Диссертация (1145308), страница 18

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

Текст из файла (страница 18)

В качестве иллюстрации на рис.2.6приведены результаты расчетов скорости ионизации для мощного события 29 сентября 1989года, выполненые Дезоргером и соавторами с использованием модели PLANETOCOSMICS(BernModel:http://cosray.unibe.ch/~laurent/planetocosmics)(рисунокприведениз[Мирошниченко, 2011]. Данное событие характеризовалось показателем спектра γ ~2 винтервале энергий от 100 МэВ до ~3 ГэВ.

Видно, что вклад частиц с энергиями ~433 МэВ(жесткость R= 1 ГВ) в ионизацию на одних и тех же высотах превышает вклад от ГКЛпримерно на два порядка. Вклад более энергичных частиц с энергиями 3.63 ГэВ (жесткость 4.48ГВ) для данного события соизмерим с вкладом ГКЛ [Мирошниченко, 2011].Рис.2.6. Скорость образования ионов во время события GLE 29 сентября 1989 года в полярной(жесткость геомагнитного обрезания Rс =1 ГВ) и среднеширотной (Rс =4.48 ГВ) атмосфере(черная линия) [Мирошниченко, 2011]. Синяя и красная линии показывают скоростьобразования ионов потоками галактических космических лучей в максимуме и минимумесолнечной активности, соответственно.2.1.2.

Геофизические эффекты солнечных протонных событий в атмосфере ЗемлиИзменение скорости ионизации во время СКЛ вызывает целый ряд эффектов ввысокоширотной атмосфере Земли. К наиболее важным эффектам СКЛ следует, по всейвидимости, отнести изменение химического состава атмосферы (образование окислов азота73NOx и водорода HOx, способствующих разрушению озона в средней атмосфере), содержанияаэрозоля, изменение электрической проводимости воздуха, и соответственно, свойствглобальной электрической цепи (ГЭЦ), а также поглощение радиоволн в полярных шапках(ППШ).Разрушение озона. Вторжение солнечных протонов приводит к образованию вторичныхчастиц − электронов с энергиями в десятки и сотни электронвольт.

Эти частицы вызываютионизацию, диссоциативную ионизацию и возбуждение молекулярного азота (см. реакции1.10−1.12), что приводит к появлению ионов N2+, N+ и нейтральных атомов N. Далее N+ и Nвступают в реакцию с кислородом, образуя окись азота NO. Повышение концентрации окисиазота приводит к уменьшению содержания озона в результате следующих реакций (азотныйкаталитический цикл разрушения озона):NO+O3NO2+O2(2.2)NO2+ONO+O2,что в конечном итоге дает O3+O2O2 (напр.,[Crutzen et al., 1975]). Разрушению озонаспособствует также водородный каталитический цикл с участием окислов водорода HOx, такжеобразующихся при вторжении солнечных протонов:OH+OH+O2(2.3)H+O3OH+O2,что также дает в итоге O3+O2O2.

Согласно [Heaps, 1978] на каждую пару ионов образуетсяпримерно 1.25 атомов азота N и два радикала ОН. При этом время жизни HO x (H, OH, HO 2 )составляет несколько часов в средней атмосфере, тогда как NO x (N, NO, NO 2 ) болеедолгоживущие (время жизни от нескольких дней до нескольких месяцев). Таким образом,образование дополнительного количества NO и OH в связи с высыпаниями энергичныхсолнечных протонов способствует интенсификации соответствующих каталитических цикловразрушения озона, что должно приводить к уменьшению его концентрации. Так как основнаядоля солнечных протонов высыпается в высоких широтах, именно там происходят наиболеезначительные изменения химического состава средней атмосферы.Действительно, изменения концентрации озона были зарегистрированы для ряда мощныхвсплесков СКЛ, начиная с события 2 ноября 1969 г., когда по данным ракетных измеренийбыло обнаружено уменьшение концентрации озона в 2-4 раза на высотах мезосферы ~50-70 км[Weeks et al., 1972].

Согласно результатам измерений обратного рассеяния ультрафиолетовойрадиации на спутнике Nimbus-4 [Heath et al., 1977], мощное протонное событие 4 августа 1972года сопровождалось значительным уменьшением (~20%) концентрации озона выше уровня 474гПа (~42 км). Наиболее значительные изменения содержания озона наблюдались в высокихширотах (75-85º) северного полушария в течение нескольких недель.

Длительное понижениеконцентрации озона указывало на то, что его причиной является азотный каталитический цикл,так как окислы азота после вспышки существуют довольно долго. По данным [McPeters et al.,1981] уменьшение концентрации озона на 10−30% на уровне 1 гПа и выше имело место в связис протонными событиями 25 января и 2 сентября 1971 г. и длилось сравнительно недолго (~36часов), что могло указывать на каталитический водородный цикл разрушения озона.Значительные изменения концентрации озона наблюдалось также в связи с рядом мощныхпротонных событий, в частности 13 июля 1982 г. [Thomas et al., 1983; Solomon et al., 1983], 1929 октября 1989 г.

[Задорожный и др., 1992; Zadorozhny et al., 1994], 14 июля 2000 г. [Jackman etal., 2001], 28 октября-4 ноября 2003 г. [Seppälä et al., 2004; López-Puertas et al., 2005; Jackman etal., 2005; Verronen et al., 2005; Rohen et al., 2006], 15-20 января 2005 г.[Verronen et al., 2006], 13декабря 2006 г.

[Kirillov et al., 2007] и т.д.В качестве примера можно привести изменения содержания окиси азота NO и озона O3 всвязи с серией мощных протонных событий, начавшейся 19 октября 1989 года. Эти изменениябылизарегистрированыврезультатезапусковметеорологическихракетснаучно-исследовательского судна “Академик Ширшов” в области широт 40-60º южного полушария(Индийский океан) [Задорожный и др., 1992; Zadorozhny et al., 1994]. Временные профилипотоков протонов с различными энергиями для данной серии СПС были показаны на рис.2.1(раздел 2.1.1) согласно спутниковым данным GOES-7.

Число образовавшихся пар ионов в ходеСПС октября 1989 г составляло ~(2-4)⋅104 см-3⋅с-1 на высотах 40-80 км [Zadorozhny et al., 1994].Таким образом, изменения скорости ионизации в средней атмосфере в ходе данных событийбыли соизмеримы с изменениями скорости ионизации в ходе мощного СПС 4 августа 1972 года[Reagan et al., 1981]. На рис.2.7 приведены концентрации окиси азота NO в спокойный период(11 и 12 октября 1989 г.) и после начала серии СПС (23 октября 1989 г.). Согласно приведеннымданным, наибольшее возрастание концентрации NO (~2⋅109 см-3) имело место на высотах ~4555 км и превышало примерно в 50 раз концентрации NO при спокойных условиях.Изменение содержания озона, обусловленное интенсификацией каталитического цикларазрушения озона в связи с ростом концентрации окиси азота в октябре 1989 года, показано нарис.2.8.

Штриховой кривой (1) показано отклонение концентрации озона, измеренной 23октября 1989 года, от средней концентрации по всем измерениям в октябре (в % ). Сплошнаякривая показывает разность концентраций озона, измеренных 23 и 20 октября (т.е. до и послемаксимума потока протонов), относительно измерений 20 октября (в %). Данные, приведенныена рис.2.8., показывают понижение содержания озона выше 35 км. Максимальное понижение75составляет ~20-25% на высотах 50 км, где было обнаружено наибольшее увеличениеконцентрации NO (рис.2.7).Рис.2.7. Профили концентрации окиси азота NO, измеренные при спокойных условиях(штриховые кривые 1 и 2, соответствующие запускам 11 и 12 октября, соответственно) и посленачала серии СПС (сплошная кривая, запуск 23 октября) [Zadorozhny et al., 1994].

Кривая 4показывает концентрацию окиси азота по данным космической станции Spacelab 1 в ноябредекабре 1983 г. [Girard et al., 1988].Рис.2.8. Высотные профили вариаций концентрации озона в ходе СПС октября 1989 г. Кривая 1– изменение концентрации озона 23 октября 1989 г., относительно средней концентрации повсем измерениям. Кривая 2 – относительная разность концентраций озона, измеренных 23 и 20октября 1989 г. [Zadorozhny et al., 1994].76Пример пространственного распределения изменений концентрации окислов азота иозона в ходе мощных событий 28 октября−4 ноября 2003 года приведен на рис.2.9 длясеверного полушария согласно [López-Puertas et al., 2005].

Данные измерений приведены длявысот 50-55 км для дня, предшествующего началу событий (27 октября), и двух дней в ходеСПС (29 и 30 октября). Значительное увеличение содержания окислов азота NO x (NO и NO 2 )обнаружено в полярной шапке (геомагнитная широта >60º), т.е. в области высыпанияэнергичных солнечных протонов в широком диапазоне энергий. Увеличение NO x в среднем пополярной шапке составляло от 20 до 70 ppbv на высотах 40-60 км и длилось не менее двухнедель. Максимальные значения NO x наблюдались в области, где была полярная ночь (рис.2.9,30 октября). В отдельных точках в верхней стратосфере зарегистрированы очень высокиезначения NO x (до 180 ppbv), что в 10 раз превышало невозмущенный уровень. Уменьшениеконцентрации озона в связи с исследуемыми событиями составляло ~30-40% в верхнейстратосфере и 50-70% в нижней мезосфере и наблюдалось в течение двух недель.

Понижениеконцентрации озона было максимально 29 октября (на следующий день после начала СПС) ибыстро ослабело к 30 октября, что свидетельствовало о преобладающей роли водородногоРис.2.9. Концентрация окислов азота NO x (верхняя панель) и озона O 3 (нижняя панель) доначала и во время серии СПС 28 октября – 4 ноября 2003 года на высотах 50-55 км в северномполушарии. Красной линией показано положение стратосферного циркумполярного вихря.Положение геомагнитного полюса обозначено красным крестом [López-Puertas et al., 2005].77каталитического цикла разрушения озона (время жизни окислов водорода HO x составляетнесколько часов). Понижение концентрации озона в течение последующих 2-х недельобусловлено азотным каталитическим циклом разрушения озона.

В южном полушарииэффекты СПС в вариациях содержания NO x в высоких широтах выражены слабее (увеличениеNO x составляло 10−35 ppbv), что связано с более эффективной фотодиссоциацией окиси азотаNO при условиях полярного дня и меридиональным переносом. Уменьшение содержания озонанаблюдалось в области увеличения NO x и составляло ~50%.В ряде работ Шумилова и соавторов [Шумилов и др., 1991; Shumilov et al., 1992, Shumilovet al., 1995 и т.д.] было показано, что СПС с релятивистскими энергиями частиц E > 500 МэВ(события типа GLE) могут приводить к довольно значительным понижениям общегосодержания озона (ОСО) в высоких широтах, т.е. формированию озонных «минидыр».Кратковременные понижения ОСО на 15-20% были обнаружены в ходе мощных СПС в марте,сентябре и октябре 1989 года и в мае 1990 года в полярных шапках Арктики и Антарктики.Согласно расчетам авторов, формирование озонных «минидыр» не может быть объяснено врамкахгомогенной(газофазной)фотохимическоймодели,учитывающейтолькокаталитические циклы разрушения озона с участием окислов азота и водорода.

Теоретическиезначения понижения ОСО, полученные согласно данной модели для GLE мая 1990 года,составили ~1%, тогда как наблюдаемые значения на ст. Баренцбург (арх. Шпицберген) – около18%. Было предположено, что для объяснения наблюдаемых изменений ОСО необходимоучитыватьгетерогенныехимическиепроцессывприсутствииаэрозольныхчастиц,концентрация которых может увеличиваться при вторжении солнечных протонов, а такжеизменения температуры и объемного электрического заряда в стратосфере [Shumilov et al.,1995; Kasatkina and Shumilov, 2005].Также следует отметить, что окислы азота NO x , образующиеся при вторженияхэнергичных солнечных протонов, при взаимодействии с водой могут образовывать азотнуюкислоту HNO 3 , которая вместе с осадками переносится к поверхности Земли иможетоткладываться в полярных льдах.

Характеристики

Список файлов диссертации