CC BY
14
УДК 551.510
МОНИТОРИНГ ВЕРТИКАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОЗОНА НАД МОСКВОЙ НА МИЛЛИМЕТРОВЫХ
РАДИОВОЛНАХ
C.B. Соломонов, Е. П. Кропоткина, С. Б. Розанов, А.Н. Лукин,
А. Н. Игнатьев
Представлены результаты мониторинга вертикального распределения озона (ВРО) на MM-волнах над Москвой. Рассмотрены особенности высотно-временного распределения, озона, отражающего эволюцию озоносферы над умеренными широтами. Показаны, изменения, ВРО, характеризующие отклик озоносферы на стратосферное потепление в январе 2009 г. Сделан вывод о необходимости создания, отечественной назем,ной сети мониторинга пространственного распределения, озона на ММ-волнах.
Ключевые слова: миллиметровые волны, озон, мониторинг.
1. Исследование эволюции озоносферы является важнейшей задачей в изучении климата. состояния окружающей среды и экосистемы в целом [1. 2]. Для изучения происходящих в озоносфере изменений необходим мониторинг вертикального распределения озона (ВРО). включаютции наблюдения в холодное полугодие в период активизации атмосферных волновых процессов и связанных с ними сильных возмущений, стратосферных потеплений [1]. Важную роль в наблюдениях вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере играют радиофизические методы у дистанционное зон— дирование озоносферы на миллиметровых (ММ) волнах с поверхности Земли [1 4]. Дистанционное зондирование в этой области спектра имеет ряд достоинств. В диапазоне MM-волн сосредоточены многочисленные спектральные линии озона, водяного пара, окиси хлора и ряда других газов, играющих ключевую роль в атмосферных процессах. Радиофизические методы позволили проводить круглосуточные наблюдения атмосферы по ее собственному тепловому радиоизлучению при различных погодных условиях.
Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, 119991 Москва, Ленинский проспект, д. 53.
поскольку ослабление излучения в облаках и слоях аэрозоля в радиодиапазоне существенно меньше, чем в оптической области спектра.
Ниже рассматриваются новые результаты наблюдений вертикального распределения стратосферного озона над Москвой, выполненных в Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) на ММ -ВОЛНАХ.
2. Многолетние наблюдения озоносферьт на миллиметровых волнах проводятся в ФИАН [3, 4] с помощью наземной высокочувствительной спектральной аппаратуры с 1987 г. При этом регистрируется вращательная спектральная линия озона с центром на 142.175 ГГц. Эта уширенная столкновениями молекул линия содержит информацию о высотном распределении молекул озона в стратосфере и мезосфере. Вертикальный профиль озона восстанавливается из измеренной спектральной линии методами Тихонова и статистической регуляризации [4. 5]. При решении обратной задачи (восстановлении ВРО из измеренной спектральной линии), интерпретации и анализе результатов наблюдений в ФИАН использовались данные о вертикальных профилях температуры, давления, полях температуры, геопотенциала и потенциальной завихренности [6]. Суммарная погрешность восстановленного профиля вертикального распределения озона (с учетом тттума аппаратуры и других экспериментальных погрешностей) при оптимальных условиях наблюдения не превышает 5 7% Н£Ь ВЫСОТАХ 20 50 км. постепенно возрастая в более низких и более высоких слоях [3]. По данным справочной модели [7], в слое 35 40 км в умеренных широтах расположен максимум среднемесячных значений вертикального распределения озона, представленного в единицах объемного отношения смеси озона и воздуха CO3 ■ Ниже количество озона CO3 дано в общепринятых в зарубежной литературе единицах ррт, или 10_6.
Получено хорошее соответствие зарегистрированных в ФИАН профилей ВРО с данными одновременных наблюдений озона над Москвой из космоса в отдельные дни и профилей. усредненных за месяц. Например, различие усредненных за апрель 1996 2003 гг. профилей ВРО. полученных по наблюдениям в ФИАН и с помощью ультрафиолетового инструмента SBUV [8], составляет менее 6% на высотах 20 45 км. Различие усреднённых профилей ВРО. полученных в ФИАН и с помощью спектрометра MLS на спутнике Aura [9] над Москвой в марте 2005 г.. не превосходит 7% на высотах 21 51 км. Спектральная аппаратура ФИАН была включена в состав глобальной озонометрической сети по международным программам DYAXA. CRISTA/MAHRSL SOLVE 2000. По инициативе ФИАН были выполнены одновременные наолюдения озоносферьт на ММ-волнах из различных наземных пунктов [10. 11]. ставшие первыми
шагами в создании наземной сети микроволнового мониторинга озонного слоя с участием отечественных обсерваторий.
Рис. 1: Высотно-временное распределение озона над Москвой в период с 01.10.2008 г. по 06.05.2009 г. Изолиниями показаны уровни равного содержания озона в единицах отношения смеси (ррт).
3. В результате выполненных в ФИАН многолетних наблюдений ВРО получена подробная картина изменений в озоносфере. Зарегистрированы короткопериодные, сезонные, межгодовые и более долговременные изменения вертикального распределения стратосферного озона. Наиболее значительные изменения ВРО происходили в холодные полугодия, при сильных стратосферных потеплениях.
Существенное влияние на вертикальное распределение озона над Москвой оказывали процессы в полярном стратосферном вихре, воздух которого характеризуется пониженным содержанием озона.
Полярный стратосферный вихрь развивается осенью при охлаждении стратосферы в условиях уменьшения солнечного освещения. При этом устанавливается зимний тип циркуляции. Воздух полярного стратосферного вихря отличается от воздушных масс вне вихря более высокими значениями потенциальной завихренности (potential vorticity, PV) [12]. Анализ карт потенциальной завихренности PV (карты построены на основании данных [6]) на отдельных изэнтропических уровнях стратосферы Северно-
го полушария дал возможность по методике [12] определять границу между воздухом полярного стратосферного вихря с высокими значениями PV и воздушными массами более низких широт с существенно более низкими значениями PV. Эта граница характеризуется большими скоростями окружающего вихрь воздушного потока и резким изменением градиента потенциальной завихренности [12]. Как показал анализ ме-
PV
и траекторный анализ, воздух полярного вихря нередко оказывается над умеренными широтами европейской части нашей страны, включающими и Московский регион. Это происходит под влиянием возмущений циркуляции атмосферы, в том числе в периоды зимних потеплений в стратосфере и мезосфере. Для определения траекторий движения воздушных частиц в стратосфере использовалась траекторная модель HYSPLIT (NOAA HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory model) [13].
В качестве примера зарегистрированного над Москвой высотно-временного распределения озона, на рис. 1 изолиниями показано распределение содержания озона CO3 на высотах 20-50 км над Москвой с 01.10.2008 г. по 06.05.2009 г. Влияние атмосферных процессов на озоносферу проявляется в деформациях поля COs. По сгущению изолиний на рис. 1 хорошо виден отклик озоносферы на сильное возмущение (стратосферное потепление) в январе-феврале 2009 г. и смещение максимума распределения CO3 вниз к 30 км.
^ —1—I—1—I—1—I—1—I—1—I—1—I—1—I—1—i—1—i—r" 01.10.08 29.10.08 26.11.08 24.12.08 21.01.09
15.10.08 12.11.08 10.12.08 07.01.09 04.02.09
Октябрь 2008 г. - февраль 2009 г.
Рис. 2: Содержание (отношение смеси) озона на высоте 30 км по результатам наблюдений в ФИАН (вертикальная ось слева), а также значения потенциальной завихренности над Московским регионом (вертикальная ось справа) для уровня с потенциальной температурой 850 К по данным [6].
На рис. 2 представлены данные о содержании озона CO3 над Москвой на высоте 30 км в период с 01.10.2008 г. по 15.02.2009 г. и значения потенциальной завихренности PV для близкого по высоте уровня с потенциальной температурой 9 = 850 К [6] для этого же периода времени.
В ноябре, декабре 2008 г. и в январе 2009 г. воздух полярного вихря у охватывающего огромную площадь, неоднократно появлялся в стратосфере над Москвой.
На рис. 1 и рис. 2 видно, что содержание стратосферного озона достигает минимальных значений в зимний период. Эти снижения содержания озона происходили при повышенных значениях PV
Наиболее значительные изменения в озоносфере обнаружены в январе 2009 г. при сильном стратосферном потеплении, во время которого содержание озона на высоте 30 км 22 января 2009 г. достигло 8.5 ррт. а затем снизилось до 4.5 ррт 29 января (рис. 2). Как показал анализ карт потенциальной завихренности, барической топографии и температуры. во время этого потепления полярный вихрь разделился на две части и 21 января 2009 г. одна из них оказалась над Сибирью, а другая над северо-восточной частью К ан ад ы и Гренландией. При этом над Московским регионом располагался воздух стра-
PV
и. как показали измерения в ФИАН. с повышенным содержанием озона. К 29 января воздушные массы стратосферного полярного вихря с пониженным содержанием озона (рис. 2) оказались над Московским регионом, переместившись из Сибири к Европе.
Таким образом, периодическим увеличениям (уменьшениям) потенциальной завихренности над Москвой, вызванным перемещениями основных барических систем стратосферы (полярного стратосферного вихря и антициклона), соответствовали уменьшения (увеличения) содержания озона на высоте 30 км над Москвой (рис. 2). На рис. 3 показаны примеры профилей ВРО с пониженным содержанием озона в воздухе вихря, наблюдавшихся 25 декабря 2008 г. и 29 января 2009 г.. а также с повышенным содержанием озона в слое 25 30 км. зарегистрированных вне вихря 21 и 22 января 2009 г.
В стратосфере над Московским регионом на высотах ниже 35 км 29 января находились воздушные массы полярного вихря с пониженным содержанием озона и с
PV
Согласно результатам траекторного анализа, воздух с повышенным содержанием озона, наблюдавшимся на высоте 25 30 км над Москвой 21 января 2009 г.. за двое суток до этого, т.е. 19 января5 находился над Средиземным морем. В следующие сутки, т.е. 20 января, этот воздух переместился в центральную часть Европы и оказался над
012345678 Содержание озона, ррш
Рис. 3: Примеры профилей вертикального распределения озона в декабре 2008 г. и январе 2009 г.
Балтикой, откуда затем с северо-запада приблизился к Москве, описав за эти двое суток дугу по часовой стрелке, что характерно для антициклона.
Воздушные массы с пониженным содержанием озона, появившиеся над Москвой 29 января 2009 г., за двое суток до этого (т.е. 27 января) располагались над Северным Казахстаном и Западной Сибирью. Затем, описав крутую дугу против часовой стрелки (что типично для циклона), они приблизились к Москве с северо-востока.
В допущении линейной вероятностной связи между содержанием озона CO3 на 30 км и PV (в общем случае она нелинейна), коэффициент корреляции для этих величин оказался равным р = —0.82 ± 0.04 для представленного на рис. 2 периода. Такая связь этих характеристик свидетельствует о сильном влиянии процессов переноса воздушных масс на пространственное распределение озона. Таким образом, географическое положение пункта наблюдения озоносферы в Москве оказалось удобным для изучения вертикального распределения озона как внутри полярного вихря, так и вне его (рис. 3) в силу отмеченного выше нередкого появления воздуха полярного вихря над Москвой.
Откликом озоносферы на стратосферное потепление в январе 2009 г., во время которого была нарушена зимняя циркуляция, стали значительные изменения формы вертикального распределения озона. Нередко возникали профили озона с локальными неод-нородностями. Примеры таких деформированных профилей озона показаны на рис. 4, где представлены профили ВРО с локальными неоднородностями - двумя максиму-
012345678
Содержание озона, ррт
Рис. 4: Примеры профилей вертикального распределения озона в феврале 2009 г.
мами на высотах около 28 и 42 км (вместо одного на высоте 35 км по модели [7]), зарегистрированными 6 и 18 февраля 2009 г. Профили ВРО с двумя максимумами в стратосфере, неоднократно наблюдавшиеся над Москвой, свидетельствуют о существовании слоистых структур в озоносфере. Такие особенности профилей ВРО наблюдались над Московским регионом также и из космоса с помощью прибора MLS на спутнике Aura [9].
Многолетние наблюдения на ММ-волнах позволили зарегистрировать в 2008-2009 гг. и в предыдущие годы пониженные (по сравнению с данными спутниковых измерений в конце 70-х - начале 80-х годов) среднемесячные значения содержания озона весной в чувствительных к техногенным воздействиям слоях верхней стратосферы (40-45 км), что согласуется с результатами других экспериментов, с известными теоретическими данными и может быть связано с разрушением озона из-за техногенного загрязнения атмосферы хлорсодержащими веществами (ХФУ) [1].
4. Анализ результатов мониторинга ВРО в 2008-2009 гг. и в предыдущие годы позволяет сделать следующие выводы.
Исследовано влияние атмосферных процессов на структуру сезонного хода озона умеренных широт. Значительное понижение содержания стратосферного озона наблюдалось над Москвой в холодное полугодие (обычно в ноябре, декабре и январе) в воздухе полярного стратосферного вихря. При этом содержание озона в воздухе вихря было значительно ниже, чем в воздухе вне вихря.
Наибольшие изменения в озоносфере зарегистрированы при стратосферных потеплениях. Наблюдения показали, что сильное стратосферное потепление в январе 2009 г. сопровождалось изменением содержание озона на высоте 30 км от 4.5 ррт до 8.5 ррт.
Зарегистрированы слоистые структуры в озоносфере. характеризуемые двумя стратосферными максимумами вертикального распределения озона в холодное полугодие.
Обнаруженное пониженное содержание озона в слоях верхней стратосферы весной отражает прогнозируемое долговременное изменение в наиболее чувствительной к техногенным загрязнениям области озоносферьт на высотах 40 45 км.
Полученные новые данные об особенностях вьтсотно-временного распределения озона свидетельствуют о важности мониторинга вертикального распределения озона радиофизическими методами с целью изучения эволюции озоносферьт. Результаты исследований показывают настоятельную необходимость создания отечественной наземной сети мониторинга пространственного распределения озона на ММ-волнах и последующего ее включения в глобальную озонометрическую сеть.
Авторы выражают глубокую благодарность академику А. Г. Литваку. профессорам К. П. Гайковичу. А. В. Масалову. В. Н. Сорокину. Е. В. Суворову и В. А. Черепенину за поддержку данной раооты. Авторы признательны лаборатории ХОАА Air Resources Laboratory (ARL) за любезно предоставленную возможность пользования транспортной моделью HYSPLIT. а также благодарны центру British Atmospheric Data Center (BADC) за любезно предоставленные аэрологические данные.
Работа поддержана Программами ОФН РАН "Современные проблемы радиофизики" и "Радиоэлектронные методы в исследовании природной среды и человека".
ЛИТЕРАТУРА
[1] Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2006. Global Ozone Research and Monitoring Project. Report Xo. 50 (World Meteorological Organization. Geneva. 2007).
[2] World Meteorological Organization Global Atmosphere Watch (GAW) Strategic Plan: 2008 2015 (WMO, Geneva, TD XO. 1384, 2007).
[3] С. В. Соломонов. А. Н.Игнатьев. E. П. Кропоткина и др.. Приборы и техника эксперимента. X 2. 138 (2009).
[4] С. В. Соломонов. К. П. Гайкович. А. Н. Игнатьев и др.. "Дистанционное зондирование атмосферного озона на миллиметровых волнах" в: Труды конференции "Радиофизические методы в дистанционном зондировании сред". Муром. 2009 г. (Муромский институт (филиал) ВлГУ. Муром. CD-R. 2009), стр. 49.
[5] К. П. Гайкович. Е. П. Кропоткина. С. В. Соломонов. Известия АН. Физика атмосферы и океана 35(1). 86 (1999).
[6] The British Atmospheric Data Centre (BADC) http://badc.nerc.ac.uk/data/assim/
[7] G. M. Keating, L, S. Chiou, and X. C. Hsu, Adv. Space Res. 18(9/10), 11 (1996).
[8] SBUV Version 8, Nimbus 7, NOAA-9a, NOAA-9b, NOAA-11, NOAA-16 (DVD-ROM, Prepared by the NOAA/NASA Ozone Processing Team, April 2004).
[9] L. Froidevaux, N. J. Livesey, W. G. Read, et al., IEEE Trans, on Geosci. Remote Sensing 44(5), 1106 (2006).
[10] S. V. Solomonov, E. P. Ivropotkina, A. N. Lukin, et al., J. Atmos. Terr. Phys. 56(1). 9 (1994).
[11] E. П. Кропоткина, К). К). Куликов, В. Г. Рьтскин, С. В. Соломонов, Изв. вузов. Радиофизика 50(10 И), 954 (2007).
[12] Е. R,. Nash, P. A. Newman, J. Е. Rosenfield, and М. R,. Schoeberl, J. Geophys. Res. 101 (D5), 9471 (1996).
[13] R. R. Draxler and G. D. Rolph, 2010. HYSPLIT (HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectory) Model access via NOAA ARL READY Website NOAA Air Resources Laboratory, Silver Spring, MD (http://ready.arl.noaa.gov/HYSPLIT.php).
Поступила в редакцию 31 марта 2010 г.
