Динамика и фотохимия озоносферы и средней атмосферы экваториальной и тропической области Земли (1097543), страница 3
Текст из файла (страница 3)
ФЭУ 119, имеющий красную границу чувствительностифотокатода 750 нм, надежно регистрирует в полете сигнал высотной зависимостиэтой реакции.Схема хемилюминесцентного газофазного измерителя атомарного кислорода иозона (ГИАКО), устанавливаемого на головную часть метеорологической ракеты М100Б приведена на рис.1 (внизу слева): 1 – входной патрубок, 2,5 – светоловушки, 3– объем газофазного реактора, 4 – объем с окисью азота, 6 – выходные патрубки, 7 –фотоприемник, 8 – переходный конус; справа: реактор анализатора в сборе, всредней части блока виден регулировочный винт для установления требуемогорасхода окиси азота через натекатель, соединяющий объем с окисью азота спроточным реактором анализатора. Общийвид конструкции головной части сГИАКО показан на рис.1.
вверху слева, а монтаж анализатора с фотоприемником –справа.В лабораторных установках были использованы аттестованные Госстандартомвторичныеэталоныдавления(вакуумметрыМак-Леода)имеханическиевысокоточные манометры. Во Франции (в Национальной метеослужбе, обсерваторияМани-ле-Амо близ Парижа) были проведены международные сравнения образцовыхтермометров с государственной аттестацией СССР и манометров Мак-Леода,изготовленных в ЦАО.
Сравнения показали удовлетворительное согласие – потемпературе менее 0,01 градуса, по давлению –несколько процентов.13В 1986 г США от имени Национального управления по аэронавтике иисследованию космоса (NASA) обратилась к нашему руководству с просьбойпроведения ракетных исследований озона на с. Молодежная весной (сентябрьноябрь) 1987 г в период планировавшейся США комплексной экспедиции вАнтарктиду для исследования только что открытой озоновой аномалии (т.н.«дыры»). Разобраться в научной стороне проблемы и подготовить предложениябыло поручено автору. В результате выполнения подготовленных и обоснованныхсоискателем предложений в июне – ноябре 1987 г.
на с. Молодежная (Антарктида)были осуществлены сериипусков ракет М-100Б с хемилюминесцентными иоптическими озонометрами на борту. В результате была получена ценная научнаяинформация об эволюции ВРО, подтвердившая результаты наблюдений озона вантарктических экспедициях США и других стран, где были использованы другиеназемные и баллонные методы (рис. 2). На рис.2. видно, что основное уменьшениеозона в 1987 г. произошло в начале октября 1987 г..
Третий снизу графикпредставляет временной ход Х и согласуется с концентрацией озона на высотах 1520 кмНа высотах 40-60 км впервые отмечено возрастание озона, связанное сфотохимией и динамикой верхней стратосферы и мезосферы над полярнымиширотами Южного полушария: возрастание вертикальных потоков с уменьшеннымсодержанием водяного пара и радикалов ОН, НО2. При установлении новогосостояния фотохимического равновесия озон уменьшается. Пуски ракет саппаратурой ХЛАО были продолжены и в следующие годы, что позволило получитьхарактеристики межгодовой изменчивости ВРО в период весенней антарктическойозоновой аномалии.
Примеры ВРО в 1987 и 1988 гг даны на рис.2. справа; здесьсплошными (толстой и тонкой) линиями показаны зимние «исходные» профилиВРО, соответственно для 26.06.1987 и 29.06.1988 гг. Во время аномалии в серединеоктября ВРО представлены частым и редким пунктиром. Отличия в ВРО двух летотражают изменчивость характера циркуляции в регионе.14Рис.2. Слева: концентрации озона (отклонения от среднего) на разных высотах надс. Молодежная (Антарктида) по данным ракетных ХЛАО (черные) и оптических(белые круги) приборов.
Справа: примеры ВРО (ХЛАО) в 1987г. и в 1988 г.Основные результаты1.Дано обоснование ракетных контактных методов как необходимого звена вмониторинге и исследовании озоносферы и средней атмосферы за счет: болеевысокой точности, разрешающей способности по высоте, независимости измеренийот времени суток. Этиметоды применялись прицелевых экспериментов как международных ("Winter in(DYnamics Adapted Network for the Atmosphere),проведении комплексныхNorth Europe",India/USSROzoneDYANACampaigns,15International Space Campaigns SPAS-CRISTA/MAHRSI-1, -2 (November 1994, Augustтак1997),и национальных (рейсы судов в Мировом океане,на сети станцийракетного зондирования по программе "Солнце - атмосфера и др.).2.Для обоснования метода был проведен большойэкспериментальных,циклметодических и метрологическихтеоретических,исследований,созданафундаментальная лабораторная база для моделирования работы приборов набольшихвысотахатмосфернымисо сверхзвуковыми скоростями и при взаимодействии схимическиактивнымималымигазовымисоставляющими.3.
Создана и внедрена в производство ракетная аппаратура и разработана методикаракетного эксперимента.4.Установлена единая шкала измеренийпри проведении международныхсравнений на о. Уоллопс (США) и в Куру (Франция); установление единой шкалыизмеренийпозволилорассмотретьвсюнакопленнуютермодинамических параметрах и ветре с единыхинформациюопозиций общей циркуляциисредней атмосферы и создать по данным пусков ракет М-100Б первую глобальнуюнезональную модель средней атмосферы (20-80международнаяшкалаизмеренийкм); установлена единаяконцентрацийозонаприпроведениимеждународных сравнений Индия-СССР на с. Тумба, т.к. Индия участвовала передэтим в международных сравнениях ракетных озонометров на о.Уоллопс (США);установлениеединойшкалыизмеренийозонапозволилосоздатьпервуюэкваториальную региональную модель вертикального распределения озона итеоретические и экспериментальные (эмпирические) модели метеопараметров иВРО.Опыт разработки методов и приборов для измерения параметров озоносферы исредней атмосферы и положительные результаты их испытаний в реальных условияхполета говорит, что «реактивныйприбор как исследователь атмосферы»(К.Э.Циолковский) продолжает оставаться единственным средством для полученияоперативной информации о профилях атмосферных параметров в нужное время внужном месте.
Для этого надо воспользоваться готовым техническим решением 16запуск гирлянды малогабаритных ракетозондов с высоколетящего самолета по типуракет воздух-воздух.Вглаве2«Моделифотохимическиесоставляющихмоделисреднейатмосферыводяногопараииозоносферыдругихималыхдан краткий обзор современных подходов к проблемемоделирования средней атмосферы и озоносферы, современных моделей различногокласса (теоретических, эмпирических, полуэмпирических, двумерных и трехмерныхмоделей общей циркуляции с включением фотохимического блока и др) и данахарактеристика и основные результаты по трем оригинальным моделям, в созданиикоторых принимал участие автор.Большой объем работ в ЦАО был выполнен по исследованию структуры идинамики средней атмосферы.
Типизация температурных профилей и вертикальнойструктуры давления и плотности завершилась созданием первой версии стандартнойатмосферы СССР (ГОСТ 4401-64). В дальнейшем эти работы были продолжены иполученные результаты легли в основу последующих версий стандартных атмосферСССР: ГОСТ 4401-73,ГОСТ 22721-77, ГОСТ 4401-81и ГОСТ 24631-81. Наосновании этих материалов, а также на базе данных отечественного и зарубежногоракетного зондирования был разработан ряд Международных справочных атмосфер((КОСПАР), Международной организации гражданской авиации и Международнойорганизации стандартизации.В настоящее время ЦАО располагает глобальной эмпирической моделью среднейатмосферы.
В 1980-1990 ггбыл выполнен ряд работ по определениюдолговременного тренда температуры по даннымотдельныхстанций ракетногозондирования за период с 1964 по 1992 гг. и по определению временного трендатемпературы, давления и плотности. О важности исследования трендов температурыи озона было указано А.Х. Хргианом и автором в 1980 г.Совместно с ИФА РАН имени А.М.Обухова обоснованы и сформулированытребования для построения глобальной незональной эмпирико-статистической17модели, учитывающей долго- и короткопериодную солнечную активность,приливные колебания (включая суточный ход), основные гармоники (годовую,полугодовую кваэидвухлетний цикл), а также основные центры действия атмосферыи их осцилляторы (Южное колебание, Североатлантическое колебание и др.).
Цель:диагноз и прогноз изменениясостояния и уточнения существующихстандартов на атмосферу.В диссертации дано обоснование концепции фотоактивного слоя озоносферы,включающий верхнюю стратосферу (выше 30-35 км) и мезосферу (до 80 км). гдехарактерноевремядинамическихпроцессовсущественнобольшевремениустановления фотохимического равновесия озона. Показано, что применительно кобъекту исследования – тропической атмосфере - этот подход оказывается особенноплодотворным из-за постоянных в течение года фотохимически эффективныхзенитных углов Z прямой солнечной радиации (0,7 < cosZ < 1,0).На базе рассмотренной модели ЦАО и модели озоносферы, созданной в СШАпо данным спутниковых наблюдений озона (25-90 км) был разработан теоретическийметод, использующий известные фотохимические реакции с участием водяного параисозданаглобальнаязональнаямодельводяногопарадлямезосферы.Теоретической основой предложенного метода построения такой модели явиласьразработанная автором концепция фотоактивного слоя озоносферы, где характерноевремя динамических процессов существенно больше времени установленияфотохимического равновесия озона.В работе была предложена формула,обобщающая известные параметризации С.Чепмена и М.Николе для “быстрой“фотохимии в условиях фотохимического равновесия в фотоактивном слоеозоносферы, включающий верхнюю стратосферу (выше 30-35 км) и мезосферу (до 80км).
В основе фотохимической теории озоносферы лежат фундаментальные реакцииобразования ирекомбинациинечетногокислорода Ox = (О + O3), впервыерассмотренные С.Чепменом и названные кислородным циклом. Основную формулукислородного цикла, связывающую равновесную концентрацию озона [N3] соскоростями фотолиза кислорода I2 и озона I3, концентрациями кислорода [O2]) и18воздуха M c использованием скоростей реакций k2 и k3, существенно зависящих оттемпературы, можно обобщить для случая всех циклов, сохранив чепменовскуюформу.Температурная зависимость основной константы химического равновесия вфотоактивном слое k = k2/k3 = 10(-23).exp(2660/T),что дает изменение на 2%концентрации озона на 1 градус изменения T, подтверждаемое наблюдениями соспутников вблизи стратопаузы (~50 км), где А<1.
Если А>>1 (когда преобладаютазотный (или хлор-азотный) (ниже 50 км) или водородный (выше 50 км), то оценкидают соответственно меньшие значения для обоих случаев.Данные о концентрации озона в фотоактивном слое вместе с данными отемпературе и плотности воздуха позволили решить обратную задачу, т.е.определить концентрацию окислов водорода и концентрацию водяного пара вмезосфере (50-80 км), окислов азота и атомарного хлора в верхней стратосфере (3550 км) и установить прямое влияние активности Солнца на состав и, следовательно,натемпературу слоя 45-55 км, (где влияние суточных вариаций определяющихравновесие озона факторов минимально).На базе моделей термодинамических параметров (ЦАО), модели озоносферыСША (спутники 1978-1982 гг), данных ракетных пусков в обоих полушариях сиспользованием соотношений для фотохимически активного слоя озоносферы (40-80км) решен ряд обратных задач, в результате чего: - впервые определены сезонныевариации Н2О и NO в районе стратопаузы; - впервые создана теоретическаязональная глобальная модель Н2О для мезосферы; - впервые определены химическиактивные комплексы (суммы) хлорных и азотных компонент (Cl + NO) вэкваториальной и тропической зоне в верхней и средней стратосфере.Выводы из анализа зональной глобальной модели Н2О для мезосферы:Анализ изменчивости Н2О в глобальной мезосфере по созданной модели впервыепоказал:*в экваториальной зоне (+\- 10 с\ю.ш.) выявлены вариации Н2О,связанные генетически с вариациями сверхдлинных внутренних волн (полугодовые,годовые, КДЦ и др); *удвоенная амплитуда широтно-сезонных вариаций Н2Оувеличивается с высотой и может достигать фактора З на высоте 70 км; выше 70 км19этот фактор возрастает до 5:* сезонно-широтный ход в верхней мезосфере (70-80км) в северном и южном полушариях практически симметричен относительноосновных сезонов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
