Диссертация (1145308), страница 15
Текст из файла (страница 15)
Таким образом, кнастоящемувремениимеетсядостаточномногоэкспериментальныхданных,свидетельствующих о возможности физического механизма влияния солнечной активности нациркуляцию атмосферы, который включает изменения химического состава атмосферывысоких широт.Увеличение содержания нечетного азота NO x , обусловленное высыпаниями энергичныхчастиц, и соответствующее разрушение озона в результате азотного каталитического цикламожет привести к существенным изменениям температурного режима высокоширотнойатмосферы, поскольку озон является радиационно-активным газом, поглощающим каккоротковолновое излучение Солнца, так и длинноволновое излучение (4−40 мкм) земнойповерхности. Наряду с сильной полосой поглощения в ближней УФ области (полосой Хартли в59диапазоне длин волн 220−290 нм) озон имеет большое число интенсивных линий винфракрасной (ИК) и микроволновой областях спектра.
В ИК области расположены триколебательно-вращательные полосы с центрами на 9.01, 9.59 и 14.09 мкм, а также полосывблизи 2.7, 3.27, 3.59, 4.75 и 5.75 мкм, создаваемые обертонами и составными частотамиколебаний молекулы озона [Александров и др., 1992]. Во время полярной зимы, когдапоступление солнечной радиации в высокие широты незначительно, поглощение озономкоротковолновой радиации не может привести к заметным температурным эффектам. В то жевремя поглощение и излучение озоном длинноволновой радиации может существенно повлиятьна температуру полярной атмосферы.Моделированиетемпературногооткликанаизменениеконцентрацииозона,обусловленное геомагнитной активностью (высыпаниями авроральных электронов) былопроведено в работе Баумгартнера и соавторов [Baumgaertner et al., 2011].
На рис.1.13 показаноизменение содержания озона в зимние месяцы при наличии высыпаний энергичных частиц(energetic particle precipitation – EPP)ΔO 3 = O 3EPP − O 3noEPPсогласнопо сравнению с невозмущенными условиями (noEPP):расчетам,выполненнымспомощьюмоделиEMAC(ECHAM/MESSy Atmospheric Chemistry model), разработанной в Институте химии МаксаПланка (Германия). Для параметризации притока дополнительного нечетного азота FNO x вверхнюю стратосферу при высыпании авроральных электронов использовалась эмпирическаяРис.1.13.
Разность содержания озона (ppmv) в зимние месяцы (декабрь-январь-февраль)ΔO 3 = O 3EPP − O 3noEPP при высыпаниях авроральных электронов (индекс геомагнитнойактивности A p =25) и отсутствии высыпаний ( A p =0) [Baumgaertner et al., 2011].60связь с геомагнитным индексом A p : FNO x ~ A 2.5[Baumgaertner et al., 2009]. Как видно изpрис.1.13, содержание стратосферного озона в связи с электронными высыпаниями при высокойгеомагнитной активности ( A p =25) уменьшается на ~0.5−1 ppmv в средней и верхнейстратосфере высокоширотной области ( > 60ºN), т.е.
на ~20% в верхней стратосфере и на ~10%на уровне 20 гПа. Согласно оценкам [Baumgaertner et al., 2011], это приводит к уменьшениюобщего содержания озона на ≤ 35 единиц Добсона.ИзменениетемпературывысокоширотнойатмосферыΔT = T EPP − T noEPP ,соответствующее понижению концентрации озона при высыпаниях энергичных электронов(рис.1.13), приведено на рис.1.14 согласно результатам моделирования [Baumgaertner et al.,2011] для зимних месяцев.
Видно, что в полярной области отклик температуры на исследуемыесобытия различается в зависимости от высоты: температура стратосферы на уровнях 200−5 гПапонижается на 3−4ºK, тогда как выше 4 гПа – повышается. Это связано с тем, что в верхнейстратосфере и мезосфере озон преимущественно излучает длинноволновую радиацию,охлаждая атмосферу, поэтому понижение его концентрации приводит к относительномупотеплению. В нижней стратосфере, наоборот, понижение концентрации озона приводит куменьшению поглощения длинноволновой радиации и охлаждению.
Понижение температурыстратосферы может также быть обусловлено ослаблением меридиональной циркуляцииРис.1.14. Разность температуры в зимние месяцы (декабрь-январь-февраль) ΔT = T EPP − T noEPPпри высыпаниях авроральных электронов (индекс геомагнитной активности ( A p =25) иотсутствии высыпаний ( A p =0) [Baumgaertner et al., 2011].61[Langematz et al., 2003]. Аналогичная структура изменений температуры в полярной атмосфере(повышение температуры в мезосфере и понижение в стратосфере) в связи c изменениямигеомагнитной активности и высыпаниями авроральных электронов были получены Розановыми соавторами с использованием модели SOCOL (SOlar Climate Ozone Links) [Rozanov et al.,2012].Изменение температур ы полярной стратосферы в зимнее время может оказывать влияниена состояние циркумполярного вихря – циклонической циркуляции, формирующейся ввысокоширотной атмосфере выше уровня 500 гПа.
Для описания интенсивности вихря принятоиспользовать индекс NAM (Northern Annular Mode) [Baldwin and Dunkerton, 2001],положительные значения которого указывают на сильный вихрь, отрицательные – на болееслабый.Понижениетемпературыполярнойобластиспособствуетувеличениюмеридионального градиента температуры и усилению циклонической циркуляции в вихре.
Всвою очередь усиление вихря воздействует на распространяющиеся вверх планетарные волныРоссби, вызывая их отражение и способствуя переносу возмущений из стратосферы втропосферу [Rozanov et al., 2005, 2012, Baumgaertner et al., 2011].Так, модельные исследования [Baumgaertner et al., 2011] показали, что отрицательныеаномалии зонально осредненных геопотенциальных высот в полярной стратосфере (60−90ºN),развивающиеся в начале зимнего сезона в верхней стратосфере при сильном вихре, постепенноопускаются вниз и достигают нижней тропосферы в феврале. В результате у поверхности Землиформируетсяпространственноераспределениеаномалийприземногодавления,соответствующее положительным значениям NAM: отрицательные аномалии давленияформируются в высокоширотной области (над Гренландией и Северным Ледовитым океаном),положительные аномалии − в умеренных широтах, с максимумом над восточной частьюСеверной Атлантики.
Перенос в тропосферу аномалий NAM приводит также к изменениюпространственного распределения аномалий поверхностной температуры. Согласно [Hurrel etal., 2003], основной чертой положительной аномалии NAO, связанной с положительнойаномалией NAM, являются повышение температуры над Северной Евразией и СевернойАмерикой и понижение над восточной частью Северной Атлантики. Согласно данным,приведенным в работе [Seppälä et al., 2009], похожая структура аномалий поверхностнойтемпературы в зимние месяцы наблюдается при повышенном уровне геомагнитной активности,что свидетельствует в пользу предложенного выше механизма.Кнастоящемувремениимеетсятакжедостаточнобольшоеколичествоэкспериментальных данных, свидетельствующих об изменении химического состава средней иверхней атмосферы высоких широт в связи со всплесками солнечных протонов - солнечнымипротонными событиями (СПС) [Weeks et al., 1972; Heath et al., 1977; McPeters et al., 1981;62Thomas et al., 1983; Solomon et al., 1983; Задорожный и др., 1992; Jackman et al., 2001; Seppälä etal., 2004; López-Puertas et al., 2005; и т.д.].
Более подробно геофизические эффекты солнечныхкосмических лучей, включая изменения содержания нечетного азота и озона, будутрассматриваться в разделе 2.1.2. Здесь же отметим, что моделирование эффектов СПС ввариациях содержания малых газовых составляющих в высокоширотной области приводилосьрядом исследователей с использованием различных моделей атмосферы (напр., [Jackman et al.,1995; 2001; 2014; Funke et al., 2011; Egorova et al., 2011; Криволуцкий и др., 2001, 2012, 2015а,2015б]). Результаты модельных исследований показали, что мощные СПС приводят кзначительным изменениям в содержании семейств нечетного водорода и азота и, как следствие,к понижению концентрации озона и изменению температурного режима полярной атмосферы.В качестве примера на рис.1.15 приведены результаты моделирования, полученныеКриволуцким исоавторами[Криволуцкийи др.,2015б]припомощи трехмернойфотохимической модели CHARM для мощного СПС 14 июля 2000 года (максимальная скоростьионизации составляла ~ 10 4 см −3 с −1 на высотах 65−75 км в северном полушарии).
Видно, чтосогласно расчетам, отклик озона на вторжение солнечных протонов появляется в атмосфереполярной области через несколько часов после начала события и достигает максимумапримерно через сутки. Наибольшее понижение концентрации озона для данного события (до−90%) имеет место в мезосфере (70−80 км) и связано с каталитическим циклом разрушенияРис.1.15. Изменение концентрации озона (%) в северной полярной области (75ºN) после СПС14 июля 2000 года согласно результатам расчета с использованием модели CHARM[Криволуцкий и др., 2015б].63озона за счет короткоживущего нечетного водорода.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
