высотно-спектрально-широтных полях солнечной УФ радиации в атмосфере и биологических дозах поражения эритемы, ДНК и растительности в северном и южном полушариях в невозмущенных (фоновых) условиях для различных времен года и различных значений высоты Солнца.
3. Впервые в результате исследования закономерностей отклика полей УФ радиации в атмосфере на различные возмущения ее газового и аэрозольного состава, связанные с действием источников возмущения как естественного, так и антропогенного происхождения, в фазовом (г,Л) пространстве обнаружены узкие области (очаги) радиационного возмущения, в пределах которых возмущение радиационных полей может превышать уровень возмущения в любой точке вне этой области в десятки раз, а экспериментальные измерения возмущения УФ радиации вне этой области будут давать картину чистого неба (отсутствия возмущений структуры радиационных полей в атмосфере) даже при достаточно заметных нарушениях пространственной структуры распределения ее газовых и аэрозольных составляющих (связанных, например, с извержениями вулканов класса Пинатубо или с протеканием озоноразрушающих процессов в области антарктической озонной «дыры»). Впервые обнаружено, что при определенных условиях наблюдения все точки фазового пространства, в которых возмущение радиационных полей достигает своего максимального значения, могут с высокой точностью располагаться вдоль одной прямой.
4. Впервые для конкретной эмпирической модели поля разорванной высококучевой облачности построены глобальные поля УФ альбедо системы Земля-атмосфера.
5. Разработанный комплекс моделей впервые показал, что в формировании поля приземной ультрафиолетовой облученности при определенных условиях приземный инверсионный аэрозольный слой может конкурировать с естественными изменениями в основном озоновом слое Земли, что недавно было экспериментально обнаружено в районе Средиземноморья.
Достоверность представленных расчетных данных обеспечивается - использованием дельта-метода Эддингтона для расчета полей компонент потока УФ радиации в атмосфере как наиболее точного среди численных методов, приближенно решающих уравнение переноса радиации в стратифицированной среде (заключение комиссии под руководством Ж. Ленобль по результатам сравнения различных численных методов - Ленобль [1991]);
- использованием метода последовательных порядков рассеяния для расчета полей направленной УФ радиации в атмосфере, обеспечивающего в диапазоне длин волн 280-340 нм быструю сходимость членов ряда при разложении поля рассеянной радиации на поля, состоящие из радиации, рассеянной один, два, три . раз (2-й порядок рассеяния составляет не более 4% от значения 1-го, 3-й - не более 2-3% от значения 2-го и т.д.);
- использованием модели геометрической структуры полей разорванной облачности, адекватно отражающей основные свойства реально наблюдаемых облачных ситуаций;
- отсутствием существенных упрощающих предположений при расчете переноса солнечной УФ радиации сквозь поля разорванной облачности методом Монте-Карло;
- отсутствием расчетных ограничений на количество высотных уровней в шкале высот, на которых рассчитываются оптические параметры атмосферы и характеристики полей УФ радиации;
- высоким спектральным и пространственным разрешением, которая достигается в результате использования в моделях методов, осуществляющих автоматическую перестройку внутренней расчетной шкалы высот в соответствии с оптическими свойствами среды;
- результатами сравнения модельных расчетов с данными экспериментальных измерений и данными, полученными авторами других численных моделей;
- использованием различных расчетных методов для расчета компонент потока и радиации, рассеянной в определенном направлении, что позволяет проводить внутреннюю верификацию получаемых расчетных результатов (например, при обработке экспериментальных данных, поступающих от измерительной аппаратуры в режиме реального времени), и результатами взаимной верификации, проведенной по исследуемым в диссертации сценариям возмущения газового и аэрозольного состава атмосферы.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в следующем:
1. существует возможность использования разработанного комплекса согласованных моделей и результатов их применения (например, построенные для конкретных эмпирических моделей полей разорванной высококучевой облачности с различной пространственной структурой микрофизических характеристик облачных фрагментов глобальные поля УФ альбедо системы Земля-атмосфера) для внесения поправок и изменений в методику спутниковой озонометрии TOMS-7, для которой неопределенность в положении нижней границы слоя облачности и используемое в методике предположение об однородности вертикальной структуры облаков, как было показано в Hsu et. al. [1997], может привести к ошибкам в определении ОСО, достигающим значений ~20 единиц Добсона;
2. представленный в диссертационной работе комплекс численных моделей расчета полей солнечной УФ радиации в атмосфере разработан, в частности, для применения в программах исследования пространственно-временной структуры атмосферы и радиационных полей в рамках научно-исследовательских проектов «Тройка» (исследование пространственно-временных изменений содержания различных газовых и аэрозольных составляющих атмосферы вдоль трансконтинентальных разрезов, железнодорожный вагон-лаборатория, совместный проект ИФА РАН, Россия, и Института химии Макса Планка, ФРГ), TOR (Total Ozone Research Program, международная программа исследования состояния тропосферного озона по данным сети европейских озонометрических станций) и программы исследования факелов крупных мегаполисов (федеральный грант «Интеграция», координатор - кафедра физики атмосферы МГУ им. М.В. Ломоносова);
3. впервые обнаруженные в фазовом (г,Л) пространстве узкие области (очаги) радиационного возмущения, в пределах которых возмущение радиационных полей может превышать уровень возмущения в любой точке вне этой области в десятки раз, а экспериментальные измерения возмущения УФ радиации вне этой области будут давать картину чистого неба (отсутствия возмущений структуры радиационных полей в атмосфере) даже при достаточно заметных нарушениях пространственной структуры распределения ее газовых и аэрозольных составляющих, позволяют вносить поправки в существующие методики поиска и наблюдения возмущений структуры радиационных полей в атмосфере, возникающих в результате аварийных выбросов химически- (радиационно-) активных веществ или в результате естественных катаклизмов;
4. приведенные в диссертационной работе результаты исследования влияния тонких (с характерной толщиной - не более 1,0-1,5 км) приземных аэрозольных слоев (тонкая структура атмосферного аэрозоля) на структуру полей УФ облученности, проведенного на базе разработанного комплекса моделей, впервые позволили показать, что в формировании поля приземной ультрафиолетовой облученности при определенных условиях приземный инверсионный аэрозольный слой может конкурировать с естественными изменениями в основном озоновом слое Земли, что недавно было экспериментально обнаружено в районе Средиземноморья. Эти новые результаты требуют пересмотра существующих представлений о том, что изменения структуры полей приземной УФ облученности и интегральных биологических доз поражения живых тканей в первую очередь связаны с изменениями в структуре стратосферного озона, а изменения в атмосферном аэрозоле вносят лишь незначительный вклад в изменчивость приземных полей УФ радиации.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Комплекс взаимосогласованных (по структуре и форме представления входных данных о пространственной структуре атмосферы и ее сезонной изменчивости, алгоритмическим и программным решениям) численных моделей расчета полей солнечной УФ радиации в атмосфере, предназначенный для решения в режиме реального времени прямых и обратных задач оптики атмосферы в сложных метеорологических условиях (в том числе — в условиях присутствия в атмосфере полей разорванной облачности с различной пространственной структурой микрофизических характеристик облачных фрагментов) и позволяющий снимать ограничения на глубину и объем исследований, связанные с ограниченной применимостью различных численных методов, используемых для расчета структуры полей солнечной УФ радиации в атмосфере.
2. Систематические данные о структуре высотно-спектрально-широтных полей солнечной УФ радиации в атмосфере и биологических дозах поражения эритемы, ДНК и растительности в северном и южном полушариях в невозмущенных фоновых) условиях для различных времен года и различных значений высоты Солнца, полученные в результате применения разработанного комплекса численных моделей.
3. Анализ основных широтных, высотных и сезонных закономерностей отклика полей УФ радиации в атмосфере на различные возмущения содержания и пространственного распределения ее газовых и аэрозольных составляющих, связанные с действием источников возмущения как естественного (извержения вулканов, озонная «дыра»), так и антропогенного (полеты самолетов и запуски ракет) характера. Для каждого сценария возмущения состава атмосферы получены соответствующие оценки изменения доз поражения эритемы, ДНК и растительности.
4. Глобальные поля УФ альбедо системы Земля-атмосфера, построенные для конкретной эмпирической модели поля разорванной высококучевой облачности при помощи разработанного комплекса численных моделей расчета структуры полей солнечной УФ радиации в атмосфере.
5. Результаты исследования особенностей отклика полей приземной УФ облученности на тонкую структуру атмосферного аэрозоля (тонкий инверсионный слой толщиной км), проведенного при помощи разработанного комплекса моделей и впервые показавшие, что в формировании поля приземной ультрафиолетовой облученности при определенных условиях приземный инверсионный аэрозольный слой может конкурировать с естественными изменениями в основном озоновом слое Земли, что недавно было экспериментально обнаружено в районе Средиземноморья.
Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Манойло, Андрей Викторович
3.7.2. Выводы.
1. Разработанный в диссертации комплекс численных моделей атмосферы впервые показал, что в формировании поля приземной ультрафиолетовой облученности при определенных условиях приземный инверсионный аэрозольный слой может конкурировать с естественными изменениями в основном озоновом слое Земли, что недавно было экспериментально обнаружено в районе Средиземноморья.
2. В условиях присутствия в атмосфере инверсных слоев содержания атмосферного аэрозоля, в середине УФ-Б диапазона (на длине волны 300 нм) изменение оптической толщины атмосферы на 1%, связанное с изменением аэрозольной замутненности, эквивалентно изменению оптической толщины атмосферы на 0,4%, связанному с уменьшением концентрации озона на высотах ~ 12-3 5 км.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
Новые результаты, полученные в диссертации, можно сформулировать в виде следующих положений:
1. Впервые разработан комплекс взаимосогласованных (по структуре и форме представления входных данных о пространственной структуре атмосферы и ее сезонной изменчивости, алгоритмическим и программным решениям) численных моделей расчета полей солнечной УФ радиации в атмосфере, предназначенный для решения в режиме реального времени прямых и обратных задач оптики атмосферы в сложных метеорологических условиях (в том числе - в условиях присутствия в атмосфере полей разорванной облачности с различной пространственной структурой микрофизических характеристик облачных фрагментов) и позволяющий снимать ограничения на глубину и объем исследований, связанные с ограниченной применимостью различных численных методов, используемых для расчета структуры полей солнечной УФ радиации в атмосфере.
Впервые в практике решения подобных задач в модели облачной атмосферы учтена вертикальная структура микрофизических характеристик фрагментов полей разорванной облачности.
2. На основе разработанного комплекса численных моделей впервые получены систематические данные о высотно-спектрально-широтных полях солнечной УФ радиации в атмосфере и биологических дозах поражения эритемы, ДНК и растительности в северном и южном полушариях в невозмущенных (фоновых) условиях для различных времен года и различных значений высоты Солнца.
3. Впервые в результате исследования закономерностей отклика полей УФ радиации в атмосфере на различные возмущения ее газового и аэрозольного состава, связанные с действием источников возмущения как естественного, так и антропогенного происхождения, в фазовом (г,Л) пространстве обнаружены узкие области (очаги) радиационного возмущения, в пределах которых возмущение радиационных полей может превышать уровень возмущения в любой точке вне этой области в десятки раз, а экспериментальные измерения возмущения УФ радиации вне этой области будут давать картину чистого неба (отсутствия возмущений
150 структуры радиационных полей в атмосфере) даже при достаточно заметных нарушениях пространственной структуры распределения ее газовых и аэрозольных составляющих (связанных, например, с извержениями вулканов класса Пинатубо или с протеканием озоноразрушающих процессов в области антарктической озонной «дыры»). Впервые обнаружено, что при определенных условиях наблюдения все точки фазового пространства, в которых возмущение радиационных полей достигает своего максимального значения, могут с высокой точностью располагаться вдоль одной прямой.
4. Впервые для конкретной эмпирической модели поля разорванной высококучевой облачности построены глобальные поля УФ альбедо системы Земля-атмосфера.
5. Разработанный комплекс моделей впервые позволил показать, что в формировании поля приземной ультрафиолетовой облученности при определенных условиях приземный инверсионный аэрозольный слой может конкурировать с естественными изменениями в основном озоновом слое Земли, что недавно было экспериментально обнаружено в районе Средиземноморья.
Библиография Диссертация по геологии, кандидата физико-математических наук, Манойло, Андрей Викторович, Москва
1. Александров Э.Л., Израэль Ю.А., Кароль И.Л., Хргиан А.Х., 1992: Озонный щит
2. Земли и его изменения. //С.П.: Гидрометеоиздат.
3. Аллен К.У., 1977: Астрофизические величины. //М: Мир.
4. Ленобль Ж., 1990: Перенос радиации в рассеивающих и поглощающих атмосферах. //Л.: Гидрометеоиздат.
5. Мазин И.П., Хргиан А.Х., 1989: Облака и облачная атмосфера. Справочник. //Л.: Гидрометеоиздат.
6. Фейгельсон Е.М. (ред), 1981: Радиация в облачной атмосфере. //Л., Гидрометеоиздат.
7. Фейгельсон Е.М., Краснокутская Л.Д., 1978: Потоки солнечного излучения и облака. //Л.: Гидрометеоиздат.
8. Adriani A., Fiosso G., Gobbi G.P., Congeduti F., " Corellated behavior of the aerosol and ozone contents of the stratosphere after the El Chichon eruption", JGR, v. 92, ND7, pp. 8365-8372,1987.
9. Dave J.E., Halpern P., "Effect of changes in ozone amount on the ultraviolet radiation received at sea level of a model stratosphere", Atmos. Envirop., v. 10, N7, pp. 547-555, 1976.
10. Toon O.B., Pollack J.B., 1976: A global average model of atm. aerosols for radiative transfer calculations. //J.Applay.Meteor., v. 15, N3, pp. 225-246. .Gleason J.F. et al., "Record low global ozone in 1992", Science, v.90, pp. 523-526, 1993.
11. Hayashida S., Sasano Y., "Stratospheric aerosol chenge in the early stage of volcanic disturbance by the Pinatubo eruption observed over Tsukuba, Japan", GR Lett., v.20, N7, pp. 575-578, 1993.
12. Hofman D.J. et al., "Ozone loss in the lower stratosphere over US in 1992-1993: evidence for heterogenic chemistry on the Pinatubo aerosol", GR Lett., v.21, N1, pp. 6568, 1994.
13. Hofman D.J., Solomon S., "Ozone destruction through chemistry folowing the eruption of El Chichon", JGR, N0.D4, pp. 5029-5041, 1989.
14. Pitary G. And Rizi V., "An estimate of the chemical and radiative perturbation of stratospheric ozone following the eruption of Mt. Pinatubo", JAS, v.50, N19, pp. 3260-3276, 1993.
15. Геогджаев И.Б.: Оптические свойства облачности, Диссертация на соискание степени кандидата физ.-мат. наук, Москва, ЦАО, 1996.
16. Bomman, J.F., Target sites of UV-B radiation in photosynthesis of higher plants, J. Photochein. Photobiol, B. Biology, 1989, 4, p. 145-158.
17. Frederick, J.E., and A.D. Alberts, Prolonged Enchancement in Surface Ultraviolet Radiation During the Antarctic Spring of 1990, Geophys. Res. Lett., 1991, Vol 18, No 10, p. 1869-1871.
18. Smith, R.C., Ozone, Middle Ultraviolet Radiation and the Aquatic Environment, Photochem. Photobiol., 1989 Vol.50, No.4, p. 459-468.
19. Волкова Е.В., Чубарова Н.Е., Влияние различных атмосферных параметров на ультрафиолетовую и биологически активную радиацию, Изв. АН, серия Физика атмосферы и океана, 1995, т. 31, №4, с.531-539.
20. Кароль И.Л., Розанов В. В., Тимофеев Ю. М., Газовые примеси в атмосфере, Л. Гидрометеоиздат, 1983.
21. Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1990-99, World Meteorological Organization, Global Ozone Research and Monitoring Project, Report No. 25, Geneva, 1991-99.
22. Еланский Н.Ф., Звенигородский С.Г., Смышляев С.П., Воздействие вулканических извержений на стратосферный озоновый слой. Докл. АН СССР, Т. 294, №5, с. 1077-1081.
23. Stolarski, R.S., P. Bloomfield, RD. McPeters, and J. R. Herman, Total ozone trends deduced from Nimbus 7 TOMS data, Geophys. Res. Lett., 1991, 18, No 6, p. 10151018.
24. Madronich, S., Implications of recent total atmospheric ozone measurements for biologically active ultraviolet radiation reaching the Earth's surface, Geophys. Res. Lett, 1992, 19, p. 37-40.
25. Кондратьев К.Я, Вароцос К, Федченко ГШ, Глобальная динамика общего содержания озона, ее влияние на изменчивость ультрафиолетовой радиации и воздействия на экосистемы, Исследования Земли из космоса, 1995, №4, с. 105-117.
26. Frederick, J.E., A.E. Koob, A.D. Alberts, and E.C. Weatherhead, Empirical Studies of Tropospheric Transmission in the Ultraviolet: Broadband Measurements. J.Applied Meteor., 1993, 32, p. 1883-1892.
27. Бусыгин, В,П., Геогджаев, И.В., Кондранин, Т.В., Рублев, А.Н., Чубарова, Н.Е„ Моделирование изменчивости потоков УФ радиации при кучевой облачности, 1 Межреспубликанский Симпозиум "Оптика атмосферы и океана", Сборник тезисов докладов, ч.1, с. 240-241.
28. Cahalan R.F.,Overview of fractal clouds, In Advances in Remote Sensing Retrieval Methods, A.Deepak Pub., 1989, p. 371-388.
29. Ю.Романова JI.M., Тарабухина И.М. Отражение света горизонтально-неоднородным облаком при освещении Солнцем, Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1981, т. 17, №1, с.27-37.
30. Романова JI.M., Пространственные вариации радиационных характеристик горизонтально-неоднородных облаков Изв. РАН, Физика атмосферы и океана, 1992, т.28, №3, с.268-276.
31. Titov, G. A., Statistical description of radiative transfer in clouds, J. Atmos.Sci., 1990, Vol. 47, No.l, p.24-38.
32. Malvagi, P., R.N.Byme, G.C. Pomraning, and R.C.J. Soinerville, Stochastic radiative transfer in partially cloudy atmosphere, J. Atmos.Sci., 1993, Vol. 50, No. 14, p. 2146-2158.
33. Титов Г.А. Статистические характеристики коротковолновой солнечной радиации при кучевой облачности, Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана, 1980, Т. 16, №7, с.с.712-719.
34. Harshvardhan and J.A. Weinman. Infrared radiative transfer through a regular array ofcuboidal clouds, J. Atmos. Sci., 1982, 39, p.p.431-439.
35. Мазин, И.П., Хргиан A.X., Под ред., Облака и облачная атмосфера. Справочник. Л., Гидрометеоиздат 1989.
36. Barker, H.W., Solar Radiative Transfer for Wind-Sheared Cumulus Cloud Fields, J. Atmos. Sci., 1994, Vol. 51, No.9.
37. Cahalan, R.F.,and J.H.Joseph, Fractal Statistics of Cloud Fields, Monthly Weather Review, 1989, Vol.117, p.261-272.
38. Marshak A., A.Davis, R. Cahalan, and W. Wiscombe, Bounded cascade models as nonstationary multifractals, Physical Review E, 1994, Vol.49, No. 1, p. 55-69.
39. Мулламаа Ю.А., Под ред„ Стохастическая структура полей облачности и радиации, Тарту, АН ЭССР, 1972,281с.
40. Фейгельсон, Е.М., Под ред. Радиация в облачной атмосфере, Ленинград, Гидрометеоиздат, 1981, 280 с.9.3уев В.Е, Титов Г.А, Радиационные эффекты разорванной облачности, Оптика атмосферы и океана, Т.8, №1-2, 1995, с. 201-223.
41. О.Исимару, А, Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах, т.2, М. Мир, 1981, 318с.
42. Ц.Тихонов В.И, Хименко В. И, Выбросы траекторий случайных процессов, М. Наука, 1987, 304с.
43. Марчук, Г.И. Под ред, 1976. Метод Монте-Карло в атмосферной оптике, Новосибирск, Наука, 1976, 276с.
44. З.Ж. Ленобль, Под. ред. Перенос радиации в рассеивающих и поглощающих средах, Л. Гидрометеоиздат, 1990.
45. Garcia, R.D,M, and C.E.Siewert, Benchmark results in radiative transfer, Transport Theory and Statistical Physics, vol 14, No. 4 , 1985, p. 437-483.
46. Хргиан A.X, Физика атмосферы, M. Гос. изд, технико-теоретической литературы, 1953.
47. Bais, A.F„ C.S. Zerefos, С. Melety, I.C. Ziomas and K.Tourpaly, 1993, Spectral measurements of solar UVB radiation and its relation to total ozone, S02 and clouds. JGR, Vol.48, D3, pp. 199-204.
48. Floletov V., Total ozone "normal" values and mapping algorithm, in Atlas of G030S total ozone maps for the northern hemisphere winter-spring of 1992-1993, WMO Ozone Report #34, Geneva, 1993.
49. Wiscombe, W.J., The delta-Eddington approximation for a vertically inhomogeneous atmosphere, Tech, Note TN-121+ STR, Natl. Cent, for Atmos. Res., Boulder, Colorado., 1977.
50. Frederick, J.E. and D. Lubin, The Budget of Biologically Active Ultraviolet radiation m the Earth-Atmosphere System, J. Geophys, Res., 1988, 93, 3825-3832.
51. Meador, W.E. and W.R.Weaver, Two-stream approximations to radiative transfer in planetary atmospheres: A unified description of existing methods and a new improvement. J.Atmos.Sci., 1980, 37, 630-643.
52. Cess R.D., Zhang M.H., Zhou Y., Jing X., Dvortsov V.; Absorption of solar radiation by clouds: interpretation of satellite, surface, and aircraft measurements, Geophysical research, vol. 101, no. D18, p. 23,299-23,309, October 27,1996.
53. Erle F., Pfeilsticker K., Piatt U. On the influence of tropospheric clouds on zenith-scattered-light measurements of stratospheric species, Geophysical Research letters, vol.22, no 20, p.2725-2728, October 15,1995.
54. McKenzie, R.L, W.A.Matthews and P.VJohnston, The relationship between erythemal UV and ozone, derived from spectral irradiance measurements, Geophys. Res. Lett, 1991, vol. 18, No 12, p. 2269-2272.
55. Sabziparvar A.A, Piers M. de F. Forster, Shine K.P, Changes in ultraviolet radiation due to stratospheric and tropospheric ozone changes since preindustrial times, Geophysical Research, vol. 103, no. D20, p. 26,107-26,113, October 27,1998.
56. Yung Y.L, Jiang Y, Liao H, Gerstell M.F, Enhanced UV penetration due to ozone cross-section changes induced by C02 doubling, Geophysical Research letters, vol.24, no24, p.3229-3231, December 15, 1997.
57. Whitney C, Efficient stream distributions in radiative transfer theory, J. Quant. Spectrosc. Radiat. Tranfer, vol.14, p.591-611,1974.
58. Danilin M.Y, J.M. Rodriguez, M.K.W. Ko, D.K. Weisenstein, R.C. Brown, R.C. Miake-Lye, and M.R. Anderson: Aerosol particle evolution in an aircraft wake: Implication for the HSCT fleet impact on ozone. //JGR, 102, 21, 1997.
59. Danilin M.Y. "Local stratospheric effects of solid rockets emissions". //"Annales Geophysical", 11,1993.
60. Hermann J.R, Krotkov N, Celarier E, Larco D, and Labow G, 1999: Distribution of UV radiation at the Earth's surface from TOMS-measured UV-backscattering radiances, JGR, v. 104, NO D10, pp. 12059-12076.
61. Г.И. Кузнецов, А.В. Манойло: Особенности отклика полей солнечной УФ радиации в атмосфере на различные нарушения ее газового и аэрозольного состава // Сборник тезисов 6-й конференции молодых ученых МАПАТЭ-2000, Нижний Новгород, 2000, с.39
62. Г.И. Кузнецов, А.В. Манойло: Особенности отклика полей солнечной УФ радиации в атмосфере на различные нарушения ее газового и аэрозольного состава // Сборник трудов 6-й конференции молодых ученых МАПАТЭ-2000, Нижний Новгород, 2000.
63. Рис. 2.2.12. ФРВ спектральной плотности актинического потока на длине волны 308,6 нм, январь 2015 г., сценарий стратосферной авиации, зенитный угол солнца -80°, дельта-метод Эддингтона.
64. Рис. 2.2.13. ФРВ спектральной плотности актинического потока на длине волны 308,6 нм, январь 2015 г., сценарий стратосферной авиации, зенитный угол солнца -80°, метод последовательных порядков рассеяния.
65. Рис. 2.2.14. ФРВ спектральной плотности актинического потока на длине волны 317,5 нм, октябрь 2015 г., сценарий стратосферной авиации, зенитный угол солнца -80°, дельта-метод Эддингтона.
66. Рис. 2.2.15. ФРВ спектральной плотности актинического потока на длине волны 317,5 нм, октябрь 2015 г., сценарий стратосферной авиации, зенитный угол солнца -80°, метод последовательных порядков рас-еяния.
-
Манойло, Андрей Викторович
-
кандидата физико-математических наук
-
Москва, 2000
-
ВАК 04.00.23
- Модельное исследование влияния солнечной активности на газовый состав и тепловой режим атмосферы
- Приземная УФ радиация и ее зависимость от географических параметров
- Режим солнечной радиации на территории Западной Сибири и ее роль в фотохимических процессах
- Исследование спектрального и интегрального лучистого теплообмена в системе подстилающая поверхность-атмосфера на основе аэрометодов
- Изменчивость аэрозольного ослабления и общего содержания окиси углерода и метана в атмосфере полярных районов
