Динамика и фотохимия озоносферы и средней атмосферы экваториальной и тропической области Земли (1097543), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Диссертация состоит из введения,шести глав,заключения, двух приложений и списка литературы. Объем работы 326 страниц.Краткое содержание работыВо Введении обоснована актуальность изучения глобальных экологическихпроблем озонового слоя и климатических изменений и подчеркнуты основныедостижения отечественной школы в этой области науки.Генерация озона для озонового щита биосферы происходит в тропическойстратосфере на высотах 30–40 км, где озон образуется при фотолизе молекулыкислорода на атомы с быстрым последующим превращением в реакции трех частицв молекулу озона с участием атома и молекулы кислорода, а также молекулы азота.Разрушается же озон при фотолизе его молекулы солнечным светом с длиной волныменее 1мкм и в каталитических циклах (цепных реакциях в т.ч. и в ионномолекулярных) с участием окислов водорода, азота, хлора, брома и ряда другихсоединений.
Из тропической стратосферы озон разносится воздушными течениями всредние и полярные широты. Таким образом, общее содержание озона ОСО и еговертикальное распределение (ВРО) определяются фотохимией и динамикойатмосферы.7Будущие изменения озонового слоя будут определяться прежде всегоэволюцией климатической системы планеты Земля, прогноз для которой в настоящеевремя дискуссионен и, какнекоторыеАвторреальныесчитает своейстечениюпоказано в данной работе, неадекватно отражаетпроцессынаучнойвудачейобстоятельств и активнойэффективномумеждународномуатмосферето,игеосферах.что благодаря счастливомуподдержке научных руководителей,сотрудничествуудалосьуспешнопровестисложные лабораторные и натурные эксперименты (в т.ч. в экстремальныхклиматических условиях тропиков) и получить уникальные научные данные омеханизмах изменчивости параметров озоносферы, что и позволило решитьпоставленные задачи50 лет назад А.Х.Хргианом, основателем и главой школыисследований атмосферного озона в нашей стране, была поставлена задача созданияэкспериментальныхаэрологических(баллонныхиракетных)методовдлянаблюдения и изучения вертикальных распределений озона.
Дистанционныйоптический метод для ракет М-100 и МР-12 был разработан Г.И.Кузнецовым иА.Ф.Чижовым в ЦАО и МГУ к концу 1970-х началу 1980-х годов (в ИПГ для МР-12работами руководил А.Е.Микиров). К этому времени в СССР была решена и втораяважная часть задачи – разработан ракетный контактный хемилюминесцентныйанализатор озона (ХЛАО) и создана современная серийная ракетная аппаратура длярегулярных зондирований озоносферы (от Земли до 80 км) на СРЗА и НИС сиспользованием сетевой метеорологической ракеты М-100 (М-100Б).Технические и методические решения этой разработки легли в основу методов иаппаратуры для исследования в средней атмосфере озоноактивных составляющих:атомарного кислорода, отношения смеси озона (газофазным хемилюминесцентныманализатором атомарного кислорода и озона (ГИАКО)), окиси азота газофазнымхемилюминесцентным и фотоионизационным методами, характеристик аэрозольныхчастиц, концентрации водяного пара.При этом в ЦАО была создана современная лабораторная база дляэкспериментальныхработ,включаяаэродинамическиеисследования8всверхзвуковых потоках разреженного воздуха, в том числе с химически активнымисоставляющими: озоном, атомарным кислородом, окисью азота.В первой главе «Ракетные методы измерения параметроватмосферы, приборы и их метрологическое обеспечение, основныегеофизическиерезультаты»основныерезультатылабораторных, натурных и расчетно-теоретических исследований иразработкикомплексов ракетной аппаратуры,представленыоснованных на контактных физических ихимических методах.В результате проведенных серий ракетных пусков тепловым каталитическимдатчиком (более 100 удачных экспериментов) на о.Хейс, о.Кергелен, с.
Молодежная(Антарктида), в средних широтах СССР, в различных регионах Индийского океанполучены характеристики пространственно-временныхвариаций концентрацииатомарного кислорода в мезосфере и нижней термосфере при различных условияхгелио- и геофизической активности.Гетерофазный хемилюминесцентный метод измерения озона у нас в странебыл разработан впервые. Была сконструирована озонометрическая установка длясоздания образцовых озоно-воздушных смесей, в основу которой был положенклассический спектрофотометрический метод измерения озона в кювете, причем вкачестве источника излучениябылиспользован высокостабильный газовыйразряд в парах ртути (резонансная линия 253,65 нм), а в качестве анализаторапоглощения ФЭУ и фотоэлектронная схема, регистрирующая разность сигналовопорного и измерительного каналов.
Пороговая чувствительность УФ анализаторапо оптической плотности составляла величину D = 0,0004, среднеквадратическаяпогрешность - не более 5% в диапазоне 0,5 - 300.10(-6) г/г. Была разработанатехнологияизготовленияозоночувствительныхэлементовнаосновевысокопористых стекол, покрытых смесью синтетического красителя родамина-С сгалловой кислотой при оптимальном соотношении компонентов. Исследованияэтих элементов показали их высокую чувствительность и стабильность.9Задача создания алгоритма метода обработки данных измерений состояла изтрех частей: 1) решение внешней аэродинамической задачи, устанавливающейсвязь параметра в невозмущенной атмосфере pоо с параметрами p на входе вреактор прибора, основано на использовании фундаментальных газодинамическихсоотношений типа А(Моо) =f(p/pоо) для трубки Пито (полного давления) всверхзвуковом (число Маха Моо >1) и дозвуковом (Моо < 1) потоках совершенногосжимаемого газа и условии постоянства относительной концентрации примеси r3 =N 3 /N (при переходе через скачок уплотнения и зоны сжатого и пограничногослоев перед входным отверстием; 2) при решении внутреннейустанавливаласьсвязь междупараметрамипотоказадачивблизи чувствительногоэлемента (ЧЭ) – p (давление), r3, F (расход) и сигналом хемилюминесценцииподвоздействиемозонанаIЧЭ, регистрируемый ФЭУ.
Для этого быласоздана лабораторная база и разработаны методы моделирования, направленныена уточнение величин степенных показателей m, n и функции f (близких к 1) всоотношении I = K.r(m).(n).f(F), где К - константа градуировки, характеризующаячувствительность элемента к озону; 3) эта задача связана со второй и позволилаопределятьсминимальнойобеспечивалось созданиемобладающейпогрешностьюконстантувышеупомянутойК.Решениеозонометрическойзадачиустановки,высокими метрологическими свойствами, полевых градуировочныхустройств и контролем работы в полете бортовой аппаратуры.
Величина К такжеконтролировалась при использовании данных об общем содержании озона (ОСО) вовремя и в месте проведения эксперимента. Величина N 3 вычислялась по формуле: zmaxLXU ( z ) U ( z )dz N =3T ( Z ) A( M ) T ( z) z∫−1(1.1.)N 3 – концентрация озона на высоте z, L число Лошмидта, X общее содержаниеозона, T - температура атмосферы, U - величина выходного сигнала фотометра(скорректированная натемпературнуюзависимость темновоготока и10Рис.1 Головные части метеорологической ракеты М-100Б с аппаратуройгетерофазного (ХЛАО) (вверху справа) и газофазного (ГИАКО) анализатора О и О3(вверху слева). Реакционная камера анализатора ГИАКО блоком фотоприемника(внизу)чувствительность ФЭУ), А – аэродинамическая поправка; А(M)= P`(M,z)/P(z), гдеМ – число Маха,.
P, Р` –соответственно давление в свободной атмосфере и давление11торможения, Z max – высота, до которой проводятся измерения. Предполагается, чтоU(z) = K. r3(z).P(z), гдеК – константа калибровки, r3– отношение смесиозон/воздух.На рис.1. вверху справа для сравнения показаны головная часть ракеты М-100Бс аппаратурой хемилюминесцентного гетерофазного анализатора озона (ХЛАО)(вариант 1978 г – справа и вариант 1982 г слева). Показаны защитныестворки,сбрасываемые по программе при взрыве пиропатрона и вскрывающие при этом дляпрохождения потока воздуха входные и выходные патрубки анализаторов.Газофазныйхемилюминесцентныйметод(ГИАКО).Взаимодействиехимически активной газовой примеси (атом, радикал, возбужденная частица) состенками лабораторной установки или полетного прибора и с учетом химическихреакцийвобъемебылоисследованотеоретическимпутемдляслучаяцилиндрической трубы: сделаны оценки роли различных процессов, найденызначения минимальных эффективныхскоростейпотоков,начиная с которыхможно не учитывать гибель примеси.
Проведены оценки высот в реальнойатмосфере, на которых возможны измерения на метеорологических ракетах такихсоставляющих, как O(1D), O(3P), H, Cl. Показано, например, что при движениизабортного воздуха через соединительный канал длиной 10 см со скоростью 103см/с, нижний предел высот,прикоторомещевозможны измерения атомовкислорода в дневных условиях составляет 20-25 км. Конструкция полетнойреакционной камеры этого анализатора (защищена авторским свидетельством)состоит из небольшого резервуара с окисью азота, реакционного объема, входного ивыходныхсигналпатрубков со светоловушками и фотоприемника, регистрирующегохемилюминесценции (рис.1, внизу). Резервуар соединен с реакторомкалиброванным капилляром.
Герметически закрытая камера перед пуском ракетыцеликом заполняется окисью азота до определенного давления. Схема ракетногоэксперимента аналогична предыдущему. После сброса защиты ивскрытияпатрубков аэродинамический напор воздуха продувает камеру, окись азотавыходит из камеры, и туда начинает поступать известный поток окиси азота из12резервуара через капилляр. Измерения атомарного кислорода происходят как наподъеме, так и на спуске в интервале высот 70-100 км.
Методика обработкиданных учитывает результаты лабораторной калибровки, внешние и внутренниеаэродинамические факторы.Описанный прибор используется также для определения относительнойконцентрации озона. При хемилюминесцентной реакции NO + О ----> NO (2B1) ----> NO + hv спектральное распределение энергии излучения имеет границы600-2800нм,рассчитанный наа максимумпри1200 нм. Был выбран виброустойчивый,большие перегрузки ФЭУ-119. Для достижения максимальновозможной чувствительности нужные экземпляры ФЭУ специально отбирались иззаводских партий.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
