Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Распределение озона в атмосфере и его связь с динамическими процессами различного масштаба

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Распределение озона в атмосфере и его связь с динамическими процессами различного масштаба"

2 2 РЕВ 1993

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАЛ\ЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА

ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

На правах рукописи УДК 551.510

ЕЛАНСКИЙ Николай Филиппович

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ОЗОНА В АТМОСФЕРЕ И ЕГО СВЯЗЬ С ДИНАМИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ РАЗЛИЧНОГО МАСШТАБА

(04.00.22 — Геофизика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва — 1992

Работа выполнена в Институте физики атмосферы Российской Академии Наук

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

член-корреспондент РАН В. Л. Тальрозе

доктор физико-математических наук, профессор Ю. П. Пытьев доктор физико-математических наук В. Н. Арефьев

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ: Центральная аэрологическая обсерватория Роскомгидромета РФ

Защита диссертации состоится « у / » Л^М-Р1993 г. в- /т.зо на заседании Специализированного Ученого совета^) {¡^-3 Москов-^

ском государственном университете им. М. В. Ломоносова по адресу: 119899, ГСП, Москва, Ленинские горы, МГУ, физический факультет, аудитория

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ

Автореферат разослан « 0 » '993 г.

Ученый секретарь Специализированного совета кандидат физ.-мат. наук

В. В. Розанов

ОБЩ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

Актуальность темы. За последние десятилетия все более возрастающий интерес к атмосферному озону перевал чисто научнув задачу изучения источников, стоков и переноса этой "малой примеси в разряд наиболее актуальных экологических проблем. Это .вызвано несколькими причинами. Во-первых, озон играет вакную роль в процессе преобразования солнечной энергии в атмосфере и в формировании климата Земли, Во-вторых, он активно взаимодействует о другими составлнго-щими атмосферы и в значительной степени определяет её химический состав. Оказываясь при этом наиболее чувствительном звеном в системе фотохимических связей, он способен резко отреагировать на загрязнение атмосферы. В-третьих, перенос и распределение озона в атмосфере отражает структуру воздушных течений, вихревых и волно-еых процессов. Наличие действенной системы контроля содержания озона' в атмосфере и большие возможности её совериенствования делают его эффективным индикатором динамических процессов. В-четвертых, озонный слой фор<шрует благоприятный для ствой природы режим УФ радиации на поверхности Земли. Любые резкие изменения содержания озона будут иметь для неё неблагоприятные последствия. В-пятых, благодаря высокой реакционной способности, озон оказывает непосредственное воздействие на яивые организмы и еысокиэ концентрации.в приземном воздухе могут неблагоприятно сказаться на их жизнедеятельности. * -■"*'

Ванное место атмосферного озона в системе взаимодействия человека и окружающей среды вызвало интерес не только специалистов, но и мировой общественности. Под её влияние!.! в 1985 г. была принята Международная конвенция о защите озонового слоя, а в 1987 г. подписан Монреальский протокол, регламентирующий производство опасных

для озона галогеноуглеЕодородов. СССР, как страна ратифицировавшая эти соглашения, взяла на себя обязательства по структурной перестройке некоторых отраслей народного хозяйства и внедрению в производство новых озонобезопасных технологий. Конкретным воплощений* е >лгань этих намерений стало принятие Правительством России в 1992т "Государственной программы по производству "озонобезопасных хладо-ное и обеспечении выполнения международных обязательств по охране сзоноеого слоя". Аналогичные программы приняты е ряде других стран. Однако они не охватывают Есё время растущий круг вопросов, связанных с проблемой атмосферного озона.. Большое беспокойство вызывает, е частности, развитие сверхзвуковой аЕаадии и ракетной техники. Поэтому решение проблемы, очевидно, требует больших усилий специалистов в различных областях знаний и больших материальных и финансовых затрат.

Основой всех фундаментальных и прикладных исследований по данной проблеме яеляются эффективно работающая система наблюдений озона, позволяющая выделять и анализировать его изменения под вли-' янием динамических и фотохимических факторов, и математическое моделирование, объясняющее механизмы такого влияния и позволяющее прогнозировать поведение озона в будущем. Эти ключеЕые направления активно развивались. Совершенствовалась мировая озонометрическая сеть. Бшш созданы новые автоматизировавшее спектрофотометры Ерь-ера. К середине 1992 г. эти приборы уже регулярно действовали на 40 озонометрических станциях. В ряде стран начались регулярные ' наблюдения приземной концентрации озона. Модернизировалась спутниковая система наблюдений озона- Бшш успешно реализованы программы TOMS , J'ßLLV, S/1 G£ii некоторые другие.

Начались интенсивные наблюдения содержания других газовых примесей в атмосфере. Информация о их распределении в атмосфере до-

полненная исследованиями кинетики фотохимических взаимодействий: послужили основой совершенствования фотохимического моделирования изменений газового состава атмосферы.

Важное место в этом процессе занимают исследования озона проводимые в нашей стране. На всех этапах их отличала явно выраженная направленность на изучение пространственно- временной изменчивости распределения озона и её связей с атмосферной циркуляцией. Этому направлению исследований в мире всегда уделялось большое внимание, как связующему звену в исследованиях озона. Однако в последние годы в связи с накоплением богатой информации о количественном составе атмосферы и необходимостью интерпретации его пространственных и временных изменений оно становится одним из ведущих.

Диссертационная работа находится в русле этих основных направлений и это определяет актуальность её теглы.

Цель работы. Основной целью настоящей работы является разработка алгоритмов и методов дистанционных измерений содеркания озона в атмосфере, наблюдение с их использованием пространственных и временных его вариаций, исследование связей с динамическими процессами различного масштаба и изучение физических механизмов трансформации полей озона на основе применения методов математического моделирования.

Научная новизна. Для наблюдения глобальных и мезомасштабнш: особенностей распределения озяна были созданы алгоритмы восстановления как общего содержания, так и вертикальных профилей, базирующиеся на точном описании процессов многократного рассеяния в плотных низших слоях атмосферы. Впервые были построены подробные, карты распределения озона над большей частью земного пара. Их анализ выявил некоторые неизвестные ранее характерные особенности.

Для изучения тонкой структуры распределения озона был предло-кен новый метод, основанный на, ннблцценилх неоднородностей окраска сумеречного лимба Земли. Созданы алгоритмы для расчета вертикально!: стратификации озона и других поглощающих примесей по наблдденЕяь: сумеречного лимба н яркости заходящего (еле восходящего) Солнпа. Наблюдения с орбитальных станций "Салют-4 и 7я дали уникальные сведения о слоистой структуре озона и аэрозоля.

• Численные оценки и математическое моделирование, выполненные с использованием подученной информации о вариациях озона в атмосфере, позволили получить количественные данные о вкладе различных циркуляционных механизмов в меридиональный перенос озона, воздействии!: струйных течений, внутренних гравитационных волн, солнечных затмений на озонный слой. Предложен и ЕперЕые реализован метод исследования структуры воздушных течений в зоне орографических возвдшениЁ по деформации полей озона.

Заложена основа спектрального измерительного комплекса. Создана озонометрическая станция, входящая в мировую сеть. На ней получены уникальные ряды общего содержания озона и N02, концентрации приземного озона. Наблюдения на станции и в других регионах, вктчая Антарктиду, дали ряд новых сведений о долговременной изменчивости озона и характере елияния местных циркуляционных процессов на перенос озона в пограничном слое атмосферы. -

Основные результаты и положения, выносимые на защиту, состоят в следущем:

I. Разработаны осноеы спектрального наземного измерительного комплекса. Создана аппаратура и методы, которые позволили начать регулярные измерения озона и других примесей на научной станции ША на Северном Кавказе. Совершенствование аппаратуры и проведение регулярных калибровок и сравнений позволили войти станции "Кисловодск"

в состав мировой озонометрической сети.

2. Разработаны методы восстановления общего содержания и вертикального распределения озона в атмосфере по отраженному Землей УФ солнечному излучению. Проведена полная- обработка озонового эксперимента на спутнике "Космос-121". Созданы вычислительные алгоритмы.

3. Предложены методы восстановления тонкой структуры распределения озона и аэрозоля по наблюдениям спектральной яркости и окраски лимба Земли и яркости заходящего (восходящего) Солнца. Проведены эксперименты на орбитальных станциях "Салгот-4 и 7". Выделена характерная стратификация вертикального распределения примесей в тропосфере и стратосфере.

4. По данным наблюдений со спутника "Космос-121" построены карты распределения общего содер^ния озона в широтной зоне 20°ю.га. -

60°с.ш. Ввделены крупномасштабные и мезомасштабные особенности распределения, связанные с действием атмосферной циркуляции.

5. Получены количественные оценки меридионального переноса озона средней меридиональной циркуляцией, квазигоризонтальными стационарными и подеикными вихрями. Основной Еклад в перенос дает средняя циркуляция.

6. С помощью аналитического моделирования исследован механизм перераспределения озона в зоне струйных течений и причины появления характерных аномалии поля озона, обнаруженных со спутника "Коомос-121". Струйное течение играет активную роль е формировании полей озона.

7. Разработана фотохимическая модель, для изучения быстрых изменений озона. Проведена её верификация на примере воздействия солнечного затмения на озоноеый слой. Показано, что внутренние гравитационные еолны оказывают определенное действие на содергднке озо-

на. Получены количественные оценки "воздействия и исследован его механизм.

8. Предложен метод исследования волновых процессов в зоне орографических возмущений по деформации полей озона. Выделены характерные образования в распределении озона над рядом горных систем по наблюдениям с самолета. Применение метода для восстановления параметров течении и болноеых структур показало его высокую эффективность.

9. Выделены временные вариации содержания озона и других примесей по многолетним наблюдениям на станции "Кисловодск". Показано, что циркуляционные процессы и орографические эффекты определяют вариации озона различного временного масштаба и эти эффекты должны учитываться при оценки трендов и точности наблюдений на мировой озонометрической сети.

10. Выделено и изучено влияние местных циркуляционных процессов на концентрацию озона е приземном слое воздуха в ряде регионов.

Научная обоснованность и достоверность основных результатов, положений и выводов подтверждается комплексным характером выполненных исследований,(сочетавших теоретические и экспериментальные методы практически по воем разделам диссертационной работы, подробной галидацией полученных эмпирических данных на основе привлечени-независшой информации о поведении малых примесей в атмосфере и метеорологических данных, а также сравнением с проведенными позднее наблюдениями со спутников, самолетов и на наземных озонометрпческих станциях.

Научная и практическая значимость.- Разработанные алгоритмы могут использоваться для оперативного построения полей озона по дан-ныл наблюдений уходящей УФ радиации из атмосферы. Большие перспективы у предложенных метода и алгоритмов восстановления тонкой

структуры распределения озона и аэрозоля. Обнаруженная стратификация вертикального распределения примесей, охватывающая значительные районы земного шара, является важной основой для расширения исследований в этом направлении, т.к. она тлеет широкое прикладное значение для целей прогноза изменения состава атмосферы и климата •Земли.

Ряд полученных результатов, касающихся механизмов переноса примесей, имеют практическое применение для прогноза регионального и глобального загрязнения атмосферы. Учитывая выявленные связи между изменениями озона и аэрозоля, эти результаты будут полезны для объяснения причин возникновения аномалий озона в атмосфере и УФ освещенности на земной поверхности.

Хорошие перспективы имеет метод изучения волновых процессов по данным о деформации полей озона. Использование новых средств измерений, таких как лидары, дает ему несомненные преимущества перед традиционными подходами к решению этой задачи. Аналогичное применение могет найти использование данных о концентрации малых примесей в приземном воздухе для изучения различных факторов, формирующих рехэм загрязняющих веществ в'воздушных бассейнах городов и промышленных районов. Полученные в работе.результаты могут быть использованы, а частично уже используются, например, в ДАО, ITO, ИПГ, НПО "Тайфун", МГУ, НГУ, С1ШУ, ИХФ, ИЗПХФ.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на Ломоносовских чтениях физического факультета МГУ (1971, 1973 и 1974"гг), Международной конференции по физическим аспектам загрязнения атмосферы (Вильнюс, 1974), семинарах и заседаниях Ученого Совета IBA РАН (1975—1992 гг), заседании ООФАГ АН СССР (1987г), на Межведомственных семинарах по атмосферному озону (I976-I99I гг), Всесоюзных и Международных совещаниях по атмосферному озону (Москва,

- ТО _

1977, Руиспири, 1979, Тбилиси, 1981, Ленинград, Î985), 1-ом Всесоюзном симпозиуме по исследованию средней атмосферы (Москва, 1983), Генеральной ассамблее МСГГ (ФРГ, 1983, Ванкувер, 1987), 3-ем Всесоюзном совещании по атмосферной оптике и актинометрии (Томск, 1983) Четырехлетнем симпозиуме то атмосферному озону (Халкидики, 1984, Геттинген, 1983, Шарлотсвилл, 1992), Международном симпозиуме по горным Болнам (Пекин, 1984), Международном совещании по КАПГ (Сочи, 1985), Международном совещании по долговременным изменениям атмосферного озона (Зальцбург, 1985), Всесоюзном совещании по горной метеорологии (КиеЕ, 1985), Всесоюзном симпозиуме по фотохимическим процессам земной атмосферы (Москва, 1987), Советско-американском симпозиуме по исследованию атмосферного озона .(Москва, 1987), СоЕетско-американском симпозиуме по влиянию солнечной активности на климат (Ялта, 1987), 2-ом Всесоюзном симпозиуме по результатам исследований средней.атмосферы (Обнинск, 1987), Всесоюзном совещании по исследованиям е Антарктике (Ленинград, 1987), Всесоюзной конференции по исследованиям оптически активных компонент атмосферы (Выборг, 1988), Международном совещании по тропосферному озону (Геттинген, 1988), Всесоюзном симпозиуме по Взаимосвязи региональных и глобальных процессов в атмосфере и гидросфере (Тбилиси, 1988) Зыездной сессии ООФАГ АН СССР (Нальчик, 19897, Международной конференции по исследованию средней атмосферы Сйушанбе, 1989), СоЕет-ско-американском совещании по проекту Метеор 3/ТШ5 (Вашингтон, 1989), Всесоюзной конференции по состоянию и охране воздушного бассейна курортных районов -(Кисловодск, 1989), СоЕетско-американ-ском совещании по сотрудничеству в космосе, проект 8-3 (Москва, 1У90, Ленинград, 1990), Сессии КОСПАР (Гаага, 1990), Всесоюзном съезде физиологов растений (Минск, 1990), Европейском совещании по исследованиям атмосферы оптическими методами (Тромсе, 1991),

Международном семинаре по наблюдениям двуокиси азота в атмосфере (Ванкувер, 1991).

Структура работы. Диссертация состоит из Введения, пяти глав, Заключения и списка цитируемой литературы. Работа содерют С;64 страницы текста, 99 рисункоЕ, 23 таблицы, библиографию из 211 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ~ В введении описываются наиболее Еалше аспекты проблемы атмосферного озона, формируются основные пути и методы её решения и дается общая характеристика работы.

Глава-1 "приборы и методы наблюдений атмосферного озона на озонометрической'сети. Озонометрическая станция "Кисловодск"".

3 первом разделе кратко описаны стандартные (сетевые) приборы и методы наблюдения атмосферного озона. Приведены их характеристики, отмечаются основные достоинства и недостатки.

Во Етором разделе еводится понятие спектрального измерительного-комплекса и дается его методическое обоснование. Как известно, погрешности измерения общего содержания озона и его вертикальных профилей зависят от того, насколько точно используемая оптическая.модель атмосферы соответствует реальному состоянию на момент измерений. Ме:зду тем, определяющие ослабление солнечного излучения в УQ области спектра примеси и некоторые метеорологические параметры могут быть измерены практически одновременно с содержанием озона. Наиболее простой и эффективный способ таких измерений состоит "в регистрации спектров прямого, и рассеянного в зените УФ и екдимого солнечного излучения б дневных и сумеречных условиях. Приводится схема таких измерений. Описывается многоеолновой метод определения общего содержания озона, 50£ z NC^. 3 рамках данной схемы приведены метода измерения вертикальных профилей' N С^ и аэрозоля. Анализ

стандартных методов восстановления вертикального распределения озона по наблюдениям эффекта обращения приводит к заключению о возможности и необходимости их совершенствования. Предлагается и обосновывается оптимальный иетод". реиения некорректной обратной задачи на основе использования статистической информации о вертикальных профилях озона. Ряд преимуществ дает таюке переход к спектральные измерениям. Данная схема измерений в значительной своей части реализована на Высокогорной научной станции ИОА РАН "Кисловодск".

3 третьем разделе дается описание станции "Кисловодск", научным руководителем и одним из организаторов которой является автор данной работы. Станция расположена на Северном Кавказе на высоте 2070 м над уровнем моря (43.7с.ш., 42.7е.д). Услоеия наблюдений соответствуют фоновым. Основное-направление работы.станции - измерение содерглыия малых примесей в атмосфере. Регулярные наблюдения содержания озона и N О2 начались е 1979г. В 1959т установлен спе-трефотометр Брюера & 43 и с этого года станция входит в мировую сзонометрическую сеть. 3 настоящее время на станции ведутся регулярные (по некоторым параметрам ежедневные) измерения:

- общего содержания озона,

- вертикального распределения озона,

- общего содержания ЬО^, -

- общего содержания N03 (по прямому солнечному излучению),

- стратосферного содержания N 02 (по рассеянному излучению),

- вертикального распределения N02,

- концентрации озона в приземном Еоздухе,

- потокое Уф-В солнечной радиации.

Ка станции выполняйся таю:;е зпазодкческие измерения степени поляризация рассеянного в зените излучения, концентрации в приземном

Еоздухе N0 и N С9, отрабатываются новые приборы и метода измерений ссдерхания примесей в атмосфере и еи радиационных характеристик.

Глава 2 "Наблюдения озона в атмосфере Земли с космических аппаратов."

Опыт работы сети наземных озоном?трических станций, приобретенный к началу 60-х годов, показал, что реальные её возможности недостаточны для детального исследования распределения озона в атмосфере. Возникла настоятельная необходимость использовать для этих целей космические аппараты. Об осноеных направлениях развитая космической системы наблюдения озона говорится в первом разделе главы.

Второй раздач посвяшен описашш разработанных алгоритмов определения общего содержания и вертикального распределения озона по уходящей кз атмосферы УФ радиации. Оки базируются на двуслойной модели атмосферы. Отраженная. Землей 75 радиация представляется в виде суммы ослабленного диффузного излучения , выходящего

из нашего (тропосфера) слоя, и однократно рассеянного стратосферного излучения

где Г"С7р - оптическая толщина стратосферы,^- косинус зенитного угла выхода излучения. Для такой модели интенсивность диффузного излучения е результате последовательного учета рассеяний разпых порядков мог.ет быть определена через функцию источников, предста-в:и.;ую в вице сходящегося ряда Неймана. При этом рассматривается два типа ;пе:нех граничных условий: а) отражение от облаков и подстилающей поверхности отсутствует, б) отражение происходит в соответствии с законом 1амберта.

Эта г.е схема заложена в основу алгоритма восстановления вертикального распределения озона. Используется параметрическое представление искомого вертикального профиля и. методом наименьших

квадрат ое минимизируется разность меди -экспериментальными'и теоретическими значениями ' I ^ . Алгоритм вычисления профиля путем нахождения оптимальных значений параметров является регуляркзующим. В этой схеме учитывается вклад многократного рассеяния, без чего нельзя получить вертикальные профили озона в нижней стратосфере.

Алгоритмы были применены автором для обработки результатов эксперимента на спутнике "Комо0-121", поставленного и проведенного- группой специалистов под руководством А.И.Лебединского в июне 196Сг. Впервые были получены подробные карты распределения озона е обширной области земного шара (20°ю.ш. - 60°с.ш.). Валидация данных путем их сравнения с наблюдениями общего содержания и вертикального распределения озона на сети озонометрических станций подтвердила их высокое качество.

В третьем разделе описываются методы определения тонкой проо-транстЕенной структуры распределения озона и аэрозоля, разработанные для экспериментов на орбитальных станциях "Салют-4" в 1978-79гг и "Салют-7" е 1985г.

Воестановление вертикальных профилей озона и аэрозоля по изменению яркости заходящего (или восходящего) Солнца представляет собой некорректную обратную задачу. Её решение проводилось методом редукции с оценкой надегяоети модели. Метод позволяет минимизировать погрешность восстановления и достичь разрешения по вертикали 1,0-1,5 км при использовании фотографических изображений заходящего (или восходящего) Солнца в нескольких диапазонах видалого спектра.

Численные расчеты яркости и окраски еедимой из космоса сумеречной атмосферы показывают, что их неоднородности определяются верти-качьной стратификацией распределения аэрозоля и озона. Причем по цветности сумеречного лимба могло разделить слои этих примесей.

Расчеты проводились для сферической вертикально стратифицированной \ атмосферы методом Монте-Карло. По спектральной яркости синтезировалась цветовая картина.

Первый эксперимент состоял е визуальных наблюдениях окраски сумеречной'атмосферы Земли в течение.нескольких месяцев. Он дал возможность связать неоднородности окраски на высотах от 14 до 38 юл со слоями озона и проследить их в пределах от 30°ю.ш. до 55°с.ш., "Второй эксперимент, поставленный на "Салюте-?", включал последовательное фотографирование заходящего .(восходящего) Солнца в 4-х участках еццимого спектра, деэ из которых совпадают с полосами Шап-пюи поглощения озона, и фотографирования сумеречного лимба в районе •захода восхода) Солнца. Были восстановлены вертикальные профили озона и аэрозоля с высоким разрешениам и обнаружена характерная слоистость аэрозоля в тропосфере и стратосфере. Варной особенностью аэрозольной стратификации является её периодичность по вертикали (период - 2.4 - 2.6 юл), примерно одинаковая для северного и кстого полушарий.

Глава 3. "Крупномасштабные и мезомасштабкые особенности распределения озона и их сеязь с атмосферной циркуляцией".

Зксперкменты на космических аппаратах дали важную информацию о распределении озона в атмосфере. Некоторые его крупномасштабные к мезомасштабные особенности были обнаружены впервые.

3 первом разделе анализируются поля общего содержания озона е ' северном полушарии и тропической области, построенные по данным наблюдений со спутника "Космос-121". Общая картина довольно симметрична относительно полюса. На этом фоне выделяются возмущения в виде гребней и логяЗен озона. Их положение объясняется особенностями крупномасштабной атмосферной циркуляции. 5то подтверждает проведенный анализ барической топографии.

Сильные возмущения поля озона обнаружены также в области интенсивных струйных течений. Здесь отмечается наибольшие градиенты озона. Слева от оси течения почти Есегда наблюдаются вытянутые вдсль оси области высокого содержания озона, справа - подобные км области низкого содержания озопа. Восстановление вертикального распределения озона в зоне струйных течений дает значительное снижение еы-сотк слоя и озокопаузы при переходе с антициклоническэй на циклоническую переферию струи. 3 цело;.! характер распределения озона говорит оо активном воздействии струйных течении на озоновый ело:':.

Слог.ная структура распределения озона была выявлена е тропической области. Главной причиной его возмущений здесь является влн-яппе мошных конвективных движений над нагретой поверхностью :.:атэ-рнков и над Енутритропической зоной конвергенции. Значительные изменения озона СЕЯзаш также с вторжением холодного воздуха из средне и высоких широт.. ВперЕые был;: выделены протяженные ложбины озона над клюй к северной ветгяма зоны конвергенции. 1о;;;бкны разделены узким поясом повышенного содержания озона над экваторов! ил::' чуть южнее его. Анализ карт барической топографии позволяет связать некоторые особенности в распределении озона с неравномерны:,: вдоль экватора действием ячейки Гадлея.

Во втором разделе описанная Еыше картина'распределения обшего содержания озона дополняется результатами наблюдений тонкой вертикальной структуры озоноеого слоя в шпротной зоне 33°ю.ш. - 55сс.и:., проявляющийся 2 окраске лимба 5е;,ии (наблюдения с орбитальной станции "Сат-эт-4"). Её основной особенностью является наличие яруж вцраженних слоев озона в нклней стратосфере довольно устойчивых ъ пределах одной Еоздушной массы. Более того, наблюдения говорят в пользу единой стратификации атмосферы над этой обширной областью ;сж::огс пара, что полностью согласуется с результатами наблюдений

аэрозольной стратификации 2 эксперименте на станции "Салют-7".

3 третьем разделе исследуются механизмы меридионального переноса озона, ответственные за формирование крупномасштабных особенностей распределение озона. Йровести эти первые численные расчеты переноса позволили данные наблюдений со спутников "Кос:лос-121" и "^'¿/тг&ил-3". Они показали, что весной и летом ведущую роль в меридиональном переносе играет средняя меридиональная циркуляция. Сна обеспечивает устойчивый перенос озона из тропической области в ны-сокие сироты почти ео всей толще озонового слоя. Стационарные и пох-еиише вихри е заЕИСиглоети от сезона и еысотк приЁодят к переносу озона через 40° параллель как в северном, так и кьгнсм направлении.

Четвертый раздел посвящен исследованию механизма воздействия струйных течений на озоновый слой. Описанные Еыие характерные особенности распределения озона, вблизи струи, приводят к предположению, что течение представляет собой спиралевидный поток, интенсивность закрутки которого максимальна в области наибольших градиентов озона. Такое течение моделируется путем аналитического представления С—;: компонентов скорости Еетра (V). Изменение концентрации озона (д) с учетом его стока (У) у поверхности земли определяется уравнен:-:-:-:.; неразрывности

Решение этой трехмерной задачи проводится дая двух тппое с

соответствушпми параметрами и удовлетворявших аы грантгшил услсвг-ям: субтропического и Екетрошгческого. Из расчетов следует, что характер преобразования поля концентрации озона под влиянием обо::>: типов течений в принципе одинаков и хорошо соответствует наблюдаемому в действительности, что говорит е пользу высказанного предположения о характере течения. Показано такте, что в области струйпг. течений происходит проникновение озена из стратосфера в трогос; с;л\

где при совместном участии процеосов переноса и- разрушения могут образовываться локальные области с очень еысокой и низкой концентрацией озона. Существование таких областей объясняет большие колебания концентрации озона в ниивей'тропосфере, зарегистрированные многими авторами, в том числе и на станции "Кисловодск", в то время, когда в верхней тропосфере имели место струйные течения.

Б пятом и шестом разделах описана фотохимическая модель, созданная для изучения быстрых вариаций концентрации озона под воздействием некоторых динамических и фотохимических процессов. Рассматривается вопрос, связанный с её верификацией. Показано, что это <

удобно сделать на примере исследований эффекта воздействия солнечного затмения на состав атмосферы и озоновый слой. Такие расчеты проведены. Результаты сопоставляются с данными измерений изменения общего содержания озона, N02. и концентрации озона е приземном гоздухе, полученных во время затмения 31 июля 1981г с борта самолета и на земле. Показано, что экспериментальные и численные результаты примерно совпадают. Изменение общего содержания N во время з&гмгкия составляет 60±2С$, озона - не более 1,Ъ%.

Подобные сопоставления проведены для оценки эффекта воздействия вулканических выбросов на содержание озона е атмосфере. Анализ данных мировой озонометргческой сети показал существование мощного эффекта,проявляющегося в уменьшении озона в северном полушарии через 7-9 месяцев после извержений взрывного типа, происходивших в последние три десятилетия.

Глава 4 "Трансформация полей озона и других примесей под влиянием подветренных горных волн"'.

Исследования, представленные е данной глаге, развивают нетрадиционное направление изучения проблемы озона, а именно, использование озона как инструмента для изучения динамики атмосферы. Такой

подход подразумевает наличие кестких . и хорошо описываемых связей медцу распределением озона и волновыми процессами е атмосфере.

В первом разделе исследуется механизм воздействия горных под-, ветренных еолн на распределение примесей. Приводятся соотнопения, связывающие изменения концентрации консервативных или неконсервативных примесей в еолновой зоне с распределением примесей в натекающем потоке, волновыми параметрами и параметрами, характеризующими состояние атмосферы.

• Во втором разделе с помощью фотохимического моделирования ис-. следуется изменение газового состава атмосферы под воздействием подветренных волн. Приводятся количественные оценки такого воздействия. Показано, что подветренные волны могут приводить к периодическим по пространству (волновым) изменениям концентрации примесей. Для озона такие изменения достаточно велики для того, чтобы их монно было измерять. На основе модельных и аналитических расчетоЕ разработан метод восстановления вертикальных смещений воздуха в зоне возмущений, основанный на измерении с самолета концентрации примесей и температуры. —

Третий раздел содержит описание самолетных экспериментов над горными системами и практическую реализацию предложенного метода. Серия экспериментов проведена в подветренной зоне Гегамского хребта. Наблюдались различные типы его обтекания в том числе с образованием стационарной системы.подветренных волн. Всем этим типам обтекания соответствовала определенная структура распределения о'зона. Восстановленные волновые параметры то степени деформации поле;: озона близки к их значениям, полученным теоретически,! путем.

Приведены результаты исследований распределения озона над сложной горной системой, какой являются Украинские Карпаты. Описан большой и слохзшй летный эксперимент, в котором участвовал: гзь

- ¿и -

самолета, вертолет и наземные пункты наблюдений, руководителем и одшм из исполнителей которого был автор, Эксперимент дал уникальные данные о сеязи распределения озона со структурой воздушных по-токое. Выделяются голновые образования озона различного масштаба (с длиной еолны от 5 до 50 та). Их вызывают подветренные волны от разных источников и разной природы. Восстановленные по деформации поля озона вертикальные смещения воздуха в еолеоеоё зоне согласуются с оценками их значений полученных по деформации поля потенциальной температуры. Следует отметить, что е безразлично стратпфкци-роЕакной атмосфере или при полетах в области изменения концентрации озона существенно более точно отражают Еолноные эффекты, чем температурные характеристики. Очевидно использование более современных средств для наблюдения распределения в толще атмосферы концентрации озона, например лидароЕ, открывает больпие возможности перед использованием озона.для изучения динамических процессов.

Глава 5 "Временная изменчивость содержания озона е атмосфере. Наблюдения на станции "Кисловодск" .

Временные Еариации содержания озона по измерениям в данном месте такке как и его пространственные изменения тесно связаны с динамическими процессами различного масштаба и могут использоваться для их изучения.

В первом разделе анализируются основное закономерности вертикального распределения озона и временная изменчивость озопа на разных высотах на основе данных многолетних измерений на станции Пай-ерн е Швейцарии. Рассматривается возможность малопараметрического описания вертикального распределения с помощью разложения по естественным ортогональны:.! функциям. Анализ корреляционных связей озона с температурой, еысотой тропопаузы, индексом зональной циркуляции на разных уровнях позволяет выделить области влияния тех или иных

динамически: процессов.

Во втором разделе приведены данные многолетних измерений (с 1979г) содержания озона и N02 на станции "Кисловодск" и проанализирована их временная изменчивость. Поскольку примеси находятся е фотохимическом взаимодействии, но источники стратосферной не совпадают по положению с источником озона, то пх совместный анализ полезен для выявления причин изменения их содержания. Показано, что. количество озона над СеЕерныгл Кавказом в летние месяцы заметно ниг.е, чем среднее его значение для данной широты. В этом проявляется действие континентального эффекта и еоляоеой- активности, когда под влиянием сильного прогрева поверхности над западной частью азиатского контитента субтропическая высотная фронтальная зона смешается к северу от станции и значения озона соответствуют тропическому Еоздуху. Вариации в этом процессе,'возможно частично связанные с влиянием солнечной активности на крупномасштабную атмосферную циркуляцию, объясняют наблюдающиеся долговременные изменения содержания примесей над Северныгл Кавказом. Вполне вероятно, что на некоторых других озонометрических станциях тренды озона и его долгопериодные колебания прежде всего Еызваны не загрязнением атмосферы, а изменением циркуляционных процессов.

Наблюдения на станции Кислоеодск дали возможность описать вариации содержания пршлесей синоптического временного масштаба, связанные со сменой воздушных масс. Обнаружена смена знака корреляции менду озоном и Ы0£ в осенний и весенний периоды. Получены статистически наделшые данные об изменении N©2 в течение дня.

В третьем раздале дается объяснение наблюдаемым на станции короткопериодическим колебаниям озона с периодом от 5 до 35 мин. Описываются специально поставленные эксперименты, которые показали, что скорее всего причиной.колебаний являются нестационарные еолео-

вне процессы, охватывающие щинюю стратосферу.

Четвертый раздел посвящен исследованиям иедомасштвбных особенностей распределения озона и их связи с локальными динамическими процессами. Рассмотрены результаты измерений концентрации озона на станции "Кисловодск" е городских -условиях, в Антарктиде. Выделены основные динамические факторы, определяющие её -временной рег.;пк. Ь "истых горных условиях - это горно-долинная циркуляция, в Антарктп-_ -..итокоЕый ветер. 3 загрязненном воздухе значительную роль играет фотохимическое образование и разрушение озона.

3 Заключении диссертации приведено краткое описание основных защищаемых в работе результатов и положений, намечаются направления дальнейших исследований.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕЛЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Березин В. 1.1., Еланский Н.Ф. Распределение общего содержания озона в атмосфере по наблюдениям с ИСЗ. - Изв. АН СССР, ФАС, 1972, т. 8, В 5 , с. 526-532.

2. Еланский Н.Ф. О механизме ЕоздейстЕия струйного течения на озонный слой. - Изв. АН СССР, ФАО, 1975, т. II, „'' 5, с. 910925.

3. Березин В.Н., Еланский Н.Ф., Насыров А.Р. Учет многократного рассеяния при определении общего содержания озона е атмосфере со ¿путника. - Изв. АН СССР, ФАО, 1974, т. 10, й 4, с. 37и-37С.

4. Березин В.М., Еланский Н.Ф. Оценка мередионального переноса озона в атмосфере. - Вестник МГУ, сер.: Физика и астрон., 1977, И I, с. 100-109.

5. Гречко Г.;л., Еланский Е.Ф., Савченко С. А., Терзхин Е.Л. Распределение озона в атмосфере по данным визуальных наблюдений сумеречного ореола Земли со стачции Салют-6. - Препринт ИФА АН СССР, М., 1982 , 23 с.

6. Елаксккй Н.Ф., Арабов А.Я. Измерение содержания двуокиси азота в атмосфере во- время солнечного затмения 31 июля 1981 г. -Изв. АН СССР, ФАО, 1962, т. 18, № 6, с. 667-669.

7. Груздев А.Н., Еланский Н.Ф. Изменение содержания газовых примесей в стратосфере во время солнечного затмения. - Изв. АН

СССР, ФАО, 1982, т. 166, II 3, с. 541-544.

8. Груздев А.Н., Еланский Н.Ф., Трутце Ю.Л. Оценка воздействия внутренних гравитацирнных волн на содержание озонз и взаимодействующих с ним примесей в атмосфере. - В кн.: Атмосферный озон, М.-: Наука, 1982, с. 18-27.

9. Еланский Н.Ф., Терехкн Ю.Л. Применение методов регуляризации к решению задачи восстановления вертикального распределения озона по наблюдениям эффекта обращения. - Изв. АН СССР; ФАО, 1982, т. 18, N 9, с. 944-952.

10.- Еланский Н.Ф. О некоторых закономерностях, вертикального распределения озона. - В кн.: Совещание по исследованию атмосферного озона (23—27 ноября 1981 г.). Материалы докладов, Тбилиси, "Мицнисреба", 1SS2, с. 232-236.

11. Еланский Н.Ф., Глутцэнко Ю.В., Груздев А.Н., Елохов A.C. Измерения с самолета содержания озона в атмосфере- во время солнечного затмения 31 июля 1981 г. - Изв. АН СССР, ФАО, 1983, т. 19, N 2, с. 206-209.

12. Гречко Г.(Л., Еланский Н.Ф., Савченко С»А., Терехкн Ю.Л. 0 возможности визуального контроля состоявши озонного слоя с орбитальной станции. ДАН СССР, 1983, т. 271, N 1, с. 76-80.

13- Груздев А.Н., Еланский Н.Ф. Наблюдения озона в области горных подветренных волн. - Изв. АН СССР, ФАО, 1984, т. 20, N .8, с. 705-714.

14. Еланский Н.Ф., Арабов А.Я., Сеник И.А. О временной изменчивости общего содержания в атмосфере по наблюдениям над Северным Кавказом - Изв. АН СССР, ФАО, 1986, т. 22, Я 4, с. 363-372.

15. Еланский Н.Ф., Глущенко Ю.В., Елохов A.C. 0 широтном распределении общего содержания HOg по наблюдениям с самолета. -Изв. АН СССР, ФАО, 1986, т. 22, N 7, с. 770-773.

16. Еланский Н.Ф., Звенигородский С.Г., Смышляев С.П. Воздействие вулканическую, кзвернений на стратосферный озонный слой. '-'ДАН СССР, 1987, т. 294, N 5, о. 1077-1081.

17. Еланский Н.Ф., Елохов A.C., Кадшвевич Е.А., Ситнов С.А. О влиянии вулканических выбросов в стратосферу на поляризацию рассеянного света в сумеречной атмосфере. - Изв. АН СССР, ФАО, 1987, т. 23, N

3, о. 256-263.

18. Гречко Г.И., Гурвич Л.С., Еланский Н.Ф., Кан В., Плоткин М.Е., Ситнов С.А. ' Сотографическуие наблюдения вертикального распределения озона в стратосфере с орбитальной станции Салэт-7. - ДАН СССР. 1983, т. 23, Н 2, о. 306-309.

19. Еланский H.G. Об эффективности использования озона в качестве атмосферного трассера. - В кн.: "Атмосферный озон". Л.: Госхомгидроиет, 1937, с. 248-254.

20. Еланский Н.Ф., Сеник И.А. Хргиан А.Х. Вариации общего содержания • озона в области горных подветренных волн. - Изв. АН СССР, ОАО,

1988, т. 24, N 9, с. 959-966.

21. Еланский Н.Ф., Пустыгкн М.Ю., Поволоцкая Н.П. Ре гаэл концентрации озона и окислов азота в районе г. Кисловодска. - В кн.: Состояние и охрана воздушного бассейна курортных районов, Кисловодск, 1990, с. 73-82.

22. Elokhov A.S., Elansky N.F., Kakarov 0.7., Smirnov A.S. Automatio system for measurements of minor species in the atmosphere. - In: "Ozone in the atmosphere". Ed by A.D.Bojkov and. P.Fabian A. DEERAKPubl., Hampton, 1989, p. 371-373.

23. Elansky N.P. Investigations of mesoecale dyaanios processes over mountain region by deformation of ozone field. - In: Ozone in the atmosphere. Ed. by R.D.Boo'kov and P.Pabian A.DEEPAK Publ., Hampton, 1989, p. 494-497.

24. Crechko G.tT., Elansky N.F., Plotkin Ы.Е., Postylyakov O.V., Ukhinov S.A. The OZAPS experiment in observing the fine struoture of the ozone and aerosol distribution in the atmosphere from the Salyut & orbital station. - Preprint IFA, Jioskow, 1990, 70 p.

25- Grechko G.U., Elansky N.F., Plotkin M.E., Postylyakov O.V. The Ozone and Aerosol Fine Struoture Experiment: Observing the fine structure of ozone and aerosol distribution in the atmosphere from the Salyut-7 orbiter. 1. Introduction and the ocoultation experiment. - J. Geophys.Res., Ootober 20, 1991, v. 96, N D10, p. 18647-18653.

26. Elansky N.P., Plotkin И.Е., Postylyakov O.V., Ukhinov S.A. !Dhe Ozone and Aerosol Fine Struoture Experiment: Observing the fine

structure of ozone and. aerosol distribution in the atmosphere, fron the Salyut-7 orbiter. 2. formation of the -Earth's twilight limb ooloration and. radianoe; Numerio calculations. -J.Geophys.Res., Ootober 20, 1991, v. 96. N D10, p.18653-18661. •

27. Elansky N.F., Crechko G.K., Flotkin U.E., Postylyakov 0.7. The Ozone and Aerosol Fine Structure Experiment: Observing the fine structure of ozone and aerosol distribution in the atmosphere from the Salyut-7 orbiter. 3- Experimental results. -J.Geophys.Res., Ootober 20, 1991, v. 96, N D10, p.18661-18670.

28.. Golitsyn G.S., Grechko E.I., Elansky N.F., Pugaohev N.S. Some Soviet measurements of traoe gases. - Tellus, 1991, 43AB, p. 164-17529- Golitsyn G.S., Gruzdev A.N., Elansky N.F., ' Pertsev N.N. and Shefov N.N. Studies of structure of orographic lee waves. - In Proa, of international Symp. on the Qinghai - Xizang Plateau and mountain meteorology, March 20-24, 1984, Beijing. China Science press, Beijing, 1986, p. 854-864.

30. Elansky N.F, Arabov A.Ya., Elokhov A.S. and Senik I.A. Spatial and temporal variability of the NOg total oontent based on annual observation data. - Atmospherio Ozone, Proo. Quadr. Ozone Symp., Halkidiki, Greeoe, 3-7 September 1984, Dordreoht: D.REIDEL PUBL. COMP., 1984, p. 157-162.

31. Gruzdev A.N. and Elansky N.F. Ozone concentration data applied for studying mesosoale wave prooesses in the atmosphere. - Atmospherio Ozone, Proo. Quadr. Ozone Symp., Halkidiki, Greeoe, 3-7 September 19S4, Dordreoht: D.REIDEL PUBL. .COMP., 1984, p. 563-567