Диссертация (1145308), страница 14

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

Текст из файла (страница 14)

В работах Тинсли и соавторов [Tinsley, 2012; Lamand Tinsley, 2016] процесс собирания (вымывания) аэрозольных частиц, способных играть рольоблачных ядер конденсации, падающими капельками воды за счет возникающих электрическихсил получил название “electro-scavenging” (“электроскавенджинг”, или “электрособирание”).“Электроскавенджинг” имеет место для крупных аэрозольных частиц (с радиусом r ~0.3 мкм иболее), имеющих низкую подвижность. При перемещении на достаточно близком расстоянииот падающих заряженных капель, на поверхности этих частиц возникает зеркальный заряд,который способствует кулоновскому притяжению и более интенсивному собираниюаэрозольных частиц падающими каплями.

Таким образом, “электроскавенджинг” можетпроходить независимо от знака заряда на аэрозольной частице и капле (Q и q, соответственно).Для мелких аэрозольных частиц, наоборот, определяющую роль играют знаки заряда:“электрособирание” увеличивается только при наличии противоположных зарядов нааэрозольной частице и капле воды, при одинаковых знаках этот процесс ослабевает, посколькуэффект дальнодействующих кулоновских сил отталкивания оказываются сильнее эффектакороткодействующих сил притяжения при возникновении зеркального заряда.55Таким образом, согласно результатам, приведенным Лэм и Тинсли [Lam and Tinsley,2016], электрический заряд на аэрозольных частицах и капельках воды может увеличить илиуменьшить скорость “электрособирания” в зависимости от знака заряда и размера частиц, чтоприводит к изменению концентрации и распределения по размерам облачных ядер конденсации(CCN).

“Электроскавенджинг” способствует уменьшению концентрации крупных CCN иувеличению концентрации мелких. Для льдообразующих ядер, обычно имеющих болеекрупные размеры ( r > 0.5 мкм), “электроскавенджинг” увеличивается независимо от знаказаряда, что приводит к замерзанию переохлажденных капель воды и увеличению скоростиобразования льда в облаках верхнего яруса.Увеличение вертикальных атмосферных токов и, соответственно, пространственногозаряда увеличивает электрособирание CCN с радиусом более 0.3 мкм и уменьшает ихконцентрацию независимо от знака Q/q. Для мелких CCN имеет место уменьшение скоростисобирания – “электро-антискавенджинг”, и их концентрация оказывается выше, чем вотсутствии пространственного заряда. Указанные изменения концентрации CCN приводят куменьшению концентрации крупных облачных капель и увеличению концентрации мелких, чтосокращает скорость коагуляции и выпадения осадков.

Перенос мелких капелек вверх (вышеуровня замерзания) восходящими движениями в циклоне способствуют более интенсивномуобразованию ледяных частиц и выделению скрытой теплоты замерзания, которая может пойтина усиление циклонической циркуляции [Rosenfeld et al., 2008]. С другой стороны, увеличениеоблачности влияет на радиационно-тепловой баланс в атмосфере, что также можетспособствовать развитию регионального динамического отклика на изменения электрическихтоков.1.2.3.4. Изменения химического состава и температурного режима высокоширотнойатмосферыВысыпания энергичных частиц (авроральных электронов, электронов радиационныхпоясов, солнечных протонов) оказывают влияние на скорость образования малых атмосферныхкомпонентов − семейств т.н.

нечетного водорода HO x = H + OH + HO 2 и нечетного азотаNO x = N + NO + NO 2 , способствующих разрушению озона. В свою очередь, уменьшениеконцентрации озона вызывает изменение температурного режима высокоширотной атмосферыи, соответственно, изменениям меридиональных градиентов температуры и атмосфернойдинамики [Rozanov et al., 2005, 2012; Baumgaertner et al., 2011]. Следует отметить, что откликсредней и верхней атмосферы на высыпания энергичных частиц определяется достаточносложным взаимодействием химических, радиационных и динамических процессов. Например,фотохимический блок модели Криволуцкого и соавторов [Криволуцкий и др., 2001] дляописания отклика озоносферы на солнечную протонную вспышку включал 60 малых газовых56составляющих, участвующих в 164 фотохимических и химических реакциях. Более поздняятрехмерная фотохимическая модель указанных авторов CHARM (CHemical AtmosphericResearch Model) включает уже более 200 реакций [Криволуцкий и др., 2015a]Приведем вкратце основные процессы, возникающие при высыпаниях энергичных частици приводящие в конечном итоге к разрушению озона.

При взаимодействии энергичных частиц свеществом атмосферы происходит не только ионизация нейтральных молекул (N2, O2 и др.), нотакже диссоциативная ионизация и возбуждение, например:N 2 + e → N 2+ + 2e(1.10)N 2 + e → N + N + + 2e(1.11)N 2 + e → N* + N + e(1.12)где N * − возбужденный атом азота [Rusch et al., 1981; Aikin, 1994]. Перечисленные процессыспособствуют появлению молекулярных и атомарных ионов, молекул и нейтральных атомов вразличных возбужденных состояниях ( N +2 , N + , N , N* , O 2+ , O + , O и др.). По данным Портера исоавторов [Porter et al., 1976], на каждую пару ионов образуется 1.27 атомов N, из них 55% и45% в возбужденном ( N * ) и основном ( N ) состояниях, соответственно.

Реакции атомарногоазота с кислородом приводят к образованию окиси азота NO :N + O 2 → NO + O(1.13)N * + O 2 → NO + O .(1.14)Образование нечетного водорода происходит только на высотах менее 80 км, гдеприсутствует достаточное количество водяного пара. Основные процессы, ответственные заформирование HO x , были рассмотрены в работах [Solomon et al., 1981; Aikin, 1994], гдеуказывалось, что ионы O +2могут непосредственно участвовать в образованииHO xпосредством приведенных ниже реакций (1.15−1.16), способствуя при этом образованиюкластерных ионов H + (H 2 O) m :O +2 + H 2 O → O +2 H 2 O(1.15)O 2+ H 2 O + H 2 O → H + H 2 O + OH + O 2 .(1.16)Последующая диссоциативная рекомбинация кластерных ионов также приводит к образованиюнечетного водорода выше 60−70 км, где имеют место высыпания электронов:H + (H 2 O) m + e → H + m(H 2 O) .(1.17)Согласно данным, приведенным Хипсом [Heaps, 1978], на каждую пару ионов образуется1.6−2 молекулы HO x на высотах менее 60 км и 1.2 HO x выше 80 км.

Нечетный водород HO x , в57отличие от нечетного азота, является короткоживущим (время жизни порядка несколькихчасов), так как разрушается в результате реакции OH + HO 2 → H 2 O + O 2 . В связи с этимобразование HO x при высыпаниях энергичных частиц локализовано в области, где происходитионизация (на высотах ~60−80 км), и может наблюдаться только в период высыпаний. Такимобразом, влияние HO x на содержание озона оказывается непродолжительным. Время жизнинечетного азота NO x существенно больше (от нескольких часов в мезосфере до ~1−2 лет встратосфере), что делает возможным перенос NO x атмосферными ветрами. Так, авроральныеэлектроны способствуют образованию NO x в верхней атмосфере, однако затем NO xпереносится вниз в мезосферу и верхнюю стратосферу и может оказывать влияние насодержание на высотах 30−70 км в течение продолжительного времени.Образование дополнительного нечетного азота NO x приводит к уменьшению содержанияозона в результате следующих реакций (азотный каталитический цикл разрушения озона):NO+O3NO2+O2(1.18)NO2+ONO+O2,(1.19)что в конечном итоге дает O3+O2O2 (напр., [Crutzen et al., 1975]).

Разрушению озонаспособствует также водородный каталитический цикл с участием нечетного водорода HO x :OH+OH+O2(1.20)H+O3OH+O2,(1.21)что также дает в итоге O 3 + O → 2O 2 .Таким образом, высыпания энергичных частиц влияют на химический состав средней иверхней атмосферы высоких широт атмосферы, способствуя образованию семейств нечетноговодорода и нечетного азота и интенсификации, соответственно, водородного и азотногокаталитических циклов разрушения озона.

Экспериментальные данные, свидетельствующие овлиянии энергичных частиц на химический состав атмосферы, получены в ряде работ [Baker,2000; Baker et al., 2001; Barth et al,. 2001; Roldugin et al., 2000; Randall et al., 2007; Seppälä et al.,2007; Cliverd et al., 2009; Verronen et al., 2011; Andersson et al., 2012; Friederich et al., 2014, и др.].Повышенный уровень концентрации окиси азота NO был обнаружен в нижней термосфере вобласти авроральных овалов северного и южного полушарий по данным приборов,установленных на спутниках SNOE (Student Nitric Oxide Explorer) и SAMPEX (Solar, Anomalousand Magnetospheric Particle Explorer) [Baker, 2000; Baker et al., 2001].

Коэффициенты корреляциимежду содержанием NO в указанных областях и потоками электронов с энергиями >25 кэВсоставили ~0.6−0.7. Верронен и соавторы [Verronen et al., 2011] обнаружили увеличение в два58раза ночной концентрации гидроксила OH в средней мезосфере (71−78 км), коррелирующее свысыпаниями из радиационных поясов электронов с энергиями 100−300 кэВ. Эффектнаблюдался в области геомагнитных широт 55−65º, что соответствует магнитным оболочкамвнешнего радиационного поясаL = 3 − 5.6 . Для исследования [Verronen et al., 2011]использовались результат измерений со спутников POES (Polar Orbiting Environmental Satellite)и Aura за март 2005 и апрель 2006 годов.

Аналогичный эффект был выявлен при анализеданных тех же спутников за 2004−2009 гг. [Andersson et al., 2012].Уменьшение общего содержания озона на 20 единиц Добсона в связи с высыпаниямирелятивистских электронов c энергиями >300 кэВ было обнаружено Ролдугиным и соавторамив высокоширотных областях северного и южного полушарий по данным наземных испутниковых (TOMS) наблюдений [Roldugin et al., 2000]. Исследование содержания нечетногоазота и озона в атмосфере высоких широт было проведено в работе Сеппяля и соавторов[Seppälä et al., 2007] по данным приборов GOMOS (Global Ozone Monitoring by Occultation ofStars) и POAM-III (Polar Ozone and Aerosol Measurement) на спутниках Envisat и SPOT-4.Результаты исследования обнаружили значительное увеличение содержания нечетного азота вмезосфере на высотах 50−80 км в связи мощными СПС октября/ноября 2003 г.

и егопоследующий перенос вниз (в течение ~1-го месяца) в верхнюю стратосферу (до высот ~40 км),что вызвало уменьшение (до 30%) концентрации стратосферного озона. Увеличениеконцентрации NO x и соответствующее понижение концентрации озона в верхней стратосференаблюдалось также после высыпания авроральных электронов в марте 2004 года. В работе[Friederich et al., 2014] показана положительная корреляция между содержанием двуокиси азотаNO 2 на высотах 46−52 км в области геомагнитных широт 60−70º и уровнем геомагнитнойактивности, характеризуемой Ap-индексом, что также поддерживает гипотезу о влиянииэлектронных высыпаний на химический состав высокоширотной атмосферы.

Характеристики

Список файлов диссертации