Атмосферный озон является одним из самых важных газов Земной атмосферы. С одной стороны, озон защищает жизнь на Земле, поглощая большую часть жесткого ультрафиолетового излучения Солнца [1,2], с другой стороны, по своим химическим свойствам озон является сильным окислителем и токсичным газом, и его чрезмерное содержание в нижней части атмосферы является вредным для человека, животных и растений [2,3]. Таким образом, с одной стороны, количество озона в атмосфере должно быть достаточным для защиты жизни на Земле от повышенного уровня ультрафиолетовой радиации, а с другой стороны, его содержание в приземном слое не должно превышать определенный уровень, чтобы избежать токсичных воздействий на флору и фауну. Кроме того озон, благодаря своим радиационным свойствам, оказывает существенное влияние на климат Земли, внося свой вклад в нагрев атмосферы за счет поглощения солнечной радиации и в охлаждение за счет собственного излучения тепловой энергии [1−3].
Эволюция атмосферы привела к оптимальному высотному распределению озона. Большая его часть (около 90%) находится на высотах 15−50 км, в стратосфере, не представляя контактной опасности для людей. В нижней части атмосферы, в тропосфере (0−12 км), концентрация озона почти в 100 раз меньше чем в стратосфере [1−4]. Таким образом, стратосферный озон играет роль защитного экрана для солнечного ультрафиолетового излучения, не представляя контактной опасности для человека, в то время как тропосферный озон не вносит сколь либо существенного вклада в ослабление солнечной ультрафиолетовой радиации, а его повышенные концентрации могут быть опасными для биосферы. Тем самым, экологическая проблема атмосферного озона заключается в недопущении его уменьшения в стратосфере, в одной стороны, и в препятствовании его увеличению в тропосфере, с другой стороны.
Наблюдаемое относительно стабильное содержание озона в атмосфере является результатом равновесия между протекающими совместно и взаимосвязанными химическими, динамическими и радиационными процессами его разрушения и образования [1−4]. В этой связи, если по каким-либо причинам точка равновесия сдвинется в сторону уменьшения озона, то его содержание в земной атмосфере быстро сократится, что приведет к увеличению потока солнечного ультрафиолетового излучения достигающего земной поверхности, что, в свою очередь, губительно скажется на биосфере.
Результаты наблюдений за содержанием атмосферного озона в течение двух последних десятилетий обнаружили тревожные тенденции его изменчивости в направлении ухудшения обоих направлений связанной с ним экологической ситуации, т. е. уменьшения содержания озона в стратосфере и его увеличения в тропосфере [5]. Начиная в середины восьмидесятых годов, в весенние месяцы над Антарктидой регулярно отмечается уменьшение стратосферного озона более чем в два раза, явление, которое получило название «озоновых дыр» [6]. Похожие явления, правда, меньшие по масштабу, в последние годы периодически наблюдаются в Арктике [7] и даже в средних широтах, в частности над территорией Восточной Сибири и Северной Европы [5,8]. Кроме того, результаты измерений глобальной озонометрической сети и спутниковые наблюдения отмечают отрицательную долгопериодную тенденцию (тренд) среднегодового стратосферного озона в средних широтах обоих полушарий [5,9−11]. С другой стороны, результаты измерений тропосферного озона зафиксировали в последние годы его рост со скоростью до 1% в год [5,12].
Наблюдаемые тревожные тенденции изменчивости озона в земной атмосфере, с одной стороны, потребовали от ученых теоретического объяснения наблюдаемых явлений (диагностическая проблема), а с другой стороны, прогноза изменчивости атмосферного озона в ближайшем и отдаленном будущем, на базе понимания природы наблюдаемых процессов (прогностическая проблема). Для решения этих проблем необходимо использовать как результаты измерений динамических, радиационных и химических параметров атмосферы в течение нескольких десятилетий, так и теоретические представления об особенностях протекания в атмосфере физических и химических процессов, влияющих на пространственно-временное распределение озона и связанных с ним газов.
Долгопериодная изменчивость атмосферного озона может вызываться, как естественной природной изменчивостью, такой как одиннадцатилетний никл солнечной активности [13], вулканические выбросы сульфатного аэрозоля [14−15], или квазипериодические изменения динамической структуры атмосферы (явления QBO и.
ENSO) [16], так и антропогенными воздействиями на атмосферу, такими как промышленные выбросы хлорфторуглеводородов (фреонов) и бромсодержащих газов (галонов) в погранслое Земли с последующим переносом в вышележащие слои атмосферы [17−18], и самолетные выбросы газов и аэрозоля непосредственно на высотах тропосферы (дозвуковые самолеты) и стратосферы (сверхзвуковые самолеты) [12,19−20]. Для идентификации причин наблюдаемой изменчивости озона в атмосфере необходимо исследовать как естественные, так и антропогенные факторы.
Значительная степень влияния хозяйственной деятельности человека на атмосферный озон, а также глобальный характер этой проблемы привели к появлению ряда международных соглашений, ограничивающих промышленное использование озоноразрущающих веществ [21,22]. Тем самым, научное исследование причин наблюдаемой в последнее время изменчивости озона в атмосфере необходимо для принятия решений на политическом уровне, касающихся регулирования выбросов озоноразрушающих веществ в атмосферу и поиска безопасных для озона заменителей озоноразрушающих веществ для использования в промышленном производстве.
Наблюдаемая изменчивость озоносферы стимулировала в последнее десятилетие интенсивное теоретическое и экспериментальное изучение физических и химических процессов, влияющих на особенности пространственно-временного распределения атмосферного озона и влияющих на него газов. Подобные исследования являются особенно важными в связи с тем обстоятельством, что существовавшие на середину 80-х годов теории и модели оказались не в состоянии ни предсказать, ни объяснить неожиданное появление «озоновых дыр». Другим важным обстоятельством, заставившим ученых интенсифицировать исследования процессов в озоносфере, явилось опасение возможностью появления «озоновых дыр» за пределами полярных широт, в густонаселенных районах Земного шара.
Задача исследования естественных и антропогенных воздействий на окружающую среду требует тесного взаимодействия между натурными измерениями параметров окружающей среды, математическим моделированием и лабораторными исследованиями параметров происходящих в атмосфере процессов. Для решения диагностической и прогностической задач необходимо одновременно использовать теоретические представления о физических и химических процессах, контролирующих пространственно-временное распределение озона в атмосфере, а также результаты натурных измерений и лабораторных экспериментов. Другими словами, необходим инструмент, позволяющий объединить наши теоретические знания с результатами наблюдений за влияющими на озон характеристиками атмосферы. В наилучшей степени, для применения в качестве такого инструмента подходят модели газового состава тропосферы и стратосферы, включающие в себя математическое описание влияющих на озон физических и химических процессов, а также позволяющие использовать результаты наблюдений и лабораторных исследований в качестве параметров модели и начальных условий решаемой с помощью модели задачи.
Создаваемые модели необходимо калибровать и инициализировать с помощью экспериментальных данных, полученных в результате мониторинга газового состава атмосферы, включающего в себя наземные и спутниковые измерения озона и других атмосферных газов, а также динамических и радиационных параметров, влияющих на пространственно-временное распределение газов в атмосфере. В свою очередь, при проведении измерений газового состава, динамических и радиационных параметров атмосферы необходимо учитывать вырабатываемые с помощью теоретических моделей рекомендации по планированию условий эксперимента.
Созданную модель можно считать репрезентативной, если она в состоянии, основываясь на результатах измерений солнечной радиации, параметров химических реакций и фотодиссоциационных процессов, а также граничных условий на уровне подстилающей поверхности, воспроизводить наблюдаемые значения атмосферных ветров, температуры и газового состава атмосферы. Если модель удовлетворяет этим требованиям, то следующим шагом может быть ее использование для прогностических целей таких, как исследование возможных изменений газового состава и климата атмосферы под воздействием промышленных выбросов окислов азота и углерода, хлорфторуглеводородов и бромсодержащих веществ, а также выбросов дозвуковых и сверхзвуковых самолетов.
Первые регулярные наземные измерения общего содержания озона (ОСО) с помощью спектрофотометра Добсона начались в конце двадцатых годов нашего столетия в Арозе (Швейцария), Оксфорде (Великобритания) и Тромсе (Норвегия) [1,3]. В дальнейшем сеть озонометрических станций неуклонно развивалась и настоящий момент состоит из 85−90 станций, охватывающих весь Земной шар [23,24]. Благодаря постоянному мониторингу ОСО с помощью наземной озонометрической сети, в настоящий момент накоплено достаточное количество данных, чтобы проводить анализ закономерностей пространственно-временного распределения озона [24]. Вместе с тем, географическое распределение озонометрических станций не является сбалансированным. Большая часть их сосредоточена в средних широтах северного полушария, тогда как в тропических, субтропических областях и в южном полушарии их количество явно недостаточно для проведения репрезентативных оценок [25].
Значительный прогресс в озонометрии был достигнут в 1979 году, когда начались регулярные измерения параметров озоносферы со спутника Nimbus 7 [26]. С тех пор контроль за состоянием озоносферы осуществляется как с помощью наземной сети озонометрических станций, так и спутниковыми приборами [27], такими как Solar Backscatter Ultraviolet Unit (SBUV) [28], Total Ozone Mapping Spectrometer (TOMS) [11], Stratospheric Aerosol and Gas Experiment (SAGE) [29], Upper Atmosphere Research Satellite (UARS) [30].
В наибольшей степени требованию репрезентативности удовлетворяют трехмерные модели общей циркуляции атмосферы с полным учетом химических превращений малых газовых примесей озоносферы и обратных связей между химическими, радиационными и динамическими процессами [30]. Подобные модели химии, динамики и радиации, учитывающие высотные, широтные и долготные изменения вычисляемых параметров, дают наиболее адекватную картину реальной атмосферы [31−33]. Однако уровень развития вычислительной техники не позволял до последнего времени достаточно полно учитывать в трехмерных моделях все многообразие важных для озоносферы химических реакций. В последнее время возможности вычислительной техники и накопленный опыт позволяют разрабатывать трехмерные модели газового состава озоносферы, вместо наиболее часто используемых в последние годы, двумерных моделей.
Однако, для полного учета всех химических превращений атмосферных газов, в той или иной степени влияющих на распределение озона, необходимо решать около 70 эволюционных трехмерных уравнений, учитывая порядка 150 химических реакций и фотодиссоциационных процессов. Подобные расчеты требуют больших объемов машинного времени и оперативной памяти даже на самых современных вычислительных машинах. В этой связи, для решения задач, требующих продолжительных расчетов на 2030 лет вперед по нескольким сценариям используются двумерные среднезональные модели, в которых незональные отклонения учитываются параметрически. Так, например, для оценок возможных последствий выбросов хлорфторуглеводородов на атмосферный озон, с учетом возможных вариантов сокращения выбросов в разные сроки и различными промышленными заменителями использующихся сегодня фреонов, необходимы расчеты до 2050 года по 10−15 сценариям [5,9]. Оценки возможного влияния самолетных выбросов, с учетом различных вариантов использования двигателей, топлива и высоты полетов, требуют расчетов до 2015 года по 15−20 сценариям [12].
Наибольшее распространение, как для диагностических, так и для прогностических исследований в последнее время получили двумерные модели химии, динамики и радиации [35−40]. В подобных моделях максимально полно учитываются все важнейшие химические и фотодиссоциационные процессы, которые могут явно или неявно повлиять на пространственно-временное распределение озона в земной атмосфере, а также их изменчивость по высоте и широте. При рассмотрении динамических и радиационных процессов в двумерных моделях применяется зональное осреднение по долготе, а незональные эффекты учитываются параметрически. Использование двумерных моделей для исследования естественных и антропогенных воздействий на озоновый слой позволяет учесть обратные связи между химическими, динамическими и радиационными процессами.
В двумерных моделях газового состава учитывается тот факт, что постоянная времени, связанная с переносом газовых примесей зональными ветрами, относительно мала — порядка нескольких суток [35]. В то же время, для основных малых атмосферных газов постоянная времени велика и влияние переноса зональными ветрами этих компонент таково, что их можно считать хорошо перемешанными в зональном направлении. При этом существующие незональные отклонения можно учесть при помощи вихревой, волновой теории [35,37]. В результате ее применения к атмосферным процессам, скорости ветра в вертикальном и меридиональном направлениях вычисляются из уравнений теплопроводности и неразрывности, а незональпые отклонения учитываются введением потоков крупномассштабной турбулентной диффузии, коэффициенты которой расчитываются по параметрам планетарных и гравитационных волн.
Вместе с тем, использование моделей различной размерности для решения сходных задач приводит к трудностям при сравнении результатов моделирования. Возникающие различия в результатах моделирования могут быть отнесены как к разной размерности используемых моделей, так и к различиям в используемых химических схемах и динамических параметрах. В настоящей работе предлагается подход комплексного использования моделей разной размерности с общими химическими схемами и параметрами атмосферного переноса. Использование комплекса моделей разной размерности позволяет в рамках единого математического аппарата охватить весь спектр используемых в мировом сообществе моделей озоносферы. Использование единых химических и радиационных блоков и связанных динамических полей позволяет решить одну из важнейших для мирового научного сообщества проблем — проблему согласованости моделей разной размерности. Этот подход позволяет отделить те различия в результатах моделирования, которые определяются разной размерностью от отличий, связанных с различными входными параметрами моделей разной размерности, что часто затрудняет сравнение результатов моделирования, полученных с использованием моделей разной размерности и оценку их точности.
При теоретическом моделировании пространственно-временного распределения озона и других атмосферных газовых составляющих необходимо корректно и обоснованно описывать взаимосвязь радиационных, химических и динамических процессов. При этом в связи с тем, что разработанные ранее модели озоносферы не смогли предсказать образование «озоновых дыр» [41], необходимо не только более глубоко изучать традиционно включаемые в теоретические модели процессы, но и исследовать другие физические и химические механизмы, которые ранее не включались в модели.
Интерпретация результатов натурных измерений и проведенные в последнее время лабораторные исследования показали потенциальную важность для озоносферы учета гетерогенных реакций на поверхности атмосферного аэрозоля [42−45]. Теоретические и экспериментальные исследования показывают, что одной из основных причин образования весенних озоновых дыр в Антарктике [41,46−48], а также наблюдаемого отрицательного тренда в общем содержании озона после мощных вулканических выбросов, являются гетерогенные процессы на поверхности полярных стратосферных облаков и сульфатном аэрозоле вулканического происхождения [14,15,49−50]. В этой связи, в последнее время, наряду с лабораторными исследованиями параметров протекающих в атмосферных условиях реакций на поверхности аэрозоля, делаются попытки включения гетерогенных реакций в имеющиеся и разрабатываемые двуи трехмерные модели озоносферы [31].
Скорости гетерогенных реакций прямо пропорциональны площади поверхности аэрозоля, а вероятность того, что при столкновении с аэрозольной частицей газовая молекула вступит в химическую реакцию на поверхности, зависит от химического состава аэрозоля и его фазового состояния [42,44,51]. В атмосфере, в условиях изменения температуры, влажности, содержания паров азотной и серной кислот происходит постоянное изменение размеров аэрозольных частиц, их химического состава и фазового состояния [52,53]. Для того чтобы учитывать изменчивость размеров и состава аэрозоля, в фотохимических моделях атмосферы необходимо рассматривать эволюцию свойств аэрозольных частиц в зависимости от окружающих условий. С этой целью в настоящей работе разработан блок учета гетерогенных процессов в фотохимических моделях атмосферы, учитывающий эволюцию стратосферного сульфатного аэрозоля, а также образование и изменчивость полярных стратосферных облаков различного типа.
В результате интенсивного изучения процессов в Антарктике с помощью натурных, лабораторных и теоретических исследований [41,46−48,54−57] ученые в целом пришли к согласию, что Антарктические «озоновые дыры» появляются в результате сочетания химических и динамических факторов. Основными процессами, приводящими к образованию озоновых аномалий в полярных районах, как считается, являются: длительно существующий циркумполярный вихрь, образование полярных стратосферных облаков при низких температурах и гетерогенные процессы хлорной и бромной активации на их поверхности, денитрификация полярной стратосферы и разрушение озона в галогенных каталитических циклах после возвращения солнца в условиях низкого содержания азотосодержащих • газов. При этом факторами, которые определяют межгодовые отличия в глубине и пространственном размере «озоновых дыр», являются меняющиеся температура, стабильность циркумполярного вихря, время и интенсивность разрушения циркумполярного вихря в результате весеннего потепления.
Вместе с тем, среди ученых не существует полного согласия в вопросе, какие факторы, химические или динамические, являются определяющими и в какой мере на образование «озоновых дыр» повлияли антропогенные выбросы хлорных и бромных газов. Некоторые исследования показали, что явления, подобные «озоновым дырам», могли проявляться и до индустриальной эры, когда содержание озоноразрушающих веществ в атмосфере резко возросло. При этом, как правило, сторонники определяющей роли естественных факторов полностью отвергают роль антропогенных и наоборот [5859]. Вместе с тем, на основании многочисленных исследований последнего времени можно сделать вывод, что полярные озоновые аномалии являются результатом комплексного влияния естествееных и антропогенных факторов. В этой связи актуальным становится вопрос об относительной роли различных химических и динамических процессов в наблюдаемой морфологии «озоновых дыр». В настоящей работе проведены анализ данных измерений и модельные эксперименты, позволяющие оценить роль различных факторов в формировании полярных особенностей распределения озона.
Основной причиной уменьшения содержания озона в средних широтах в последние годы считается хозяйственная деятельность человека, в частности промышленные и бытовые выбросы хлори бромсодержащих газов (фреонов и талонов) [5,9,60−65]. Результатом международных усилий по сокращению антропогенных выбросов фреонов и талонов в атмосферу, стала стабилизация хлорных и бромных газов в атмосфере в конце XX века [65]. Между тем, результаты многих исследований показывают, что естественные факторы также оказывают существенное влияние на долгопериодную изменчивость озона. В этой связи, при идентификации антропогенных изменений параметров озоносферы необходимо выделять естественные процессы, влияющие на тренды общего содержания озона, среди которых основными являются: а) Одиннадцатилетний цикл солнечной активности. Как теоретические исследования, так и результаты измерений показывают довольно значительную изменчивость ОСО между максимумами и минимумами солнечной активности [66,67]- б) Изменчивость содержания аэрозоля в стратосфере. Крупные вулканические извержения приводят к резкому, но кратковременному увеличению аэрозольного загрязнения, в результате чего содержание глобального озона уменьшается. Измерения параметров озоносферы после крупных вулканических извержений (Лгунг 1963, Эль Чичон 1982, Пинатубо 1991) показывают уменьшение ОСО до 6−7% [14,44,50]- в) Квази-двухлетние осциляции. Результаты наземных измерений в экваториальной зоне показали наличие подобных изменений общего содержания озона с 4−5% изменчивостью между максимальными значениями ОСО [16,65,68]- г) Явление Эль-Нино. Исследования тропических измерений ОСО показало 3−4% изменчивость, коррелирующую с индексом Южной Осциляции (Явлением Эль-Нино), который был максимальным в 1982;83 годах, что отчасти может объяснить уменьшение общего содержания озона в высоких широтах северного полушария в этот период [16,69]- д) Влияние полярных процессов на содержание озона в средних широтах. После разрушения циркумполярного вихря бедные озоном воздушные массы полярных районов перемешиваются со среднеширотным озоном, влияя тем самым на среднеглобальное содержание озона [65]- е) Изменение температуры стратосферы, которое может оказать влияние как на скорости химических и газофазных и гетерогенных реакций, так и на атмосферную циркуляцию [70].
Антропогенные воздействия на содержание атмосферного озона необходимо выделять на фоне его естественной изменчивости. Для этого при модельных экспериментах, нацеленных на количественные оценки роли человеческого влияния на озон, нужно уметь количественно описывать воздействие приведенных выше естественных факторов на озон в атмосфере. Достижение этой цели требует, во-первых, точного описания влияния динамических процессов на газовый состав озоносферы, а, во-вторых, основанных на правильном понимании параметризаций естественной изменчивости атмосферного озона. Для решения этой задачи в рамках настоящей работы, с одной стороны используется концепция рассмотрения динамики атмосферы в трехмерном приближении, даже при использовании двумерной модели газового состава, а, сдругой стороны — основанные на результатах последних натурных измерений и лабораторных исследованиях параметризации влияния солнечной активности и гетерогенных процессов на атмосферный озон.
Результаты ряда наблюдений последних лет обнаружили принципиально разное изменение содержания озона в северном и южном полушариях [63,65]. В северном полушарии общее содержание озона уменьшалось до середины 90х годов, а затем наблюдался процесс медленного восстановления содержания озона, что позволило сделать вывод об эффективности принятых международных соглашений по сокращению выбросов в атмосферу фреонов и талонов. Вместе с тем, в южном полушарии содержание озона продолжало уменьшаться и во второй половине 90х годов. При этом на фоне общего отрицательного тренда наблюдались колебания, хорошо коррелирующие с изменчивостью содержания озона в районе Антарктических озоновых аномалий («озоновых дыр») [64].
Эти результаты поставили на повестку дня ряд новых вопросов, связанных с трендами атмосферного озона [65]. Во-первых, вероятно, что роль естественных и антропогенных факторов различна в разных полушариях, что означает, что меры по сокращению фреонов и талонов могут оказаться недостаточными, если динамические и термические условия, подобные существующим в южном полушарии охватят большую часть Земного шара. Во-вторых, возможно, что влияние процессов в районе полярных озоновых аномалий оказывает на средние широты значительно большее влияние, чем это предполагалось до сих пор. В-третьих, очевидна сильная связь между изменениями температуры и озона, а т.к., как предполагается, последние изменения термического режима могут быть вызваны антропогенными воздействиями на содержание парниковых газов [71], эти воздействия для атмосферного озона могут быть не менее важными, чем содержание фреонов и талонов в атмосфере. В настоящей работе особое внимание уделено роли динамических процессов и изменения температуры в формировании наблюдаемой долгопериодной изменчивости озона.
Главной целью теоретических исследований наблюдаемых изменений окружающей среды является понимание особенностей процессов, движущих эти изменения, с тем, чтобы на базе этих знаний уметь прогнозировать вероятное изменение окружающей среды в будущем. Результаты прогностических расчетов будущего изменения озона показывают, что в ближайшие десятилентия в мировом масштабе следует ожидать процесса восстановления озона к уровню середины XX века, как результат сокращения промышленных и бытовых выбросов фреонов и талонов [65]. Вместе с тем, оценки скорости этого восстановления сильно разнятся в разных исследованиях [5,9,65]. Кроме того, возможные изменения термического режима атмосферы в результате влияния естественных и антропогенных факторов могут значительно повлиять на скорость восстановления озона. Наконец, возможные извержения вулканов и изменения солнечной активности в будущем могут также повлиять на тенденции изменчивости озона.
Другим важным фактором антропогенного влияния на озоновый слой являются выбросы высотных сверхзвуковых самолетов и продуктов сгорания топлива ракетно-космической техники [12,20,72]. Успехи в авиаконструировании и смежных областях позволили в настоящее время приступить к созданию экономически эффективных сверхзвуковых самолетов. Предполагается, что в середине наступившего столетия большинство дальних пассажирских рейсов будет осуществляться на сверхзвуковых самолетах, летающих на высотах 14−25 км, т. е. в том высотном диапазоне, где расположена большая часть защитного озонового слоя. В этой связи возникает задача проведения исследования влияния выбросов стратосферных самолетов на распределение озона.
Основываясь на необходимости проведения прогностических оценок будущего изменения озона, а также значительных неопределенностей в существующих на сегодняшний день оценках, в настоящей работе было проведено модельное исследование возможного влияния различных естественных и антропогенных факторов на содержание озона в атмосфере в первой половине XXI века. При этом рассматривались как изменение влияющих на озон факторов на основе предположений о выполнении или невыполнении международных. соглашений, так и возможное влияние термического режима, солнечной активности, вулканических выбросов и стратосферных самолетов на будущие озоновые тренды.
Основные цели диссертационной работы.
• Развитие теоретических представлений о физических и химических процессах, определяющих долгопериодную изменчивость атмосферного озона;
• Создание методологии учета трехмерных динамических процессов в двумерных моделях газового состава;
• Сравнение относительной роли различных естественных и антропогенных факторов в наблюдаемой изменчивости глобального озона;
• Оценка относительной роли динамических и химических процессов в формировании озоновых дыр в Антарктике;
• Прогноз возможного изменения глобального озона в первой половине XXI века.
Научная новизна работы заключается в разработке метода решения жесткой системы уравнений химической кинетики, применительно к озоносфере Землиметодики учета влияния трехмерных динамических процессов на среднезональные распределения озона и других малых газов атмосферыметода учета влияния суточных изменений маложивущих атмосферных газов на долгопериодную изменчивость долгоживущих газовметода учета процессов изменения размеров аэрозольных частиц в атмосфере, фазовых переходов между жидкими и твердыми частицами, гравитационного оседания аэрозольных частиц и их влияния на гетерогенные процессы в атмосфереметода учета влияния изменения солнечной активности на газовый состав атмосферы.
В диссертационной работе на защиту выносятся:
• Концепция использования моделей разной размерности с общим блоком химии и входными параметрами;
• Методика учета трехмерных процессов в двумерных моделях газового состава;
• Модель образования и эволюции полярных стратосферных облаков;
• Результаты моделирования процессов образования и развития озоновых дыр в Антарктике;
• Результаты оценок роли естественных и антропогенных факторов в наблюдаемой изменчивости атмосферного озона;
• Результаты моделирования по прогнозированию изменчивости содержания атмосферного озона в будущем.
Научная и практическая ценность работы заключается в том, что разработанный алгоритм решения жестких задач с учетом изменения их временных постоянных может быть использован для решения жестких задач в других областях науки. Метод одновременного использования фотохимических и динамических моделей разной размерности может быть использован для исследования влияния изменения содержания озона на климат и циркуляцию атмосферы. Результаты расчетов относительной роли естественных и антропогенных факторов в наблюдаемой изменчивости атмосферного озона могут быть учтены при принятии технических и политических решений о целесообразности прекращения использования в промышленности тех или иных веществ, могущих повлиять на состояние окружающей среды. Методика объективного сравнения результатов моделирования и измерений может быть использована для планирования экспериментов и для интерпретации результатов наблюдений. Методика вывода параметров среднезонального переноса из трехмерных полей ветра и температуры может использоваться для наглядной интерпретации результатов расчетов, полученных моделями общей циркуляции и оценки их качества.
Достоверность и обоснованность полученных в диссертации результатов определяется тем, что проведенный теоретический анализ и численное моделирование основаны на фундаментальных уравнениях гидрои термодинамики, химической кинетики, теории переноса излучения и физики атмосферы. Надежность полученных в диссертации выводов подтверждается также хорошим совпадением результатов модельных расчетов с результатами измерений и лабораторных исследований.
Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения и списка использованных источников.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
При выполнении настоящей диссертационной работы получены следующие основные результаты:
1. Разработана новая вычислительно эффективная методика совместного и одновременного использования моделей разной размерности для исследования долгопериодной изменчивости атмосферного озона. Отличительными особенностями данной методики являются применение трехмерной модели общей циркуляции атмосферы для оценки влияния атмосферного переноса на распределение малых газовых примесей и двумерной модели газового состава для исследования влияния фотохимических процессов на атмосферное содержание озона и влияющих на него газов.
2. Создан новый комплекс моделей газового состава атмосферы, включающий в себя алгоритм автоматического составления списка фотохимических реакций и оценки их скоростей, методику оценки скоростей каталитического разрушения озона в результате химического взаимодействия с водородными, азотными, хлорными и бромными газами, а также алгоритм учета влияния суточного хода маложивущих газов атмосферы на содержание и изменчивость долгоживущих газов. Для решения жесткой системы уравнений модельного комплекса разработан новый алгоритм решения жестких задач, основанный на разделении газов по их временным постоянным и переменных шагов по времени.
3. Разработана новая модель эволюции стратосферного аэрозоля и полярных стратосферных облаков. Основной особенностью модели является сочетание рассмотрения термодинамики, влияющей на изменение объема аэрозолей, фазовые переходы и изменение химического состава аэрозолей, в зависимости or температуры, влажности и содержания атмосферных растворимых газов, и микрофизики, определяющей распределение частиц по размерам и процессы их гравитационного осаждения. Образование и эволюция полярных стратосферных облаков разного типа рассматривались в зависимости от локальных термодинамических условий и температурной истории воздушных масс.
4. Исследованы динамические и химические факторы образования озоновых аномалий в полярных районах. Получены новые оценки относительного влияния различных факторов на «глубину» и продолжительность «озоновых дыр». Показано, что аналогичные наблюдаемым в последнее время, процессы сокращения количества озона в Антарктике могли наблюдаться и до резкого увеличения хлорных и бромных газов в атмосфере в результате сочетания интенсивности циркумполярного вихря и скорости весеннего потепления атмосферы. Как показали результаты модельных экспериментов, химические процессы, инициированные гетерогенными реакциями на полярных стратосферных облаках, также вносят существенный вклад в интенсивность проявления озоновых дыр, однако межгодовая изменчивость в глубине сокращения содержания озона и территории, охватываемой дырой, определяются динамическими процессами, такими как весеннее потепление и скорость разрушения циркумполярного вихря.
5. Выполнено исследование влияния естественных и антропогенных факторов на наблюдаемую долгопериодную изменчивость содержания озона в средних широтах земли. Получены новые оценки относительной роли антропогенного увеличения хлорных и бромных газов, вулканических выбросов аэрозоля, солнечной активности и динамических процессов в межгодовой изменчивости глобального озона в целом по земному шару, для северного и южного полушарий. По результатам модельных экспериментов выделены временные периоды, когда разные озоноформирующие факторы дополняют или компенсируют друг друга в плане влияния на изменчивость содержания озона. Показано, что наиболее значительные сокращения содержания озона (до 6% глобально) были вызваны вулканическими выбросами, в то время как остальные факторы, при разных фазах влияния, по отдельности оказывали воздействие до 2%. Получено, что качественно разная изменчивость содержания озона в северном и южном полушариях может объясняться влиянием низких полярных концентраций озона на его содержание в средних широтах. В южном полушарии, где внутри длительно существующего циркумполярного вихря образуются «озоновые дыры», после весеннего разрушения циркумполярного вихря перемешивание полярных воздушных масс со среднеширотными приводит к сокращению интегрального озона в большей степени, чем в северном полушарии, где циркумполярный вихрь менее выражен.
6. Получены новые прогностические оценки потенциальной изменчивости атмосферного озона в первой половине XXI века. Результаты моделирования показали, что скорость восстановления количества озона в будущем в значительной степени будет определяться изменением температуры стратосферы. Даже если в дальнейшем, по какой либо причине содержание хлора и брома не будет сокращаться, как предполагают прогнозы ВМО, а сохранят ся на современном уровне, но стратосфера будет продолжать охлаждаться, то содержание озона все равно быстро восстановится к уровню 80-х годов. Результаты модельных экспериментов показали, что вероятное антропогенное воздействие одновременно на содержание галогенных газов и на температуру в нижней стратосфере могут привести к частичной компенсации опасного воздействия фреонов на озоновый слой.
7. Получены новые оценки возможного воздействия высотных самолетов на стратосферный озон в будущем. Показано, что степень влияния самолетов на озон сильно зависит от высоты полетов. Увеличение высоты на 3−4 км, т. е в пределах одного-двух уровней высотной сетки модели, приводит к увеличению разрушения озона в 3−4 раза. Кроме того, показано значительное воздействие атмосферной динамики на продукты выбросов самолетных двигателей и последующее воздействие на озон.
Общий вывод работы заключается в том, что влияние естественных факторов и особенно атмосферной динамики на образование озоновых аномалий в полярных районах и долгопериодные тренды глобального содержания озона оказывается не менее значимым, чем антропогенное воздействие фреонов и талонов.
