CC BY
13
УДК 551.510
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ ВЕРТИКАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОЗОНА НАД МОСКВОЙ
С. В. Соломонов, Е. П. Кропоткина, С. Б. Розанов, А. Н. Игнатьев,
В. Н. Леонов, А. Н. Лукин
В результате регулярных наблюдений озонного слоя на миллиметровых волнах исследовано высотно-временное распределение содержания озона над Москвой. Рассмотрены особенности этого распределения в холодный период 2002 — 2003 гг. Обнаружено значительное влияние процессов в полярном стратосферном вихре на состояние озоносферы средних широт.
Атмосферный озон играет важную роль в излучении и поглощении электромагнитных волн, в атмосферной динамике, химии, тепловых процессах, в предохранении жизни от губительного биологически активного (УФ-Б) излучения Солнца [1]. Изучение закономерностей изменений вертикального распределения озона (ВРО) под влиянием факторов естественного и техногенного происхождения необходимо для решения задач физики атмосферы, экологии, при планировании экспериментов по изучению условий распространения радиоволн, для создания систем космической радиосвязи на миллиметровых (ММ) и субмиллиметровых (субММ) волнах и т.д. Вращательный спектр излучения озона богат сильными спектральными линиями, расположенными в радиодиапазоне на ММ и субММ волнах. Поэтому озон, наряду с водяным паром и кислородом, вносит основной вклад в спектры радиоизлучения и поглощения стратосферы. В качестве иллюстрации на рис. 1 представлен рассчитанный по методике [2] участок субмиллиметрового спектра теплового излучения атмосферы в численном эксперименте лимбового зондирования при наблюдении из космоса. При расчете учтены спектры Оз, 02, Н20, СЮ, N20, NО, СО. Все спектральные линии на рис. 1, за исключением отмеченных, принадлежат вращательному спектру атмосферного озона. Спектроскопические параметры для этих молекул взяты из атласа Н1Т11АМ [3]. Вертикальные распределения этих газов были заданы в соответствии с данными [1, 4]. Спектральные линии излучения стратосферного озона можно наблюдать и с поверхности Земли в так называемых
окнах прозрачности атмосферы. На рис. 2 представлены результаты расчета по методике [2] спектра излучения атмосферы при наблюдении с поверхности Земли в зенит в диапазоне частот 15-350 ГГц. Как видно из рис. 2, между сильными линиями кислорода и водяного пара имеются окна прозрачности атмосферы, в которых расположены спектральные линии озона и других малых газовых составляющих стратосферы. В ФИАН проводятся многолетние регулярные наблюдения (мониторинг) атмосферного озона с поверхности Земли на частотах сильной спектральной линии с центром на 142.175 ГГц, соответствующей переходу 10о,ю — Юх^. Методика восстановления вертикального профиля содержания озона из измеренной спектральной линии изложена в [5].
'о.
и
'Р
'3
В
ПхЮ"4 "
1x10° "
о К
Т-1-г
600 620 Частота, Ггц
Рис. 1. Спектр излучения атмосферы в субмиллиметровой области от 500 до 640 ГГц при наблюдении из космоса вдоль луча зрения с тангенциальной высотой 40 км над горизонтом.
Выполненные ранее в ФИАН наблюдения показали [6], что наиболее значительные изменения в озонном слое средних широт происходят в холодное полугодие, в услови ях активизации процессов атмосферной динамики, в период развития стратосферного полярного вихря (циркумполярного циклона). Стратосфера над Москвой оказывается в сфере влияния этого вихря. Известно, что в изолированной от внешней атмосферы центральной области полярного вихря (ниже для краткости эту область будем назь; вать "полярным вихрем") происходит разрушение озона (см., например, [7]). Важной
О 50 100 150 200 250 300 350
Частота, Ггц
Рис. 2. Спектр излучения атмосферы при наземном наблюдении в зенит в диапазоне 15—350 ГГц. Кривые 1 и 2 - пониженная и средняя влажность тропосферы соответственно.
является проблема влияния физических и химических процессов в полярном вихре на озоносферу средних широт в условиях возрастающих техногенных нагрузок на атмосферу. Значительная изменчивость динамических атмосферных процессов усложняет решение этой проблемы. Многолетние регулярные наблюдения озонного слоя над Мо сковским регионом на ММ волнах производились при различных состояниях зимнее стратосферы. Например, холодное полугодие 1996-1997 гг. характеризовалось необычайно устойчивым полярным вихрем, сохранявшемся до начала мая 1997 г. В то же время полярный вихрь в холодный период 2002-2003 гг. был менее устойчивым, часто смещался к Европе и завершил свое существование почти на месяц раньше (по сравнению с ситуацией весной 1997 г.). Отличия в характере атмосферных процессов в указанные периоды отразилась и на особенностях ВРО над Москвой, которые рассмотрены ниже. Происходившие в период 2002-2003 гг. перемещения полярного вихря приводили к неоднократному появлению воздуха его центральной области в стратосфере над Москвой, что позволило наблюдать на ММ волнах вертикальное распределение озона при разных атмосферных условиях: вне, на краю и внутри центральной области полярного
275 305 335 365 30 60 90 120 Дни Октябрь Ноябрь Декабрь Январь Февраль Март Апрель Май 2002-2003гг.
Рис. 3. Высотно-временное распределение озона над Москвой в холодное полугодие 2002 -2003 гг. Изолиниями показаны уровни равного содержания озона в единицах отношения смеси до-6;.
вихря. При анализе наблюдений ВРО на ММ волнах были использованы данные аэрологического зондирования с информацией о пространственно-временном распределении температуры, давления, высот геопотенциальных поверхностей в стратосфере, полу ченных в отечественных и зарубежных обсерваториях (ЦАО, Гидрометцентр, ЕСМ \\1 [8]). Использовались также данные о потенциальной завихренности (РУ), которая, как известно, является адиабатическим инвариантом [1], удобным для анализа атмосферных движений, для определения границ центральной области полярного вихря. На рис. 3 представлено высотно-временное распределение озона (ВРО) над Москвой в холод иск1 полугодие 2002-2003 гг. Изолиниями показаны уровни равного содержания озона в принятых в литературе единицах отношения смеси - в миллионных долях по объему (ррт, или Ю-6) [1, 4]. На этом рисунке хорошо видны значительные вариации содержания озона в области высот между 25 и 45 км, где расположен максимум относительного
солепжания очпня
■ 1 1 -----
Полярный вихрь сформировался в первой половине осени 2002 г. [8]. Для иллю страции влияния этого вихря на озоносферу ниже представлены результаты наблюде-
ний содержания озона на высоте 30 км. Эта высота принадлежит указанной области высот, где наблюдаются большие изменения озона, и вместе с тем она является пре дельной высотой, на. которой производится аэрологическое зондирование с помощью шаров-радиозондов, данные которого используются при анализе результатов наблюдений на ММ волнах. В начале ноября 2002 г. перемещение воздуха полярного вихря к средним широтам Европейской части России сопровождалось понижением содержания озона над Москвой, которое на 30 км составило от 5 • 10_6 в конце октября 2002 г., до 3.5 • Ю-6 4-6 ноября 2002 г. (при 5.6 • 10~~6 по данным справочной модели озоносферы [4] для ноября и широтного круга Москвы). Погрешность представленных здесь и ниже значений содержания озона не превышает 5-7%. Дальнейшие колебания в вертикальном распределении озона были вызваны перемещениями полярного вихря. Во второй половине ноября произошло кратковременное увеличение содержания озона до 5.5 • 10-в на 30 км 25 ноября 2002 г. В этот период стратосфера над Москвой оказалась на краю полярного вихря. В декабре стратосфера над Москвой продолжала испытывать влияние глубокого полярного вихря, проявившееся в значительном понижении содержания озона (рис. 3). В первых числах января над Москвой сохранялось пониженное содер жание озона, связанное с присутствием воздуха полярного вихря. При удалении вихря от Москвы с 6 по 9 января 2003 г. содержание озона выросло, достигнув 6 • 10"6 на 30 км 8 января и затем, между 12 и 18 января, вновь снизилось при появлении воздуха вихря над Москвой. Б январе 2003 г. произошла сильная деформация полярного вихря, который 19 января распался на две части. На карте барической топографи;: стратосферы северного полушария возникли четыре крупномасштабных барических образования: две области высокого давления и две области низкого давления. В этот период стратосфера над Москвой оказалась вне вихря, появился теплый воздух, тем пература стратосферы выросла на 40 К, а содержание озона на 30 км в этот период увеличилось с 3.5 • 10~6 до 8 • Ю-6. Сложилась ситуация, типичная для стратосферного потепления. После 21 января обе части полярного вихря соединились в единое барическое образование вытянутой формы. В качестве примера изменения влияния полярного
стратосферного вихря на озоносферу средних широт на рис. 4 показаны последователь-
•
но зарегистрированные вертикальные распределения содержания озона над Москвой по
\
мере удаления полярного вихря 17, 22 и 24 января 2003 г.
В первой половине февраля 2003 г. продолжалась значительная деформация поляр ного вихря, сопровождавшаяся его быстрым перемещением. Луч зрения спектрорадио метра, сделал поперечный "разрез" полярного вихря. При этом содержание озона умень-
Рис. 4. Вертикальные распределения содержания озона над Москвой 17, 22 и 24 января 2003 г.
шилось на 30 км от 7.2 • 10_6 вне вихря до 4.5 • 10_6 внутри вихря. После развала вихря на две части, начавшегося 15 февраля, стратосфера над Москвой оказалась вне вихря, а содержание озона над Московским регионом заметно выросло, достигнув 8 • Ю-6 на 30 км 23 и 24 февраля. К этому же времени обе части полярного вихря соединились в единый вихрь.
В марте 2003 г. при перемещении воздуха центральной области полярного вихря со держание озона на 30 км над Москвой изменялось от 5.7-10-6 внутри вихря до 7-10-6 вн< вихря. До середины апреля стратосфера над Москвой находилась вне полярного вихря. В начале апреля 2003 г. под влиянием области высокого давления, приблизившейся к Московскому региону с юга, произошло увеличение содержания озона над Москвой, пре высившее 8 • 10_6 на 30 км. Полярный вихрь вновь распался на две части 16-18 апреля и постепенно разрушился к концу этого месяца. Остатки вихря появились над Москвой в середине апреля, вызвав некоторое уменьшение содержания озона до (6 — 6.5) • 10~6 на 30 км 16-20 апреля. В последующий после весенней перестройки теплый период 2003 г вертикальное распределение озона приблизилось к ожидаемому из справочной модели [4].
Анализ результатов наблюдений показал, что минимальное содержание озона было
зарегистрировано внутри центральной части полярного вихря, а максимальное - вне вихря. При этом минимальное зарегистрированное содержание озона на 30 км внутри вихря составляло 2.5 • Ю-6 в декабре 2002 г., 3.5 • Ю-6 в январе, 4.5 • Ю-6 в феврале, 5.7 • 10~6 в марте 2003 г.
Полученные данные свидетельствуют о постепенном увеличении содержания озона внутри полярного вихря. Это увеличение может быть вызвано обменом воздуха (пере мешиванием) между центральной частью вихря и атмосферой вне ее, в которой содер жание озона заметно выше. Действительно, диапазон изменений содержания озона на 30 км вне и внутри вихря в ноябре и декабре 2002 г. составил от 2.5 • Ю-6 до 5.5 ■ Ю-6, в январе от 3.5 ■ Ю-6 до 8.0 • Ю-6, в феврале от 4.5 ■ Ю-6 до 8.0 • 10~6 и в марте 2003 г. от 5.7 ■ 10_6 до 7.2 • 10~6. Перемешивание воздуха стратосферы можно проследить на ежедневных картах потенциальной завихренности на уровне потенциальной температуры 600 К (высота около 25 км), картах температуры и геопотенциальной высоты [8] для средней стратосферы в рассматриваемый период. На них хорошо видно развитие полярного вихря, сопровождающееся выносом из его края холодного воздуха с относительно высокими значениями РУ и (по данным наблюдений на ММ волнах) низким содержанием озона. На этих картах наблюдаются также направленные к центрально!! части вихря "языки" поступающего из более низких широт теплого воздуха, с низкими значениями РУ и высоким содержанием озона (по данным наблюдений в ФИАН).
Холодный период 2002-2003 гг., как показано выше, характеризовался продолжительными многократными смещениями центра полярного вихря к Европе. Этой особенностью рассмотренный период заметно отличался от упомянутого выше холодного полугодия 1996-1997 гг. В течение продолжительного времени с конца декабря 1996 г. до двадцатых чисел апреля 1997 г. центр вихря располагался в полярной области с относительно небольшими смещениями от полюса, за исключением кратковременного перемещения в сторону Европейской территории России в конце января 1997 г., когда внутри полярного вихря на 30 км в стратосфере над Москвой было зарегистрировано [9] содержание озона, равное 3.5 • Ю-6. Холодный период 1996-1997 гг., конец которого, как и обычно, связан с разрушением полярного вихря и весенней перестройкой циркуляции, завершился довольно поздно - в мае 1997 г. Незадолго до разрушения полярного вихря его центральная область переместилась из полярных широт в стратосферу над Москвой, что позволило измерить содержание озона в ней дистанционными методами на ММ волнах [9]. Как оказалось, содержание озона на 30 км над Москвой в центре вихря в тот период составило около 4.5 • 10~6 (при среднемесячном значении 6.9 ■ 10~6 по
данным справочной модели [4] для мая). Это содержание заметно ниже отношения смеси озона, равного 5.7- Ю-6, зарегистрированного в центре вихря 19 марта 2003 г., т.е в конце холодного периода 2002-2003 гг. Из этого сопоставления значений содержания озона внутри вихря в конце указанных холодных периодов можно сделать вывод, что изолированность полярного вихря была выше в холодное полугодие 1996-1997 гг. по сравнению с ситуацией в 2002-2003 гг. По-видимому, частое перемещение полярного вихря и более интенсивное перемешивание воздуха стратосферы в 2002-2003 гг. (по сравнению с периодом 1996-1997 гг.) привело к более заметному увеличению содержания озона внутри полярного вихря к концу холодного периода 2002-2003 гг.
Дни 1997 года
Рис. 5. Колебания содержания озона на 30 км над Москвой в феврале-марте 1997 г. Точки эксперимент, сплошная линия - аппроксимация содержания озона на 30 км за исследуемый период пятью первыми гармониками разложения в ряд Фурье.
Интересно отметить, что даже относительно небольшие перемещения полярного вихря в рассмотренный период 1996-1997 гг. вызвали колебания содержания озона над Москвой, пример которых на 30 км представлен на рис. 5. СпектральнЦй анализ этих колебаний выявил основную гармонику Фурье разложения с периодом около 14 дней, что характерно для планетарной волны [1].
Таким образом, результаты наблюдений озоносферы на ММ волнах свидетельствуют о значительном влиянии динамических процессов в стратосфере на пространственно
временное распределение озона, на состояние озоносферы над Московским регионом. Полученные результаты подтверждают известную концепцию истощения озонного слоя внутри полярного стратосферного вихря и последующего перемешивания воздуха вихря с воздухом средних широт [7]. Установленное влияние атмосферных процессов на вертикальное распределение содержания озона необходимо учитывать при решении перечисленных выше задач.
Авторы благодарны чл.-корр. РАН И.И. Собедьману за внимание и поддержку работы.
Работа поддержана грантами РФФИ N 03-02-17436, "Ведущие научные школы" НШ-1254.2003.2, ФЦП "Интеграция", ФЦНТП, а также по программе фундаментальных исследований ОФН РАН "Проблемы радиофизики".
ЛИТЕРАТУРА
[1] Б р а с ь е Г., Соломон С. Аэрономия средней атмосферы. JL, Гидроме-теоиздат, 1987 г.
[2] Кропоткина Е. П., Соломонов С. В. Исследования Земли из космоса, N 1, 81 (1988).
[3] R о t h ш a n L. S., R i s 1 a n d С. P., Goldman A., et al. J. Quant. Spectrosc. Radiative Transfer, 60, No. 5, 665 (1998).
[4] Keating G. M., С hi ou L. S., and Hsu N. C. Adv. Space Res., 18, No. 9/10, 11 (1996).
[5] Г a й к о в и ч К. П., Кропоткина Е. П., Соломонов С. В. Изв. АН. Физика атмосферы и океана, 35, N 1, 86 (1999).
[6] С о л о м о н о в С. В. Успехи современной радиоэлектроники. N 1,9 (2003).
[7] S t а е h е 1 i n J., Harris N. R., Appenzeller С. and Eberhard J. Rev. Geophys., 39, No. 2, 231 (2001).
[8] ECMWF Analyses - Arctic Polar Vortex. http: // www.ecmwf. i nt ; http://www.pa.op.dir.de/arctic
[9] С о л о m о h о в С. В., Кропоткина Е. П., Лукин А. Н.,
à
Розанов С. Б. Краткие сообщения по физике ФИАН, N 1, 23 (1998).
Поступила в редакцию 9 декабря 2003 г.
