CC BY
17
УДК 551.510
ОСОБЕННОСТИ ВЕРТИКАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОЗОНА НАД МОСКВОЙ ЗИМОЙ 1996 г. ПО НАБЛЮДЕНИЯМ НА ММ ВОЛНАХ В ФИАНе
С. В. Соломонов, Е. П. Кропоткина, А. Н. Лукин, С. Б. Розанов
В Физическом институте им. П. Н. Лебедева РАН в течение последних 10 лет проводятся систематические исследования озонного слоя над московским регионом методом наземного дистанционного зондирования на ММ волнах. В результате регулярных наблюдении на созданном в ФИАНе озонометре получена детальная картина высотно-временного распределения озона в 1996 г. А 'ара г терпой особенностью состояния озоносферы над Меи вой явилось устойчивое пониженное содержании озона течение января и отдельных периодов февраля и март и 1996 г. Наиболее сильное уменьшение озона до 2 — 2. 5 раз по сравнению со средними значениями, обнаружено на высотах 30 — 45 км, где, как следует из фотохимической теории, озонный слой наиболее чувствите ии к загрязнениям атмосферы.
Исследование состояния защитного озонного слоя, его мониторинг над густонасс ленными регионами и крупными городами является актуальной проблемой, особенна в связи с наметившимся глобальным истощением озона, образованием антарктичгс кой озонной дыры и другими аномальными явлениями в озоносфере. Основная информация об озоне, его вертикальном распределении поступает с шаров-озонозондов. высота по лета которых составляет примерно до 30 км, с борта ракет, самолетов и искусственных спутников Земли. Используются традиционные наземные оптические методы, а так ж* лилары.
Для решения важной задачи наземного оперативного мониторинга озонного слоя в Физическом институте разработан новый эффективный метод и создана высокочув ствительпая озонометрическая аппаратура, работающая в ММ диапазоне радиоволи. ■ помощью которой измеряется вертикальное распределение озона (ВРО) в стратосфере и мезосфере на высотах 20 - 75 км над московским регионом. Наблюдения озонного слоя на ММ волнах позволяют получать ВРО круглосуточно, при различных погол пых условиях, в том числе в отсутствие оптической видимости. Проводимые в ФИАНе систематические наблюдения позволяют оперативно обнаружить явления истощения озонного слоя, выявить характерные особенности влияния динамики и химиии атмо сферы на изменчивость озонного слоя над московским регионом [1, 3, 5]. Аппаратура ФИ А На для измерения озона была включена в состав глобальной озонометрической сеч и по международным программам БУАКА и СШБТА-МА Н1181.
Наблюдения озонного слоя, регистрация вертикального профиля озона в стратосфере и мезосфере проводятся в ФИАНе с 1987 года с помощью созданных озономет р и чес к и х комплексов, один из которых установлен на радиоастрономической станции ФИАН в I Пущино Московской области, другой размещен в Москве [1]. Метод мониторинга озона на миллиметровых радиоволнах оказался очень удобным для оперативного контроля озонного слоя. С помощью приемной аппаратуры, входящей в состав озонометриче ского комплекса, регистрируется спектр теплового радиоизлучения молекул озона на частотах одной из спектральных линий вращательного спектра с центром на частоте 142,2 ГГц (длина, волны около 2 мм), расположенной в окне прозрачности атмосферы В излучение дают вклад слои стратосферы на разных высотах, для которых различны и давление атмосферы и концентрация молекул озона. В миллиметровом спектре уширение линий определяется столкновениями, т.е. пропорционально атмосферном) давлению. Поэтому результирующий контур спектральной линии несет информацию о вертикальном распределении молекул озона. Для регистрации этой линии (примеры измеренных спектров озона приведены на рис. 1а) необходима приемная аппаратура вы сокой чувствительности и высокого спектрального разрешения, что реализовано в озо нометре ФИАНа. На рис. 16 представлены примеры восстановленных профилей озона соответствующих спектральным линиям, показанным на рис. 1а. Для восстановления вертикального профиля озона из измеренного спектра (обратная задача) применяются известные математические методы [2а, б]. Погрешности при восстановлении отдельно! < > профиля озона не превышают 10%.
Наблюдения на ММ волнах в ФИАНе, выполненные за последние 10 лет. показы-
Расстройка, МГц Отношение смеси С,,,,,, ррш
Рис. 1. а) Примеры спектральных линий озона с центром на частоте 142,2 /1 ц, зарегистрированных 26 января и 9 февраля 1996 г. в ФИАНе. б) Вертикальног pac.npintf.iuiт содержания озона в рргп( Ю-6) 26 января и 9 февраля 1996 г. и 4 января 1989 г.
вают, что вертикальный профиль содержания озона весьма чувствителен к прои< хо дящим в стратосфере физико-химическим процессам. В зависимости 01 особенностей этих процессов профиль озона в отдельные периоды может иметь устойчивые со< гояния с пониженными, повышенными или близкими к средним значениями содержания озона, а в другие периоды проявляет значительную изменчивость под их воздействием.
Вертикальные профили озона, близкие к модельным профилям [8]. наблюдались те том, а также в начале холодных полугодий (в октябре и ноябре).
В середине холодного полугодия (в декабре - феврале) наблюдались периоды с пониженным содержанием озона (например, в отдельные дни января 1989 г. и, как показано ниже, в январе и феврале 1996 г.).
Во время усиления планетарной активности в стратосфере, характеризуемой увели чением амплитуды планетарных волн (например, во время стратосферных потеплении ). наблюдались периоды с повышенным содержанием озона в слое 27 - 37 км (например, в феврале 1987 г., в марте 1988 и 1989 гг.). Повышенное содержание озона в слое 27 37 км. над московским регионом было зарегистрировано также во второй половине февра
1990 г. при проведении в ФИАНе наблюдений по международной программе DYANA. В это врем я завершалось стратосферное потепление, воздействие которого на озонный слой было зарегистрировано над большой территорией - не только над московским регионом, но также и над Швецией [3].
Неожиданным эффектом явились обнаруженные на миллиметровых волнах явления быстрых изменений содержания озона, которые были зарегистрированы в ФИАНе так же во время стратосферных потеплений в марте 1988 г. и в феврале 1990 г. Например, резкое увеличение содержания озона примерно до 2 раз в слое 27 37 км. произошло в первую половину суток 6 марта 1988 г., после чего во второй половине этого же дня было зарегистрировано быстрое (за 1 час) уменьшение содержания озона примерно в 1.5 раза. Как показывают исследования динамики стратосферы, в холодные периоды года, во время возмущений в стратосфере, происходит обмен воздушными массами, охвал ыва ющий высокие, средние и низкие широты. При этом в средних широтах в зависимое i i от той или иной атмосферной ситуации могут оказаться либо бедный озоном воздух из полярного вихря, либо воздух с повышенным содержанием озона из низких широз. Именно этими процессами, по-видимому, обусловлены быстрые вариации в вертикаль ном распределении озона, о которых говорилось выше.
Рассмотрим особенности вертикального распределения озона над Москвой по на блюдениям на ММ волнах в ФИАНе в 1996 г. Характерной отличительной особенос тью состояния озоносферы над Москвой является устойчивое пониженное содержание озона в течение относительно продолжительных периодов времени в начале этого года. Дей стви гельно, как видно из рис. 2, на котором представлено содержание озона над Москвой на уровне 6 мбар (примерно на высоте 35 км, т.е. вблизи максимума относительной концентрации озона) зимой 1996 года, озонный слой на этой высоте характеризовался устойчивым пониженным содержанием озона в течение всего января и в отдельные периоды февраля и марта (рис. 2). Содержание озона на высотах 30 45 км в эти периоды уменьшилось до 2-2,5 раз по сравнению со средними значениями [8] (рис. 16. 2 и 3). Необходимо отметить, что истощение озона, которое наблюдалось на VIM вол пах в январе 1989 г. в слое 30 45 км (рис. 16 и 3) было не таким сильным, оно не превышало 40%. Столь значительное уменьшение содержания озона над Москвой зимой 1996 г. происходило в условиях устойчивой зимней циркуляции в стратосфере северного полушария и, возможно, при повышенном содержании там загрязняющих веществ, разрушающих озон. По данным сети аэрологического зондирования, c i рало сферный полярный вихрь (циклон), в сфере действия которого находилась с тратосфер,
над Москвой зимой 1995-1996 гг., был очень устойчивым. Известно [7], что в »том ви хре озон активно разрушается в каталитических реакциях с участием хлора, бром, и их окислов, повышенные концентрации которых связаны с антропогенным загрязи* нисм атмосферы. Повышение концентрации окиси хлора были обнаружены не готы, над полярной областью северного полушария, но также над центральными района> Европейской части России со спутника UARS [4] в зимние периоды прошлых лет.
Содержание озона на уровне 6 мбар
S
о.
о.
S
и
SJ %
CJ <L>
5 X ■л
3
о
X
---модель
Китинга, 55N
О 10 20 30 40 50 январь 1996 г. I февраль
60
70 80 март
90 100 Дни I апрель
Рис. 2. Содержание озона над Москвой на уровне 6 мбар вблизи максимума относительно'! концентрации озона за период январь-апрель 1996 г.
Вместе с тем, существование устойчивой зимней циркуляции приводи ! к изоляц Ч1 воздушных масс, препятствует поступлению богатого озоном воздуха из более низких широт. По-видимому, эти процессы и привели к наблюдавшемуся на ММ волнах у< юн чивому пониженному содержанию озона над Москвой. Важно отметить, что общее > держание озона по данным оптических измерений над Москвой в эти периоды га к ж было понижено примерно на 20% по сравнению с нормой [6]. Таким образом, явле ние истощения в озоносфере более сильно проявляется на вертикальном распределении
озона в слое 30 - 45 км, где, как это следует из фотохимической теории, озон очень ч\ в ствмтелен к загрязнениям, и поэтому измерение ВРО на ММ волнах более эффективно (по сравнению с оптическими методами) для обнаружения ранних стадий разрушен г озонного слоя.
5 12 февраля 1996 г. было зарегистрировано значительное увеличение содержания озона, в его вертикальном распределении (рис. 16 и 2), что коррелировало с увеличе нием общего содержания озона, измеренного оптическими методами в ЦАО [6J. Это увеличение озона, обусловлено влиянием приблизившейся к Москве в это время области высокого давления (стратосферного антициклона) и связанного с ней поступления воздушных масс с увеличенным содержанием озона. Затем антициклон верпу к я в низ кие широты и над Москвой вновь появился воздух с характерным для высоких iinipoi низким содержанием озона (рис. 2).
В конце февраля и марте наблюдалось так называемое финальное стра госферное потепление. В этот период происходят сильные перемещения основных барических обра «>-ва.ний стратосферы: полярного циклона и алеутского антициклона, а также образуются струйные течения, которые переносят воздушные массы богатые озоном из низких пи рот в высокие. Именно э ти процессы привели к большим вариациям в содержании озона над, Москвой в конце февраля и марте 1996 г. (рис. 2). Это потепление затем перешло в весеннюю перестройку циркуляции стратосферы, которая завершилась к сореднп< апреля. При этом содержание озона над Москвой возросло, что характерно для пою периода.
Полученные на ММ волнах данные согласуются с результатами спутниковых и на земных оп тических [6] наблюдений озонного слоя и позволяют сделать важный вывел: опасность истощения, периодически возникающего в озонном слое над полярными обла стями, становится все более реальной и для озоносферы над умеренными широтами северного полушария, включая густонаселенный московский регион.
Развитые в ФИАНе методы дистанционного зондирования озонного слоя на ММ вол пах открывают уникальную возможность оперативного контроля за состоянием озоио сферы, за изменениями вертикального распределения озона в труднодоступных слоя стратосферы и мезосферы. Эти методы крайне необходимы для обнаружения ранних стадий прогнозируемого разрушения озонного слоя.
Данная работа поддержана грантами Международного научного фонда и России с кого фонда фундаментальных исследований.
Авторы считают своим приятным долгом выразить благодарность чл.-корр
-60 -40 -20 0 Д, %
Рис. 3. Отклонение А измеренных вертикальных профилей озона от модели [8] 4 » 26 январи 1996 г. и 4 и 7 января 1989 г; Д = [(CU3M(H) - Смод(П))/Смод(Н)] ■ 100%.
РАН И. И. Собельману и профессору Р. Л. Сороченко за внимание и поддержку данной работы.
ЛИТЕРАТУРА
[1] С о б е л ь м а н И. И., Соломонов С. В., Сороченко Р. Л. Весгник РАН, 63, 721 (1993).
[2] а. Т и х о н о в А. Н., Гончарский А. В., Степанов В. В., Я г о л а А. Я. Регуляризирующие алгоритмы и априорная информация. М., Наука, 1983; б. Gaikovich К. P., Kropotkina Е. Р., and Solomo nov S. V. 25th General Assambly of the URSI, 1996, p. 291.
[3] S о 1 о m о п о V S. V., К г о р о t к i n а Е. P., L и к i п A. N., et, al. At.in. Terr. Phys., 56, no. 1, 9.
[4] VV a t e r s J. W. et al., Nature, 362, 597 (1993).
[5] С о л о m о h о в С. В., К р о п о т к и н а Е. П., Лукин А. Н. и др. Изв. АН., сер. ФА О, 29, 525 (1993).
[П] Бюллетень о состоянии озонного слоя. Выпуск 10 (февраль - сентябрь 1996 г.) Центральная аэрологическая обсерватория, г. Долгопрудный, 1996.
[7] World Meteorological Organization. Scientific Assessment of Ozone Depletion: WMO Global Ozone Research and Monitoring Project. Report N 25, 1991.
[8] К e a t i n g G. M. and Pitts M. С. Adv. Space Res., 7, N 9, 937.
Поступила в редакцию 19 декабря 1996 г.
