Диссертация (1097516), страница 10
Текст из файла (страница 10)
(22.38 UT; 67.33N, 40.2E) и усредненный за14.07.2000 г. по трём распределениям (17.51 UT, 68N, 106.1E; 19.27 UT, 68.15N,81.5E; 21.03 UT, 68.2N, 56.97E) – 2.521.5 Вариации двуокиси азота, вызванные вторжением солнечныхпротонов в атмосферу высоких широт.Окислы азота (NOx: NO, NO2) играют существенную роль в атмосферной химии,т.к. учавствуют в процессах разрушения озона через циклические реакции (циклКрутцена) [Crutzen, 1970].
С другой стороны, двуокись азота (NO2), связывая активныйхлор (ClO), препятствует разрушению озона на высотах ниже 20 км, что может вызватьувеличение концентрации озона при определённом уровне концентрации ClO встратосфере [Krivolutsky, 1999; Jackman et al., 2000; Yang, Brasseur, 2001]. Такжеизвестно, что NO2 активно поглощает солнечную радиацию в диапазоне видимого света(400-500 нм) и УФ радиации, посредством чего может воздействовать на климат ибиосферу [Reid et al., 1976; Solomon et al., 1999; Чубарова, 2004].Двуокись азота измеряется различными методами: наземные регистраторы[Еланский и др., 1986; Елохов, Груздев, 2000; Pommereau, Goutail, 1988; Van Roozendaelet al., 1994; Slusser et al., 1998], измерение на баллонах [Shibasaki et al., 1986],спутниковые измерения [Reburn et al., 1993; Gordley et al., 1996; Danilin et al., 1999].
В1991 г. был запущен спутник UARS, на борту которого установлен комплексизмерительной аппаратуры Halogen Occultation Experiment (HALOE), позволяющийполучать вертикальное распределение температуры, аэрозолей, озона, окиси азота(NO), NO2 и других малых газовых составляющих (HCl, HF, CH4, H2O) [Reburn et al.,1993; Gordley et al., 1996]. В работе [Jackman et al., 1980] рассматривались различныеисточники NOx составляющих в средней атмосфере: галактические (ГКЛ) и солнечные(СКЛ) космические лучи, высыпание релятивистских электронов, метеоры, окислениеN2O.
Существуют экспериментальные подтверждения того, что мощные солнечныепротонные события типа GLE приводят к значительным увеличениям окиси азота (NO)в средней атмосфере высоких широт [Задорожный и др., 1992; Jackman et al., 2000].Солнечные протоны, проникая в земную атмосферу, вызывают ионизацию идиссоциацию азота и кислорода, что приводит к образованию NO. В измеренныхсолнечных протонных событиях частицы с относительно мягким энергетическимспектром (Е100МэВ) теряют большую часть своей энергии в средней атмосфере,выше 20 км. Влияние таких частиц (в основном, протонов) на озон и NOx изучалось ибыло детально описано в рамках существующей гомогенной фотохимической теории[Задорожный и др., 1992; Криволуцкий и др., 2001; Heath et al., 1977; Reagan et al., 1981;Jacman et al., 1980; 2000; 2005].
В последнее время появились также данные модельныхэкспериментов, свидетельствующие о том, что α-частицы также могут вносить53существенный вклад в образование окислов азота в атмосфере [Rahman et al., 2006].Однако об измерениях общего содержания NO2 во время протонных событий несообщалось.В настоящем разделе представлены результаты наземных измерений общегосодержания NO2 в Мурманске и в обс. Соданкюля во время и после события GLE 2 мая1998 года, а также приведены соответствующие модельные расчёты [Касаткина и др.,2003; Shumilov, Kasatkina et al., 2003].Наблюдения общего содержания NO2 в наклонном столбе атмосферы начались вМурманске в 1998 году с помощью автоматизированного спектрофотометра (на баземонохроматора МДР-41).
Спектрофотометр настроен на запись рассеянного из зенита всумеречных условиях солнечного излучения в диапазоне сканирования спектров 435453 нм. Время сканирования составляет 36 с. для прямого и обратного хода в интервалезенитных углов Солнца 80-96. Пакет программ, применяемый для обработкиисходных данных, позволяет рассчитывать содержание NO2 в наклонном столбеатмосферы в зависимости от зенитного угла Солнца [Еланский и др., 1986; Елохов,Груздев, 2000].Для перехода к общему содержанию NO2 в вертикальном столбе необходимознать эффективную воздушную массу и геометрию сбора регистрируемого излучения,которая существенно зависит от вида вертикального распределения NO2 [Елохов,Груздев, 2000].
Мы для пересчёта использовали метод, предложенный в работе[Solomon et al., 1987].На рис.1.14 приведено общее содержание NO2 по данным измерений вМурманске и в обс. Соданкюля, температура на высоте 30Гпа (23 км.) над двумяпунктами, спектры солнечных протонов в двух энергетических каналах: 84-200 Мэв,110-150Мэв.
Модельные значения NO2, вычисленные по температурным вариациям испектрам солнечных протонов, также показаны. Из рис.1.14 видно, что 2 мая,одновременно с увеличением потока протонов, произошло увеличение NO2 вМурманске на 25%. Увеличение двуокиси азота по данным обс. Соданкюля не былостоль значительным и достигло 20% 6 мая 1998 г. (рис. 1.14в). Известно, что вариацииNO2 коррелируют с температурными изменениями на высоте 30Гпа [Pommereau,Goutail, 1988]:dNO 2 / dT 6 1013 мол.см. 2 с. 1(1.20)54По этой формуле были рассчитаны предполагаемые изменения NO2 за исследуемыйпериод (см.рис.1.14). Как видно из рис.1.14, расчётные величины NO2 совпадают сэкспериментальными значениями 27 и 30 апреля 1998 года.
С другой стороныизмеренная величина возрастания NO2 2 мая 1998 г. превышает расчётные значенияпочти в 2 раза. Это позволяет нам предположить, что солнечные протоны ответственныза наблюдаемое 2 мая увеличение NO2.Протонное событие 2 мая 1998 г. относилось к классу GLE и было зарегистрированонейтронными мониторами в высоких и средних широтах. На рис.1.15 приведеныданные двух близкорасположенных нейтронных мониторов в Апатитах (Ф’=63) иОулу (Ф’=61.5) за 2 мая 1998 г. [Danilova et al., 1999]. Видно, что в Оулу амплитудаувеличения составила 7%, тогда как по данным нейтронного монитора болеевысокоширотной станции Апатиты это увеличение не превышало 2% (см. рис.1.15).Такие особенности характерны для анизотропных событий и связанных с ниминеоднородностей в пространственном распределении вторгающихся солнечныхпротонов [Danilova et al., 1999].
Известно, что нейтронные мониторы фиксируютвторичную (нейтронную) компоненту космических лучей, возникающую в атмосферепри ядерных взаимодействиях. Как правило, в ядерных взаимодействиях участвуютпротоны с энергиями >500 Мэв [Дорман, 1963]. Солнечные протоны меньших энергий(10-30 Мэв) вызывают поглощение космического радиоизлучения на высотах 50-90 км(поглощение полярной шапки или ППШ), которое фиксируется на Земле риометрами[Дриацкий, 1974]. По данным риометров финской цепочки (не приводятся) 2 мая 1998 г.было зарегистрировано ППШ с максимумом величины поглощения 3 дБ на станцияхОулу и Соданкюля.Для того, чтобы вызвать изменения в общем содержании озона или двуокисиазота солнечные протоны должны обладать энергией >150 Мэв, что позволяет импроникать в среднюю атмосферу и вызывать ионизацию на высотах 20-30 км, т.е.вблизи максимума озонного слоя.
Частицы таких энергий могут быть не «замечены»нейтронными мониторами и риометрами. Конечно, это справедливо для высоких широт>70 (полярная шапка, авроральная зона), где геомагнитное обрезание не действует,или оказывает незначительное влияние. Мурманск и Соданкюля, хотя и находятся вавроральной зоне, но жесткость геомагнитного обрезания там невелика, что позволяетсолнечным протонам с энергиями 150-300 Мэв проникать в атмосферу этих широт ивызывать изменения в общем содержании озона или двуокиси азота.5556Рис.
1.14. Солнечное протонное событие 2.05.1998 г.: а – общее содержание двуокисиазота NO2 по данным измерений обс. Мурманск – 1; рассчитанные с использованиемуравнения (1.20) – 2; б – значения температуры над Мурманском; в – общеесодержание двуокиси азота NO2 по данным измерений обс.
Соданкюля; г – значениятемпературы ( 23 км) над обс. Соданкюля; д – общее содержание двуокиси азота поданным измерений обс. Мурманск – 1; рассчитанные с использованием уравнений (1.18,1.19, 1.21-1.24) – 2; е – дифференциальные потоки протонов по данным ИСЗ GOES-9 вдвух энергетических каналах.Рис.
1.15. Данные двух близкорасположенных нейтронных мониторов в Апатитах(Ф’=63) и Оулу (Ф’=61.5) для события GLE 2.05.1998 г. [Danilova, 1999].Известно, что увеличение содержания NO в атмосфере приводит к уменьшениюозона и увеличению NO2, HNO3 [Crutzen, 1970]:NO O 3 NO 2 O 2(1.21)NO 2 O NO O 2(1.22)NO 2 h NO O(1.23)Для состояния фотохимического равновесия справедливо соотношение [Chameides,571978]:[ NO ]J[ NO 2 ] K [O 3 ](1.24)где К=2.1 10-12 exp(1450/Т), J=3.8 10-3 [Chameides, 1978].Используя (1.24) и численные значения скоростей реакций было рассчитаноизменение общего содержания NO2 для события GLE 2 мая 1998 года (см. рис.1.14д).Видно, что расчётные значения NO2 достаточно хорошо совпадают с измереннымиэкспериментально величинами.Как видно из рис.1.11, событие GLE 2 мая 1998 г.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
