Диссертация (Воздействие солнечных и межпланетных факторов на атмосферу и климат Земли), страница 6

При этом следует иметь в виду, что космическиелучи, являясь мутагенным агентом, вносят лишь 15% в суммарную дозу облученияорганизма в среде обитания [Фараоне и др., 2005].24Понижения концентрации озона (не ОСО) на стратосферных высотах (вышемаксимума озонного слоя) были зарегистрированы в десятках событий СКЛ [Weeks etal., 1972; Heath et al., 1977; Jackman et al., 1980; 1990; 2000; 2001; 2005; Reagan et al.,1981; Thomas et al., 1983; Maeda et al., 1984; McPeters et al., 1981; 1985; Криволуцкий идр., 1999; 2001; Задорожный и др., 1992; Krivolutskiy, 2003].

Однако первые сообщенияо том, что события СКЛ могут приводить к понижениям ОСО до 18% (образованиюозонных «минидыр») в полярной шапке появилось в наших работах [Шумилов и др.,1991; Kasatkina et al., 1992; Shumilov et al., 1992]. Этот принципиальный результат, неукладывающийся в используемые ранее модели формирования и динамики озоновогослоя, стимулировал большой цикл работ по экспериментальному выявлению эффектоввоздействия космических лучей на протекание процессов в средней и нижнейатмосфере [Задорожный и др., 1992; Касаткина и др., 1998; 1999; 2003; Шумилов,Касаткина и др., 1996; 1997; Шумилов, Касаткина, 2005; Kasatkina et al., 1993a,b;1994a,b; 1995; 1997a,b; 1998a,b; 1999a,b; 2001a,b; 2004a; 2005; Shumilov, Kasatkina et al.,1993a; 1995; 1996b; 2001; 2003a; Shumilov et al., 1993b; 2000], в том числе и насодержание аэрозолей в стратосфере [Касаткина и др., 1999; Шумилов, Касаткина,2005; Kasatkina et al., 1994b; 1995; 1998ab; 1999b; 2002b; Kasatkina, Shumilov, 2005;Shumilov et al., 1993; 1996; 2000].Полученный результат заставил также пересмотреть существующие подходы кматематическомумоделированиюпроцессов,связанныхсмалымигазовымисоставляющими атмосферы, и, в первую очередь, с озоновым слоем, и послужилоснованием для разработки новой модели воздействия солнечной активности наозоновый слой с учетом механизма ионной нуклеации и гетерогенных химическихпроцессов [Касаткина и др., 1999; Шумилов, Касаткина, 2005; Kasatkina et al., 1994b;1995; 1998ab; 1999b; 2002b; Kasatkina, Shumilov, 2005; Shumilov et al., 1993; 1996; 2000].В настоящее время считается, что способность космических лучей посредствомионизации изменять химический состав и нарушать температурный и электрическийбаланс атмосферы [Tinsley, Deen, 1991; Kodama et al., 1992; Tinsley, 2000], влиять нациклоническую активность и уровень выпадения осадков [Мустель, 1966; Стожков идр., 1995; Kniveton, Todd, 2001; Vereteneko, Thjell, 2005; Veretenenko et al., 2005],изменять атмосферную прозрачность [Веретененко, Пудовкин, 1998; Veretenenko,Pudovkin, 2000], а также способствовать образованию полярных стратосферныхоблаков и аэрозолей [Касаткина и др., 1999; Шумилов, Касаткина, 2005; Kasatkina etal., 1994b; 1995; 1998ab; 1999b; 2002b; Kasatkina, Shumilov, 2005; Shumilov et al., 1993;1996; 2000; Svensmark, Friis-Christensen, 1997; Palle, Butler, 2000; Carslaw et al., 2002],25позволяет рассматривать их в качестве наиболее важных агентов, связывающихсолнечную активность и климат.В настоящей главе приведены основные экспериментальные результатывоздействия СКЛ и ГКЛ на ОСО и NO2 в высоких широтах, изложенные в работах[Задорожный и др., 1992; Касаткина и др., 1998; 1999; 2003; Шумилов, Касаткина идр., 1996; 1997; Шумилов, Касаткина, 2005; Kasatkina et al., 1993a,b; 1994a,b; 1995;1997a,b; 1998a,b; 1999a,b; 2001a,b; 2004a; 2005; Shumilov, Kasatkina et al., 1993a; 1995;1996b; 2001; 2003a; Shumilov et al., 1993b; 2000].1.1 Фотохимия разрушения озона.Озон испытывает значительные вариации, вступая в химические реакции сдругиминейтральнымисоставляющимиатмосферы,атакжеподдействиемметеорологических динамических процессов.

В 1930 г. известный английский геофизикЧепмен предложил схему для описания поведения озона, которая впоследствииполучиланазваниециклаЧепмена.Восновереакцийэтогоциклалежатозонообразующее и озоноразрушающее действия ультрафиолетового излучения.Кванты УФ излучения проникают на соответствующие высоты в атмосфере, вызываядиссоциацию молекул кислорода:O2 + h  O + OJ<242 нм (1.1)Образовавшиеся атомы кислорода либо соединяются вновь между собой в присутствиитретьей молекулы М:O + O + M O2 + M,(1.2)либо взаимодействует с молекулой O2, образуя молекулу озона:O + O2 + M O3 + M(1.3)Разрушение озона происходит по следующим реакциям:O3 + h  O2 + OO3 + O  O2 + O2J2<310 нм (1.4)26При этом, озонообразующее излучение не проникает ниже высоты 16 км, аразрушение озона происходит во всей толще атмосферы - от земной поверхности довысоты 100 км.

Если солнечное излучение отсутствует, или ослаблено (ночь, зима ввысоких широтах и т.д.), всё разрушение молекул O3 определяется их взаимодействиемс атомами кислорода.Помимо УФИ источником диссоциации могут быть и энергичные частицы,входящие в состав космических лучей. В связи с этим в [Стеблова, 1968; 1990; Осечкини др., 1989] указывалось на озонообразующее действие галактических (ГКЛ) исолнечных (СКЛ) космических лучей.

Но, как известно, максимальная плотностьпотока энергии СКЛ на границе атмосферы составляет 10 1 -10 0 эргсм 2 с 1 [Svestka,1970], а ГКЛ - еще меньше [Стеблова, 1968]. С другой стороны, плотность потокаэнергии УФИ, участвующего в диссоциации кислорода и, следовательно, в образованииозона (J>242 нм) имеет среднее значение - 210 3 эргсм 2 с 1 и превышает аналогичнуювеличину для космических лучей на несколько порядков [Frederick, 1976].

Такимобразом, участие в образовании озона космического излучения незначительно посравнению с УФ излучением с энергетической точки зрения.Одним из результатов дальнейшего интенсивного изучения озона явилосьустановление того факта, что механизм Чепмена не является достаточным для расчетаравновесных концентраций озона на разных высотах, и разрушение озона вызвановзаимодействием с окислами водорода HOx [Hunt, 1966] и окислами азота NOx[Crutzen, 1970].

Водородный и азотный циклы состоят из следующих реакций:OH + O3  HO2 + O2(1.5)HO2 + O  OH + O2O3 + NO  NO2 +O2(1.6)NO2 + O  NO + O2Впоследствии к этим реакциям были добавлены и каталитические циклы сучастием атомов хлора Clx [Molina, Rowland, 1974]:Cl + O3  ClO + O2(1.7)ClO + O  Cl + O2До открытия озонной дыры в Антарктиде приведенные гомогенные химические27реакции с участием газовых составляющих считались основным путем уничтоженияозона. Позднее был открыт, так называемый, димерный механизм (от Cl2O2)разрушения озона:2(Сl + O3  ClO + O2)(1.8)M + ClO + ClO  Cl2O2 + MCl2O2 + h  Cl + ClO2ClO2 + M  Cl + O2 + Mи хлорно-бромный механизм:Cl + O3  ClO + O2(1.9)Br + O3  BrO + O2ClO + BrO  Br + ClO2ClO2 + M  Cl + O2 +MРасчеты [Solomon, 1990] показали, что с помощью циклов (1.8) и (1.9) как будто можнообъяснить феномен антарктической озонной дыры.

Однако, сами наблюдаемыеотносительно высокие концентрации ClO в стратосфере фотохимичесеая теория,основанная лишь на гомогенной (газофазной) химии, объяснить была не в состоянии[Solomon, 1990]. Поэтому объяснение наблюдаемых высоких концентраций ClO какрезультата гетерогенных реакций между молекулами газов и частицами полярныхстратосферных облаков (PSC) было предложено Сьюзен Соломон в 1986 г. [Solomon etal., 1986]:ClONO2(г) + H2O(т)  HOCl(г) + HNO3(т)(1.10)ClONO2(г) + HCl(т)  Cl2(г) + HNO3(т)(1.11)N2O5(г) + H2O(т)  2HNO3(т)(1.12)N2O5(г) + HCl(т)  ClNO2(г) + HNO3(1.13)Здесь буквы “т” и “г” означают, в какой фазе, твердой или газообразной,находится данное соединение.

Реакции (1.10) и (1.11) ведут к преобразованию двухпассивных (по отношению к О3) хлорных соединений в свободный хлор, активноразрушающий озон. Реакции (1.12) и (1.13) служат стоком для окислов азота и поэтомувлияют на химические процессы, ответственные за образование озонной “дыры”. Какпоказали теоретические расчеты [Solomon et al., 1986], критически важное значение для28процессакаталитическогоразрушенияозонарадикаламигалогеновимеетконцентрация окислов азота, определяемая условием: [ClO]>[NO2].Гетерогенные реакции (1.10-1.13) могут идти и на поверхности сульфатныхаэрозолей.

Причем, если реакция (1.12) не зависит от температуры, то скорость реакций(1.10) и (1.11) начинает расти с температурой (начиная с -63С) [Garcia, 1994], котораязначительно выше температуры образования PSC и характерна для средних широт. Вработах [Wolf, Mulwaney, 1991; Williams et al., 1993] было показано, что в полярнойстратосфере гетерогенные реакции на сульфатных аэрозолях могут идти быстрее, чем влабораторных условиях, и при падении температуры ниже -80С потери озона вхлорномциклестановятсясравнимымиспотерямивовремяобразованияАнтарктической озонной “дыры” (1% в день), что соответствует значению скоростиреакции (1.10) =0.01 [Prather, 1992].

Значение =1 соответствует катастрофическимпотерям озона (25% в день) [Brasseur et al., 1990; Prather, 1992]. Аэрозольные частицымогут длительное время сохраняться в атмосфере (до нескольких лет на высоте 20 км)[Мизун, 1993], что позволяет им переноситься на большие расстояния.Резюмируя, можно сказать, что гетерогенные реакции на поверхностиаэрозольных частиц являются важнейшим фактором в разрушении озона в полярныхобластях.1.2 Солнечные космические лучи и озонные «минидыры».Релятивистские солнечные протоны могут приводить к образованию озонных«минидыр» в высоких широтах, что впервые было продемонстрировано результатами,проведенного нами по специальной программе эксперимента на арх. Шпицберген (обс.Баренцбург; 78.06N, 14.22E) и о.

Хейса (80.6N, 58E), где во время событий GLE вмае 1990 г. было обнаружено понижение общего содержания озона на 18% [Шумилов идр., 1991; Шумилов, Касаткина и др., 1996; Касаткина и др., 1998; Shumilov et al., 1992;Kasatkina, 1993; Shumilov, Kasatkina et al., 1993a; 1995].Протонные события мая 1990 г. были обусловлены четырьмя мощнымипротонными вспышками на Солнце. Последняя из них произошла уже за западнымлимбом Солнца в одной и той же активной области (см. Таблицу 1.1) [Вашенюк, 2000].В Таблице 1.1 приведены основные характеристики протонных событий типа GLE,анализируемых в этой главе. В Таблице 1.1 указаны дата, время UT начала всплеска нанейтронном мониторе, гелиокоординаты вспышки, балл в H и в рентгеновскомизлучении, а также амплитуда возрастания в процентах на нейтронном мониторе в29Апатитах. Все четыре вспышки в мае 1990 г.

вызвали возрастание интенсивностикосмических лучей на поверхности Земли, что свидетельствует об очень жесткомэнергетическом спектре солнечных протонов.Таблица 1.1События СКЛ по данным нейтронного монитора в АпатитахNДатаНачалоUTГелиокоорд.Баллв HБаллв рент. изл.Интенс.(%)14.08.7213.15N14 E084B>X510216.02.8409.10W132__13329.09.8911.50W105_X9.8202419.10.8913.20S27 E104BX1338524.10.9018.30S30 W573BX5.795621.05.9022.32N35 W362BX5.514724.05.9021.45N33 W781BX9.38826.05.9021.23W100_X1.47928.05.9005.35W120C15102.05.9814.10S15 W153BX1.111114.07.0010.33N22 W073BX5.738_На рис. 1.1 приведены данные измерений интегрального потока солнечныхпротонов в мае 1990 г.