Диссертация (1097516), страница 9

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 9)

Ихобразование авторы [Гневышев, Сазонов, 1964] связывают с вторжением солнечныхкорпускулярных потоков. Об изменениях наземного атмосферного давления вполярных шапках под действием солнечной корпускулярной активности сообщалосьтакже в работах [Мустель, 1966; Вовк и др., 1997].Как уже отмечалось выше, во всех приведенных случаях эффект пониженияозона, сопровождающий СКЛ, наблюдается в одной полярной шапке и отсутствует вдругой. Результаты анализа показали, что обнаруженная зависимость не вызванаявлением северо-южной асимметрии в потоках солнечных протонов, высыпающихся вполярные шапки.

Возможно, объяснение обнаруженного эффекта следует искать вмеханизме образования озонных «минидыр» во время протонных событий.В [Касаткина и др., 1999; Шумилов, Касаткина, 2005; Shumilov et al., 1993b;Shumilov, Kasatkina et al., 1996b; 2001; Kasatkina, Shumilov, 2005] было показано, чтоувеличение ионизации во время событий СКЛ воздействует на скорость роста ядерконденсации и аэрозольных частиц в атмосфере. Образование аэрозолей и полярныхстратосферных облаков, как известно, приводит к уменьшению стратосферного озона[Prather, 1992].

Из вышеизложенного следует, что обнаруженная сезонная зависимостьв распределении озонных «минидыр», инициированных солнечными протонами,связана с наличием или отсутствием благоприятных метеорологических условий дляобразования стратосферных аэрозолей (достаточно низкие температуры, оптимальнаявлажность и т.д.).Небольшоеколичествоанализируемыхслучаевнепозволяетсчитатьполученные результаты статистически достоверными.

Основной причиной трудности45изучения понижений ОСО в полярных шапках во время СКЛ заключается всравнительно малом числе самих событий СКЛ значительной мощности. Другимважным фактором является искажающее влияние метеорологических процессов, что внекоторойстепениподтверждаетсяобнаруженнымэффектомсеверо-южнойасимметрии в распределении озонных «минидыр». Названные проблемы являютсяобщими для изучения воздействия солнечной корпускулярной активности на озоновыйслой и атмосферу Земли.

Поэтому представляется необходимым проводить дальнейшиеисследованиявданнойобласти,чтопозволитнакопитьдостаточныйдлястатистической обработки материал.1.4 Вопросы применимости фотохимической теории для оценкивоздействия протонных вспышек на озон.Согласно газофазной (или гомогенной) фотохимической теории уменьшениястратосферного озона во время протонных событий вызываются увеличениемконцентрации азотных NОx и водородных HOx составляющих [Криволуцкий и др.,1999;2001;Crutzen,1970;Jackmanetal.,1980;Krivolutsky,1999;2003].Высокоширотные протоны, вторгающиеся в атмосферу во время солнечных протонныхсобытий, образуют вторичные электроны с энергией в десятки и сотни электрон-вольт,которые ионизируют и диссоциируют N2 в следующих реакциях:N2 + e  N2  + 2eN2 + e  N  + N + 2e(1.16)N2 + e  2N + eN  + O2  N + O2 (1.17)N  + O2  NO  + Oи приводят к образованию окиси азота NO.Эффективность ионизации определяется составом атмосферы и сечениямиионизации: N2+(64%), O2+(15%), N+(16%), O+(5%) [Криволуцкий и др., 1999; 2001].Вслед за образованием первичных ионов происходит цепочка ионно-молекулярныхреакций, приводящих к образованию активных соединений (NO, OH), разрушающихозон.

Согласно работам [Swider, Keneshea, 1973; Solomon et al., 1983] уменьшениеконцентрации озона выше 55 км, в основном, обусловлено увеличением концентрациинечетного водорода HOx, а в верхней стратосфере – нечетного азота NOx. Впервые46разрушающее влияние солнечных протонов на озоновый слой через образованиеазотных составляющих было предсказано Крутценом [Crutzen, 1970] (см. п.1.1).В настоящем разделе приведены результаты численного моделированиявоздействия релятивистских солнечных протонов на малые газовые составляющиевысокоширотной атмосферы для нескольких событий GLE и их сравнение сэкспериментом.

Отметим, что время жизни NOx в средней атмосфере изменяется отнескольких дней до нескольких месяцев, а для HOx составляет всего лишь несколькочасов [Shimazaki, 1984]. Поэтому влияние водородных составляющих, образующихся впроцессе ионизации, не учитывалось.На рис.1.10 приведены профили скорости ионообразования, вычисленные вовремя максимальной интенсивности некоторых событий GLE (4 августа 1972 г., 16февраля 1984 г., 19 октября 1989 г., 24 мая 1990 г. и 14 июля 2000 г.). Для вычисленияскорости ионообразования Q(h) (см-3с-1) было использовано выражение [Jackman et al.,1980]:1qi(h)=Q 22   D (E )Ei(E ) sin d d dE0(1.18),0 0где:Ei(E) - функция энергетических потерь частиц в i-м слое (МэВ);D(E)-дифференциальныйэнергетическийспектрвторгающихсяпротонов(см 2 с 1 стер 1 МэВ 1 );Q=35 эВ - энергия, необходимая для образования одной ион-электронной пары; - азимутальный угол;  - угол с вертикалью.Вкладом в ионизацию других частиц (-частиц, тяжелых ядер, электронов),который более, чем на порядок меньше создаваемого протонами [Jackman, McPeters,1985; Reid, 1991], пренебрегаем.В расчетах использовались данные о потоках протонов ИСЗ ГОЕС в семиэнергетических каналах (4.2-8.7; 8.7-14.5; 15-44; 39-82; 84-200; 110-500; 640-850 Мэв)(http://spidr.ngdc.noaa.gov/spidr), которые позволяют вычислять дифференциальныеспектры в диапазоне от 1 до 850 МэВ.

Ранее при аналогичных расчётах другимиавторами использовались интегральные интенсивности СКЛ [Jackman et al., 1980; 1990;Jackman, McPeters, 1985; Reid, 1991], которые не позволяли должным образомучитывать вклад в ионизацию высокоэнергичных солнечных протонов с энергиямиE>100 МэВ. При расчете спектров для двух событий (4 августа 1972 г. и 16 февраля471984 г.) были использованы параметры потоков солнечных протонов из работ [Reaganet al., 1981; Hargreaves et al., 1987]. Использовались также параметры стандартнойатмосферы CIRA-72, высотные профили NO и O3 [Wofsy, McElroy, 1974], и высотноераспределение фотохимического времени жизни NO из [Shimazaki, 1984]. Всяатмосфера от 0 до 70 км была разделена на 70 слоев высотой в 1 км.

Для определенияEi(E) использовалась методика, описанная в работе [Jackman et al., 1980], согласнокоторой энергетическая потеря в i-м слое для протона с питч-углом θ и энергией Евычисляется по формуле:Ei(θ,E) = E – (-ΔZi/Asecθ + EB)(1.19)где ΔZi – атмосферная масса, содержащаяся в слое i (г·см-2); А = 2.71·10-3 и В = 1.72[Jackman et al., 1980].Для пересчета величины скорости ионообразования в концентрацию NO использовалсякоэффициент пропорциональности 1.25, который до высоты 60 км оставалсяпостоянным и линейно уменьшался от 1.25 до 0.3 в интервале высот 60-70 км [Reaganet al., 1981].

На рис.1.11 приведены графики высотного распределения окиси азота,рассчитанные для наиболее мощных событий GLE (4 августа 1972 г., 21-27 мая 1990 г.,2 мая 1998 г., 14 июля 2000 г.). Как видно из рис. 1.11, три события вызвализначительное увеличение NO, превышающее по величине количество окислов азота,выделившееся во время событий GLE в мае 1990 г., когда было зафиксированообразование озонных «минидыр» в полярной шапке [Шумилов и др., 1991; Shumilov etal., 1992; Shumilov, Kasatkina et al., 1995]. В то же время такое значительное увеличениеNO во время этих трех событий GLE по данным наземных измерений не привело кзаметному разрушению озона в высоких широтах [Reagan et al., 1981; Shumilov,Kasatkina, 2003; Касаткина и др., 2003] (см.

рис. 1.12), за исключением единственногослучая значительного понижения ОСО (до 25%), зафиксированного по даннымназемных измерений лишь над Исландией после GLE 4.08.1972 г. [Bjarnason et al.,1993]. Следует также отметить, что событие GLE 4.08.1972г. не представляло собойGLE в чистом виде, поскольку сопровождалось значительным Форбуш-понижениемгалактических космических лучей (25%) [Reagan et al., 1981].48Рис. 1.10. Высотные профили скорости ионообразования для событий GLE во время ихмаксимума.Рис. 1.11. Высотные профили концентрации окиси азота NO, рассчитанные длянекоторых событий GLE.49Приведённые результаты свидетельствуют о том, что образование озонных «минидыр»во время протонных событий нельзя объяснить в рамках обычной гомогеннойфотохимии. Следует отметить, что использование гомогенной фотохимической теориидругими авторами при оценке влияния протонных событий на озон привело к таким жерезультатам: теоретически предсказанные величины изменения ОСО оказались напорядок ниже экспериментальных [Reid et al., 1991; Krivolutsky, 1999; Jackman et al.,2000].

Тем не менее, гомогенная теория достаточно хорошо и адекватно экспериментуописывает вариации NOx и уменьшения озона, вызванные солнечными протонами настратосферных высотах (выше 40км) [Задорожный и др., 1992; Криволуцкий,Базилевская, 2001; Jackman et al., 2001; Shumilov, Kasatkina, 2003; Касаткина и др.,2003]. На рис. 1.13 приведены вертикальные профили NO (ppb) по данным измеренийспутника UARS при его пролетах над 68N во время протонного события типа GLE14.07.2000 г. [Касаткина и др., 2003]. Сопоставление данных спутниковых измерений смодельными расчетами показало их соответствие в пределах ошибки измерений[Касаткина и др., 2003].

Например (см. рис. 1.12, 1.13), увеличение NO на высоте 50 км14 июля по сравнению с предыдущим днем составило по спутниковым данным 6.3 раза,по расчетным – 6.6 раз, на высоте 60 км аналогичное увеличение согласноэксперименту и расчетам превысило фоновое значение более, чем на порядок[Касаткина и др., 2003]. Ниже 30 км погрешность спутниковых измерений возрастаетзначительно (до 60%) [Reburn et al., 1993; Gordley et al., 1996].Результаты приведенных расчетов показывают, что образование озонных“минидыр” в полярной шапке во время протонных событий типа GLE нельзя объяснитьв рамках существующей гомогенной фотохимической теории: теоретические значенияпонижений ОСО оказались на порядок ниже экспериментальных. Проблема, скореевсего, решается с привлечением гетерогенных химических процессов в присутствииувеличенной концентрации аэрозольных образований в стратосфере, которые, в своюочередь, могут быть также стимулированы вторжением солнечных протонов.События GLE являются аналогом ГКЛ, ограниченным во времени, чтопозволяет, рассматривая их, изучать также воздействие ГКЛ на атмосферу.

Поэтомуисследование атмосферных эффектов GLE позволяет изучать и моделировать эффекты,связанные с воздействием ГКЛ на климат Земли.50Рис. 1.12. Вариации общего содержания озона по данным озонометрическихнаблюдений [Ozone Data for the World, 1998-2000]: а) в Мурманске в апреле-мае 1998 г.;б) в Баренцбурге в апреле-мае 1998 г.; в) в Баренцбурге в июле 2000 г.51Рис. 1.13. Профили концентрации окиси азота NO (ppb) по данным ИСЗ UARS дляневозмущенных условий: 1 – 13.07.2000 г.

Характеристики

Список файлов диссертации