Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Влияние радиационных и волновых процессов на динамику озона в средней атмосфере

ВАК РФ 04.00.23, Физика атмосферы и гидросферы

Текст научной работыДиссертация по геологии, кандидата физико-математических наук, Ерухимова, Татьяна Львовна, Нижний Новгород

Российская академия наук Институт прикладной физики

На правах рукописи

ЕРУХИМОВА Татьяна Львовна

Влияние радиационных и волновых процессов на динамику

озона в средней атмосфере

Специальность 04.00.23 - физика атмосферы и гидросферы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители:

д. ф.-м. н., проф. Суворов Е.В.

д. ф.-м. н., проф. Трахтенгерц В.Ю.

Нижний Новгород 1999

Оглавление

Введение 4

1 Высокочастотное электромагнитное излучение авроральной ионосферы 19

1.1 Введение..............................................19

1.2 Источники электромагнитного излучения авроральной ионосферы ... 24

1.3 Спектры тормозного излучения при вторжении энергичного электронного потока......................................................................27

1.4 Спектры тормозного излучения в реальных условиях авроральной ионосферы .........................................................................33

1.5 Выводы ,..................................................................36

2 Использование радиометрических измерений излучения атмосферы

для восстановления высотного профиля озона 38

2.1 Введение .................................... 38

2.2 О методике определения вертикального распределения озона по данным микроволновых измерении.......................... 40

2.3 Модификация метода Шахина для восстановления вертикального профиля озона по результатам радиометрических измерений........47

2.4 Обр аботка экспериментальных результатов наблюдений стратосферного озона в полярных широтах.......................... 60

2.5 Восстановление профилей концентрации озона и температуры атмосферы по спектрам микроволнового излучения в двух линиях вращательных переходов озона........................... 69

2.5.1 Восстановление комбинации профилей концентрации и температуры как функции давления по измерениям одной спектральной линии озона............................... 69

2.5.2 Восстановление профилей концентрации озона и температуры атмосферы по спектрам микроволнового излучения в двух линиях вращательных переходов озона................ 86

2.6 Выводы..................................... 92

3 Возмущение высотных профилей атмосферных составляющих внутренними гравитационными волнами, взаимодействующими с ветровым сдвиговым потоком * ; ч 93

3.1 Введение .................................... 93

3.2 Перераспределение пассивной примеси квазимонохроматической внутренней гравитационной волной в сдвиговом течении.............101

3.2.1 Постановка задачи для волны заданной амплитуды ....... 101

3.2.2 Оценка возмущения плотности озона ................104

3.2.3 Учет вязкости.............................106

3.2.4 Обсуждение используемых идеализации ..............109

3.3 О возможности экспериментального обнаружения нелинейного критического слоя ..................................110

3.4 Взаимодействие нестационарных пакетов ВГВ со сдвиговым течением . 112

3.4.1 Распространение пакетов ВГВ. Постановка задачи........115

3.4.2 Уравнения для усредненных величин................121

3.4.3 Коэффициент "диффузии" плотности атмосферы в поле пакета ВГВ...................................122

3.4.4 Некоторые численные оценки ....................126

3.5 Заключение...................................130

Заключение 134

Литература 137

Введение

Средняя атмосфера - это область, в которой процессы различной природы - радиационные, волновые, химические существенно связаны между собой. В этой области, расположенной в диапазоне высот от 10 до 100 км и включающей в себя стратосферу, Б - слой и нижнюю часть Е - слоя ионосферы, возникает взаимосвязь процессов, происходящих в нижней атмосфере, и внешних воздействий на атмосферу (распространение и фильтрация фоновыми ветрами внутренних атмосферных волн, нагрев солнечным ультрафиолетом, ионизация, фотохимические процессы, вторжения высокоэнергичных частиц и т.п.).

Химический состав средней атмосферы формируется основными составляющими (кислород, азот) и малыми составляющими (например, озон, окись азота, метан и т. д.). Общая плотность малых составляющих много меньше плотности основных компонент, однако они играют существенную роль во многих процессах в атмосфере, в частности, в формировании термической структуры атмосферы и спектрального состава доходящего до поверхности Земли солнечного излучения.

Будучи расположенной между тропосферой, уже более ста лет изучаемой метеорологами, и верхней атмосферой, непрерывно исследуемой с 50-х годов с помощью искусственных спутников Земли, геофизических ракет, средняя атмосфера представляет собой одну из наиболее труднодоступных областей для наблюдений.

Интенсивное экспериментальное изучение этой важной области началось в конце 70-х - начале 80-х годов и было связано, в основном, с возникновением опасности ан-

тропогенного нарушения состояния средней атмосферы и особенно ее озонного слоя. Широта и тесная взаимосвязь явлений привели к необходимости комплексного изучения средней атмосферы в рамках международных проектов (например, МАП, NDSC, DYANA, EASOE, AIDA, ALOHA, SPARC, CRISTA/MAHRSI и многие другие). В этих программах были объединены измерения параметров атмосферы с помощью наземной, аэростатной, самолетной, ракетной, спутниковой аппаратуры и интерпретация данных с использованием различных моделей. Широко использовались оптическая и радиоаппаратура дистанционного зондирования, контактные измерения.

В результате исследований стало известно много новых фактов, касающихся как естественного состояния средней атмосферы, так и возможного влияния на нее деятельности человека. Уменьшение концентрации озона, связь солнечной активности и погоды, влияние возмущений на поверхности Земли и в тропосфере на процессы в вышележащих слоях, изменение физической структуры и химического состава средней атмосферы из-за извержения вулканов, вторгающихся заряженных частиц в периоды высокой магнитной активности, разрядных процессов грозового электричества -это лишь часть проблем, изучение которых в последние десятилетия привлекает все большее внимание.

Специфика изучения средней атмосферы состоит в том, что многие явления в этой области атмосферы: волны, вариации химического состава, перенос излучения, поведение заряженных частиц должны быть рассмотрены вместе, так как между различными группами процессов существуют важные связи. Температура стратосферы и мезосферы в значительной степени зависит от распределения газовых составляющих. В частности, предсказываемое увеличение атмосферных СОъ и СН4 в следующем веке может привести к значительным изменениям в распределении температуры, плотности и состава средней атмосферы. Уменьшение концентрации озона также приведет к изменению температурного профиля. Поглощение озоном излучения Солнца в ультрафиолетовом диапазоне вызывает нагрев окружающего воздуха;

этот процесс определяет рост температуры в стратосфере с высотой. Озон также сильно поглощает инфракрасную радиацию с длиной волны 9,6 мкм, находящуюся в окне прозрачности атмосферы в полосе 8-13 мкм. Поэтому глобальное уменьшение содержания озона в стратосфере и рост его концентрации в тропосфере могут привести к долговременным изменениям потоков излучения и, соответственно, к изменениям глобального и регионального климата [1—3].

Распределение температуры контролирует динамические процессы в атмосферном газе: система атмосферной циркуляции связана с неоднородностью поглощения солнечной энергии, направление и сила средних ветров определяются температурными градиентами.

В свою очередь распределение малых составляющих зависит не только от химических реакций, которые вносят вклад в их образование и разрушение, но и от температуры, которая определяет скорости многих химических процессов, от волновых процессов, обусловливающих перенос химических компонент, а также от вторгающихся потоков заряженных частиц. Так, химический состав средней атмосферы сильно меняется во время повышенной солнечной и геомагнитной активности. Вторгающиеся в полярную атмосферу энергичные солнечные протоны вызывают увеличение стратосферного N0, приводя тем самым к каталитическому разрушению 03 и изменению температуры стратосферы (н-р, [4-9]). Спорадические высыпания релятивистских электронов из внешних радиационных поясов в значительной степени могут изменять электрические свойства средней атмосферы до высот порядка 50 км [5,10-12]. Как показали недавние ракетные измерения [12], скорость ионизации атмосферы за счет вторгающихся электронов превышает фоновую скорость ионизации за счет космических лучей начиная с высот порядка 45 км.

Результатом взаимодействия пучка энергичных электронов с ионосферной плазмой и нейтральным газом являются многие электродинамические эффекты, в том числе электромагнитное излучение в широкой полосе частот. Кроме вторгающихся

потоков заряженных частиц вклад в широкополосное электромагнитное излучение атмосферы вносят различные электрические явления, возникающие в результате взаимодействия газовой составляющей с аэрозолями. Коронные, искровые, импульсные разряды и соответствующие плазмохимические процессы играют важную роль в энергобалансе и химическом строении атмосферы [13-17].

Одним из факторов, влияющих на динамику малых составляющих и термическую структуру атмосферы, являются внутренние гравитационные волны (ВГВ). Несмотря на то, что гравитационные волны экспериментально изучаются более 30 лет, целый ряд вопросов, связанных с географическим распределением волновой активности, характеристиками основных источников волн и масштабами индуцированных волнами возмущений скорости ветра, температуры, плотности атмосферы, остается невыясненным. Так, до сих пор нет единого мнения о природе мезомас-штабных флуктуации в средней атмосфере (характерное время от 5 минут до 20 часов; пространственные масштабы от десятков до сотен километров). Некоторые авторы рассматривают эти флуктуации как проявление турбулентности, связанной с конвективной и сдвиговой неустойчивостью (например, [18]), в то время как другие интерпретируют наблюдаемые мезомасштабные флуктуации горизонтальной скорости, плотности, температуры атмосферы на основе гравитационно-волновых взаимодействий [19-22].

Тропосферная конвекция, штормовые фронты, орография считаются основными источниками ВГВ в тропосфере. Распространяющиеся вверх ВГВ, генерируемые на низких высотах, в значительной степени обеспечивают связь между различными областями атмосферы [23]. Считается, что именно ВГВ определяют вид вертикальных профилей основных мезосферных параметров [24-26]. В последнее время все более очевидной становится необходимость учитывать влияние ВГВ на стратосферных высотах, как с точки зрения понимания глобальной атмосферной циркуляции, так и при расчете высотного распределения малых химических составляющих. Сейчас нет

сомнений, что ВГВ играют важную роль в формировании полярных стратосферных облаков в Арктическом регионе и могут влиять на скорость активации хлора и разрушения озона [27].

Одним из наиболее важных элементов средней атмосферы является озон - единственный газ, способный эффективно поглощать солнечное ультрафиолетовое излучение в области 250-300 нм. Это излучение приводит к поражению ДНК в хромосомах живых клеток, угнетению растительности, опасной степени эритемного эффекта у человека. В связи с этим вопрос о стабильности озонного слоя является центральным в изучении средней атмосферы [1,2]. Весенняя озонная "дыра", появившаяся в 80-х годах над Антарктидой, вызвала особый интерес к изучению атмосферного озона не только среди специалистов (см. обзоры [3,28-31], монографию [32], последние публикации [33-36]), но и в широких кругах общественности. Область с пониженным содержанием озона усиливала свою продолжительность, захватывая все большие площади Южного полушария. Появились озонные "дыры" в Арктике, менее интенсивные и продолжительные, но существенно более опасные в связи с большой плотностью населения в северных районах. С конца 1980-х годов регистрировалось регулярное снижение содержания озона над северными и южными широтами [3,37]. Последние исследования показали, что это явление в значительной степени обусловлено антропогенными факторами. Если ограничения на производство озоноразрушаюгцих веществ, принятые Монреальским протоколом, будут выполняться, то тенденция уменьшения озонной дыры сможет быть зарегистрирована только к 2008 году [35].

Измерения количества озона в столбе атмосферы ведут уже несколько десятилетий на сети озонометрических станций, расположенных в разных частях земного шара, включая и Антарктиду, а с 70-х годов и со спутников. Измерения озона проводятся путем регистрации относительных изменений интенсивности солнечной радиации в определенных спектральных интервалах. Для получения вертикального

распределения концентрации озона используют либо наблюдения с Земли рассеянного атмосферой излучения при заходе солнца (метод обращения), либо прямые измерения с помощью электро- и фотохимических приборов, поднимаемых на ракетах и аэростатах.

В последние годы, ввиду острой необходимости проведения длительных наблюдений малых атмосферных составляющих для детального изучения их глобальной и локальной изменчивости, все больший научный и практический интерес представляет дистанционный метод микроволновой спектроскопии [38-46]. В Институте прикладной физики Российской академии наук в течении многих лет проводятся наблюдения собственного излучения стратосферного озона в резонансных линиях вращательного спектра молекул приходящихся на миллиметровый диапазон длин волн [47-52]. Метод микроволновой спектроскопии позволяет проводить долговременные непрерывные наблюдения малых составляющих атмосферы круглосуточно, так как он не зависит от наличия ярких радиоисточников на небе. Кроме того, возможность проведения таких измерений слабо зависит от погодных условий и от наличия аэрозольной составляющей в атмосфере. Применение метода пассивного дистанционного зондирования на миллиметровых волнах дает возможность вести непрерывный мониторинг стратосферного озона в условиях полярной зимы, что особенно важно в связи с наблюдаемым сезонным дефицитом озона над Антарктидой и отдельными областями Арктики.

Одним из наиболее интересных результатов дистанционного зондирования озонного слоя на миллиметровых волнах, полученных в ходе высокоширотных экспедиций ИПФ РАН, является регистрация так называемых "быстрых" вариаций озона: концентрация озона значительно менялась с характерными временами порядка часа или нескольких часов на высотах 20-50 км, где озон считается лишь незначительно подверженным изменениям в течении суток [48,50].

Аналогичные события были зарегистрированы в экспериментах других авторов

с помощью иных методов [46,53,54].

Интерес к задачам, изложенным в диссертации, возник во-многом в связи с необходимостью интерпретации указанных выше результатов. Наша работа велась в двух направлениях - во-первых, восстановление высотных профилей концентрации озона по данным микроволновых измерений линии поглощения и, во-вторых, поиски объяснения переменности концентрации озона на различных временных масштабах. В рамках этих задач, в диссертационной работе предпринят теоретический анализ некоторых новых эффектов, приводящих к изменению уровня собственного излучения средней атмосферы и ее состава в условиях высокой магнитной и волновой активности.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения. В главе 1 рассмотрено высокочастотное электромагнитное излучение авроральной ионосферы [55,56]. Конкретно, обсуждаются особенности тормозного излучения, возникающего при вторжении в атмосферу энергичных частиц в широком диапазоне частот от радио до рентгена.

Первоначально эта задача возникла в связи с попыткой оценить роль тормозного излучения от вторгающихся электронов среди механизмов быстрой переменности концентрации озона на стратосферных высотах. Однако указанная проблема расчета спектра тормозного излучения и определения параметров энергичных частиц представляет и самостоятельный интерес.

Электромагнитное излучение авроральной ионосферы является результатом различных механизмов взаимодействия электронов с ионосферным газом и занимает диапазон от геомагнитных пульсаций (частоты / ~ Ю-2 — 1 Гц) до рентгеновского диапазона (/ ~ 1017 Гц). Имеется характерная частота, лежащая в районе /о — 10 МГц, которая существенным образом разграничивает ионосферные механизмы генерации электромагнитного излучения. На частотах / < /о определяющую роль в авроральной ионосфере играют плазменные механизмы, которые довольно сложны и

неоднозначны. На частотах / > /о в ионосферных условиях практически остается один сравнительно универсальный механизм - тормозное излучение, обусловленное процессами столкновения энергичных заряженных частиц с атомными частицами. В силу своей универсальности этот механизм служит хорошим �