Озонометры физического института для мониторинга озонного слоя

Созданные в ФИАН озонометрические комплексы регистрируют спектр теплового излучения озона в диапазоне миллиметровых радиоволн (ММ) и обеспечивают непрерывные круглосуточные наблюдения вертикального профиля концентрации озона в труднодоступных слоях стратосферы и мезосферы на высотах примерно от 15-20 до 80 км при различных погодных условиях, в том числе в отсутствие оптической видимости при сплошной облачности. Этот наземный метод мониторинга озонного слоя является абсолютно экологически чистым, не связан с воздействием на озонный слой и с загрязнением атмосферы, как это происходит при измерениях озона с борта ракет или самолетов, и по сравнению с бортовыми методами не требует больших материальных затрат на его проведение. Отличительные особенности дистанционного зондирования озоносферы на радиоволнах делают этот метод исключительно эффективным средством наземного мониторинга озонного слоя, особенно в условиях крупных городов.

Идея метода состоит в следующем. Регистрируется тепловое радиоизлучение молекул озона на частотах одной из спектральных линий вращательного спектра с центром на частоте 142,2 ГГц (длина волны около 2 мм), расположенной в окне прозрачности атмосферы. В излучение дают вклад слои стратосферы на разных высотах с различной плотностью и различной концентрацией молекул озона. В миллиметровом спектре ширина линий определяется столкновениями молекул, то есть пропорционально плотности. Поэтому результирующий контур спектральной линии несет информацию о вертикальном распределении молекул озона. Для регистрации этой линии (пример измеренного спектра озона на рис.2) необходима приемная аппаратура высокой чувствительности и высокого спектрального разрешения, что реализовано в озонометре ФИАН. На рис.3 представлен пример восстановленного профиля озона, соответствующего спектральной линии на рис.2. Для восстановления вертикального профиля озона из измеренного спектра (обратная задача) применяются известные математические методы. Погрешности при восстановлении отдельного профиля озона не превышают 10%.

ОЗОННЫЙ СЛОЙ НАД МОСКВОЙ

Фотохимическая теория формирования озонного слоя, создаваемые численные модели, основанные на всей совокупности современных представлений о химии и динамике атмосферы, накапливаемые экспериментальные данные позволяют составить все более надежную картину глобального состояния стратосферного озонного слоя и его эволюции в ближайшем будущем. К сожалению, специфика высотно-временного распределения озона над конкретными регионами умеренных широт Северного полушария, в том числе над Москвой и Московской областью, изучена хуже.

Проводимые в ФИАН в течение последних лет систематические наблюдения позволяют выявить ряд характерных особенностей влияния динамики и химии атмосферы на изменчивость озонного слоя над московским регионом. Эти результаты проанализированы и для удобства изложения сопоставлены с известной моделью озоносферы, построенной Г.Китингом (среднемесячные вертикальные распределения озона для данного широтного пояса), и с данными аэрологического зондирования, любезно предоставленными Центральной аэрологической обсерваторией и Гидрометцентром Роскомгидромета. Оказалось, что вертикальный профиль содержания озона над московским регионом весьма чувствителен к происходящим в стратосфере физико-химическим процессам. В зависимости от особенностей этих процессов профиль озона в отдельные периоды может иметь устойчивые состояния с повышенными, пониженными или близкими к средним значениями содержания озона, а в другие периоды проявляет значительную изменчивость под их воздействием.

Проиллюстрируем это примерами. Начнем со случая спокойного, или, как называют его метеорологи, маловозмущенного состояния стратосферы. На рис.4 представлены примеры измеренных на ММ волнах в ФИАН вертикальных профилей содержания озона в спокойных условиях в стратосфере. При этом вертикальное распределение озона оказывается близким к среднему значению и не испытывает заметных изменений с течением времени (мы ограничимся иллюстрацией вариаций атмосферного озона, измеренного в дневное время на высотах ниже 60-65 км, где сосредоточен основной слой озона). Такое состояние озоносферы довольно часто наблюдается в теплое полугодие, а также и в зимний период, когда центр полярного стратосферного вихря располагается над районом Северного полюса и стратосфера над пунктом наблюдения находится в сфере действия этого вихря.

Вместе с тем в ряде случаев над московским регионом наблюдается устойчивое истощенное состояние озоносферы. В качестве примера на рис.5 представлены профили вертикального распределения озона над Москвой, зарегистрированные 26 января и 14 февраля 1996 года. Подобное явление наблюдалось и раньше, например, в январе 1989 года. Примеры вертикального распределения содержания озона, зарегистрированные в ФИАН в январе 1989 г., представлены на рис.6а (кривые 1,2,3). Такое истощенное состояние озонного слоя наблюдается в случаях, когда полярный вихрь, в сфере действия которого находится стратосфера над Москвой, оказывается устойчивым и долгоживущим, в нем сильно падает давление (глубокий циркумполярный циклон с низким значением геопотенциала) и возникают очень низкие температуры (до -80оС и ниже). В этом случае происходящие в вихре атмосферные процессы (возможно образование полярных стратосферных облаков, интенсивное освобождение активного хлора и др.) приводят к эффекту истощения озонного слоя. Возвращаясь к зиме 1989 г., необходимо отметить, что устойчивое уменьшение озона в январе совпало с сильным понижением температуры в стратосфере. Например, температура воздуха на уровне 10 мбар (высота около 30 км) над московским регионом опускалась ниже -75оС в начале января и ниже -80оС в конце января 1989 г. Следует отметить, что это явление утоньшения озонного слоя над московским регионом охватывало и соседние регионы. Известно, что в последних числах января 1989 г. в озонном слое возникла "мини-дыра" с центром над Скандинавским полуостровом.

Очень интересные результаты получены при наблюдениях откликов озонного слоя на сильные возмущения во время так называемых внезапных стратосферных потеплений - явлений, при которых происходит сильный разогрев слоев стратосферы.

В этот период в зависимости от стадии развития потепления зарегистрированы различные по длительности и амплитуде изменения озонного слоя. Как показали измерения в ФИАН, в результате развития стратосферного потепления над московским регионом образуется устойчивый озонный слой с повышенным содержанием озона. При этом содержание озона характеризуется малой изменчивостью ото дня ко дню. Например, такая ситуация была зарегистрирована ФИАН при наблюдениях с 10 по 16 февраля 1987 г. и с 6 по 8 марта 1989 г. (пример на рис.6б, кривая 2). Этим периодам наблюдения соответствовала последняя стадия развития стратосферных потеплений, когда завершился процесс интенсивного межширотного обмена воздушных масс и поле геопотенциала над Европой на уровне 10 мбар характеризовалось малым градиентом. Необходимо отметить, что изменения стратосферного озона в результате описанных процессов охватывают огромные пространства. Так, например, обнаруженное над московским регионом в период с середины февраля по март 1989 г. увеличение содержания озона отмечалось также над Скандинавским полуостровом и Шпицбергеном. Причем над Швецией повышенное содержание озона в слое 25-37 км было зарегистрировано при наблюдениях на ММ волнах в Космической обсерватории Онсала 6 марта 1989 г.

Повышенное содержание озона в слое 27-37 км над московским регионом было зарегистрировано также во второй половине февраля 1990 г. (пример на рис.6б, кривые 1 и 4) при проведении в ФИАН наблюдений по международной программе DYANA. В это время завершалось стратосферное потепление, воздействие которого на озонный слой зарегистрировано было также над большой территорией - не только над московским регионом, но также и над Швецией.

Совершенно неожиданным эффектом явилось обнаруженные на миллиметровых волнах явления быстрых изменений содержания озона, которые были зарегистрированы в ФИАН также во время стратосферных потеплений в марте 1988 г. и в феврале 1990 г. Например, резкое увеличение содержания озона примерно до 2 раз в слое 27-37 км произошло в первую половину суток 6 марта 1988 г., после чего во второй половине этого же дня было зарегистрировано быстрое (за 1 час) уменьшение содержания озона примерно в 1,5 раза. Как показывают исследования динамики стратосферы, в холодные периоды года происходит обмен воздушными массами, охватывающий высокие, средние и низкие широты. При этом в средних широтах в зависимости от той или иной атмосферной ситуации может оказаться воздух из полярного вихря либо из низких широт.

Как показывают наши наблюдения, такая ситуация могла сложиться над Москвой 4-8 марта 1988 года, когда во время стратосферного потепления над московским регионом наблюдалось относительно быстрое чередование бедного озоном (возможно, обработанного химией хлора) воздуха полярного вихря и на этом фоне резко контрастировал богатый озоном воздух, поступивший из более низких широт и обнаруженный нами над московским регионом 6 марта 1988 г.

Быстропротекающие изменения в озонном слое обнаружены также 18 февраля 1990 г. (рис.6б, кривые 3,4). Таким образом, представленная картина вертикального и временного распределения озона в стратосфере свидетельствует об изменчивости этой малой газовой составляющей под влиянием атмосферных процессов в холодное полугодие, во время стратосферных потеплений. При этом изменения в вертикальном профиле озона выше 30 км нередко совпадали с изменениями общего содержания озона.

Важной особенностью дистанционного радиозондирования озонного слоя на ММ волнах является то, что этот метод позволяет получать непрерывную во времени яркую картину откликов озоносферы на происходящие атмосферные процессы. В качестве примера на рис.7 показано высотно-временное распределение содержания озона над Москвой в холодный период 1996 года. На этом рисунке обращает на себя внимание чередование областей, обозначенных теплыми и холодными тонами. Эти области имеют четкие границы и характеризуют различные состояния озонного слоя над Москвой с нормальным или пониженным содержанием озона (чередование теплых и холодных тонов на рис.7).

Как следует из результатов наблюдений (рис.7 и 8), характерной отличительной особенностью состояния озоносферы зимой 1996 г. явилось устойчивое истощение озонного слоя в течение относительно продолжительных периодов. Действительно, представленное на рис.7 содержание озона над Москвой на высоте 35 км, т.е. вблизи максимума отношения смеси, характеризовалось пониженными его значениями в течение всего января и в отдельные периоды февраля и марта. Причем содержание озона на высотах 30-45 км в эти периоды уменьшалось до 40-45% по сравнению со средними значениями (рис.5, 7, 8). Этот эффект также связан с влиянием устойчивого полярного вихря с очень низкими значениями температуры в стратосфере. Однако в начале февраля область высокого давления (стратосферный антициклон) с центром над Средиземным морем переместилась в более высокие широты и охватила стратосферу над Москвой. Благодаря этому в стратосфере над Москвой возросло давление (геопотенциальная высота уровня 10 мбар выросла на 2 км с 28,9 до 30,9 км), появились теплые воздушные массы с повышенным содержанием озона (рис.7, 8).

Важно отметить, что эти изменения озона обнаружены практически одновременно и в общем содержании и в вертикальном распределении содержания озона, но на вертикальном распределении на высотах 30-40 км они проявляются более сильно.

Затем антициклон переместился в обратном направлении к низким широтам. Его влияние на процессы в стратосфере над Москвой уменьшилось, геопотенциальная высота уровня 10 мбар опять уменьшилась и достигла 29,6 км. Озоносфера над Москвой опять вплоть до 20 февраля контролировалась процессами в полярном вихре. Над Москвой снова оказались воздушные массы с пониженным содержанием озона (рис.7,8).

В двадцатых числах февраля 1996 г. в стратосфере возникло возмущение, связанное с активизацией Алеутского антициклона, в результате которого геопотенциальная высота уровня 10 мбар над Москвой медленно стала расти и к концу февраля достигла 30,3 км. Эти процессы сопровождались увеличением содержания озона над Москвой до близких к среднему значений (рис.8).

В начале марта 1996 г. понижение озона над Москвой связано с тем, что полярный вихрь, воздух которого имеет пониженное содержанием озона, переместился в сторону Москвы. Дальнейшие изменения в динамике стратосферы Северного полушария привели к наблюдаемым изменениям..

Список литературы

И.И. Собельман, доктор физико-математических наук. С.В. Соломонов, кандидат физико-математических наук. Озонный слой над Москвой. Результаты зондирования на миллиметровых радиоволнах.