Пространственно-временная динамика атмосферного озона и связанных с ним газовых примесей (1097843)
Текст из файла
МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНАОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М.В. ЛОМОНОСОВАФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТНа правах рукописиГруздев Александр НиколаевичПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННÁЯ ДИНАМИКА АТМОСФЕРНОГООЗОНА И СВЯЗАННЫХ С НИМ ГАЗОВЫХ ПРИМЕСЕЙ25.00.29 – Физика атмосферы и гидросферыАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степенидоктора физико-математических наукМосква – 2007Работа выполнена в Институте физики атмосферы им.
А.М. ОбуховаРоссийской Академии наукОфициальные оппоненты:доктор физико-математических наукКожевников Валентин Николаевичдоктор физико-математических наукНерушев Александр Федоровичдоктор физико-математических наукПогорельцев Александр ИвановичВедущая организация: Институт вычислительной математики Российскойакадемии наукЗащита состоится «18 » октября 2007 г. в «15 » часовна заседании диссертационного совета Д 501.001.63при Московском государственном университете им. М.В.
Ломоносовапо адресу 119991 Москва, Ленинские горы, ГСП-1, МГУ им. М.В. Ломоносова,Физический факультет, аудиторияС диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Физическогофакультета МГУАвтореферат разослан « » сентября 2007 г.Ученый секретарь диссертационного советакандидат физико-математических наукВ.Б. Смирнов2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫВведение. Атмосферный озон, концентрация которого в воздухе наразличных высотах измеряется лишь миллионными и даже миллиарднымидолями, является, тем не менее, одним из важнейших атмосферных газов в силусвоих оптических и химических свойств.
Поглощение озоном биологическиактивного компонента ультрафиолетовой солнечной радиации служитосновным механизмом, регулирующим интенсивность этой радиации наповерхности Земли и, таким образом, наличие озонного щита являетсяжизненно важным для существования разнообразных форм жизни на Земле.Поглощение озоном коротковолновой солнечной радиации и излучение винфракрасной области спектра (в окрестности 9.6 мкм) служат важнейшимисоставляющими радиационного и термического баланса атмосферы. Наличиестратосферного озонного слоя радикальным образом влияет на температурнуюстратификацию стратосферы и, тем самым, оказывает важное воздействие надинамические процессы и климат стратосферы.
Благодаря высокой химическойактивности озон играет важнейшую роль в химических процессах в различныхслоях атмосферы. Участвуя во множестве реакций, он влияет на содержаниедругих малых газовых составляющих атмосферы, обладающих важнымирадиационными или химическими свойствами.
В свою очередь,фотохимический баланс озона существенно зависит от концентраций другихмалых примесей атмосферы из разных химических семейств.Из малых атмосферных примесей, кроме озона, в диссертациирассмотрены, в частности, двуокись азота NO2, закись азота N2O, азотнаякислота HNO3, метан CH4. Двуокись азота – важнейший компонент семействаокислов азота, которое вносит основной вклад в химической разрушение озонав средней стратосфере. Присутствие NO2 необходимо для фотохимическогообразования озона в нижней тропосфере. Метан и закись азота – важнейшиепосле углекислого газа парниковые газы атмосферы. Кроме того, закись азотаслужит основным источником окислов азота в стратосфере, а метан – важным3источником гидроксила ОН в тропосфере и стратосфере. Метан – такжеважнейший поставщик водяного пара в стратосфере и мезосфере, который тожеявляется важным источником гидроксила.
Цепочка окисления метана приводитк образованию перегидроксила водорода HO2, который, наряду с гидроксиломОН, играет важнейшую роль в фотохимии тропосферного и стратосферногоозона. Азотная кислота служит важным резервуаром химически активныхокислов азота в нижней стратосфере, а ее вымывание в тропосфере – основныммеханизмом удаления химически активных азотсодержащих соединений изатмосферы.Актуальность проблемы исследования. Чрезвычайно важная рольозона и связанных с ним атмосферных примесей в радиационных, химическихи динамических процессах в атмосфере определяет актуальность всестороннегоисследования их пространственно-временнóй изменчивости.
О серьезномвнимании, уделяемом изучению озона и других атмосферных примесей,свидетельствует большое число национальных и международных программ врамках Всемирной метеорологической организации (ВМО) иМежправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК).Подписание в 1987 г. Монреальского протокола было направлено напредотвращение начавшегося истощения стратосферного озонного слоя.Регулярно наблюдавшееся в течение последних 20-25 лет сильное уменьшениесодержания озона над южной полярной областью в весеннее время(антарктическая «озонная дыра») и обусловленное этим увеличение уровнябиологически активной УФ радиации и климатические изменения в нижнейтропосфере над Антарктикой и прилегающими областями подтвердилизлободневность проблемы.Цель и задачи.
Целью работы является экспериментальное итеоретическое исследование вариаций содержания озона и других газовыхатмосферных составляющих на различных временных масштабах с оценкойамплитудных и фазовых характеристик вариаций и выявлением ихрегиональных и крупномасштабных особенностей.4Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи.1.Изучение характеристик годового хода содержаний озона, двуокисиазота, закиси азота, метана, азотной кислоты.2.Изучение особенностей и механизмов изменчивости содержанияозона и двуокиси азота в полярных областях.3.Изучение квазидвухлетних вариаций озона, температуры, давления,скорости ветра в стратосфере и тропосфере.4.Изучение вариаций состава, температуры и динамики средней иверхней атмосферы под воздействием вариаций уровня солнечной активности.5.Изучение эффектов долговременной изменчивости и трендовсодержания озона и двуокиси азота в стратосфере; оценки долговременныхизменений термического режима средней атмосферы.6.Анализ спектральных и структурных закономерностейпространственно-временной изменчивости озона и двуокиси азота.Научная новизна.1.Впервые проведены наблюдения NO2 в восточной Антарктиде ишироком широтном секторе Атлантики северного и южного полушарий,получен уникальный материал о временнóй изменчивости и широтномраспределении этой примеси.
Получен первый и до сих пор единственныйширотный профиль концентрации озона в приземном слое Антарктиды поизмерениям с самолета. Впервые по данным дистанционныхспектрометрических измерений на Звенигородской научной станции ИФА РАНполучен многолетний материал одновременных измерений содержания NO2 встратосфере и тропосфере.2.Впервые выполнен анализ пространственной динамики основныхфаз годового цикла содержания примесей, характеризующих различныережимы эволюции примесей в годовом ходе.3.Обнаружены два режима квазидвухлетней цикличности зональнойскорости ветра в экваториальной стратосфере с периодами 2 и 2.5 года.Вариации с такими же периодами обнаружены в концентрации озона,5температуре, давлении, скорости ветра в стратосфере и тропосферевнетропических широт северного полушария.4.В различных атмосферных параметрах и концентрации озонаобнаружены вариации с комбинационными частотами квазидвухлетнейцикличности и годового цикла.5.Показано, что квазидвухлетние вариации концентрации озона,температуры, давления, скорости ветра в тропосфере и стратосферевнетропических широт северного полушария обусловлены комбинированнымвлиянием Эль-Ниньо – Южного колебания, Североатлантического колебания иквазидвухлетней цикличности в экваториальной стратосфере.6.Обнаружены и проанализированы эффекты воздействия 11-летнегоцикла солнечной активности на годовой ход стратосферного озона и полученыоценки вклада динамического переноса в 11-летние вариации концентрациистратосферного озона во внетропических широтах северного и южногополушарий.
Показано, что термический и химический отклик атмосферы на 27суточные вариации коротковолновой солнечной радиации имеетперемежающийся и нелинейный характер.7.Предложен и рассмотрен новый механизм внутрисуточной имежсуточной изменчивости концентрации озона в приземном слое атмосферы вАнтарктиде за счет изменений циркуляции с участием стокового ветра(холодного воздуха, стекающего по антарктическому куполу под действиемсилы тяжести).
Получены первые результаты о содержании и изменениистратосферного содержания NO2 в восточной Антарктиде.8.Проанализированы первые широтные разрезы общего содержанияNO2, полученные с помощью единого прибора, и выявлена тонкая структураширотного распределения NO2.9.Впервые выявлены и оценены линейные тренды характеристикгодового хода общего содержания озона. Получена и проанализировананеизвестная ранее широтная структура линейных трендов стратосферногосодержания NO2.610.Показано, что в долговременные изменения термического режимамезосферы могут вносить значительный вклад не только измененияконцентраций радиационно-активных газов, но и вероятные долговременныеизменения активности внутренних гравитационных волн.11. Впервые показано, что спектры мощности флуктуаций содержанияNO2 в приземном слое атмосферы в диапазоне периодов от нескольких суток донескольких месяцев подчиняются степенному закону с показателем около –0.4.Обнаружено, что меридиональные вариации концентрации озона в стратосферев диапазоне горизонтальных масштабов от 200 до 6500 км подчиняются законустатистического самоподобия, показатель которого зависит от высоты и сезона.Достоверность научных положений и полученных результатовобусловлена большим объемом экспериментального материала, на основекоторого сделаны основные выводы работы, подтверждением результатов спомощью различных методов анализа, использованием для интерпретациирезультатов наблюдений численных и аналитических моделей.Научная и практическая значимость полученных результатов.1.В работе решена крупная научная проблема исследованияособенностей и механизмов пространственно-временной изменчивостиатмосферного озона и связанных с ним малых газовых составляющихатмосферы (NO2, N2O, HNO3, CH4 и других), имеющих важное значение вформировании климата средней и верхней атмосферы.2.Полученные автором закономерности вариаций содержания озона идвуокиси азота на различных временных масштабах, количественные оценкиамплитуд и фаз вариаций этих примесей и характеристики их связи сизменениями циркуляции атмосферы и уровнем солнечной активности важныдля понимания естественной изменчивости атмосферного озона и связанных сним газовых примесей и прогноза межгодовых и многолетних измененийсодержания озона.3.Несомненную ценность представляют результаты исследованиймежгодовых и многолетних изменений общего содержания озона, позволяющие7вследствие этого осуществлять прогноз среднего уровня биологическиактивной ультрафиолетовой (УФ) солнечной радиации на поверхности Земли.Полученные автором результаты о квазидвухлетней цикличности общегосодержания озона использованы для теоретической оценки межгодовыхвариаций дозы УФ радиации, получаемой биосферой Арктики.4.Усовершенствованная автором двумерная модель фотохимии,динамики и радиации атмосферы служит для изучения воздействиякратковременных и долговременных изменений содержания радиационно- ихимически активных газов на температуру и состав средней атмосферы.Разработанная автором одномерная фотохимическая модель используется взадаче мониторинга NO2 в стратосфере и тропосфере на Звенигородскойнаучной станции ИФА РАН, в том числе при мониторинге загрязненияприземного слоя атмосферы окислами азота.
Характеристики
Тип файла PDF
PDF-формат наиболее широко используется для просмотра любого типа файлов на любом устройстве. В него можно сохранить документ, таблицы, презентацию, текст, чертежи, вычисления, графики и всё остальное, что можно показать на экране любого устройства. Именно его лучше всего использовать для печати.
Например, если Вам нужно распечатать чертёж из автокада, Вы сохраните чертёж на флешку, но будет ли автокад в пункте печати? А если будет, то нужная версия с нужными библиотеками? Именно для этого и нужен формат PDF - в нём точно будет показано верно вне зависимости от того, в какой программе создали PDF-файл и есть ли нужная программа для его просмотра.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
