Исследование связи распределения озона и других газовых примесей с волновыми процессами в атмосфере

Исследование атмосферных примесей связано с широким крутом проблем, касающихся, в частности, изучения химического состава атмосферного воздуха, радиационных и климатических эффектов, динамики и общей циркуляции атмосферы. Особенно актуальной задача изучения малых газовых примесей стала в связи с проблемой антропогенного загрязнения атмосферы. Ключевым элементом в этой задаче является озон, что обусловлено лучшей его изученностью по сравнению с другими примесями, сравнительной простотой и точностью его измерения, а также его химической активностью и той важной ролью, которую озон играет в радиационных и динамических процессах атмосферы.

Озон, в разных количествах образующийся в различных областях атмосферы, перераспределяется ее воздушными течениями. Не принимая во внимание циркуляцию атмосферы, нельзя объяснить особенности пространственного и временного поведения озона и связанных с ним примесей. О том, что озон может быть использован в качестве трассера воздушных течений, известно уже давно. Однако на практике это его свойство до настоящего времени реализуется недостаточно эффективно. Основная сложность такого его использования состоит в том, что озон является фотохимически активной примесью. Его перенос сопровождается фотохимическим взаимодействием с другими составляющими атмосферы, и связанные с этим его изменения необходимо учитывать. Сделать это в общем виде практически пока невозможно из-за неопределенности многих факторов и коэффициентов реакций. Лучший возможный путь использования озона /и других атмосферных примесей/ для целей изучения динамики атмосферы состоит в отборе таких ситуаций и процессов, в которых фотохимия играет второстепенную роль и может быть довольно корректно описана на основе известных фотохимических связей. В связи с этим задача исследования влияния волновых процессов на распределение примесей в атмосфере особенно привлекательна по следующим причинам.

— Волны различной природы составляют крупный класс атмосферных движений и интенсивно изучаются современной физикой атмосферы. Особенно большое внимание уделяется в последнее время исследованию орографических эффектов в атмосфере и, в частности, горным волнам. Об этом свидетельствует проведение в 1982 г. исследований влияния Альпийских гор на циркуляцию атмосферы по международной программе АЛЬПЭКС.

— Волны — один из наиболее простых типов движения. Изучая механизмы их влияния на атмосферные примеси, можно лучше понять поведение примесей в более сложных процессах.

— Волны оказывают воздействие на перераспределение примесей. Найдя соотношение между распределением примесей и волновыми процессами, можно последние изучать по результатам наблюдения примесей в волнах.

— Волны обладают широким спектром пространственных и временных масштабов. Наблюдая поведение примесей в волнах с различными параметрами, можно проводить экспериментальную проверку фотохимических теорий.

Для задач метеорологии наибольший интерес представляет изучение мезомасштабных — внутренних гравитационных волн /ВГВ/, в частности, подветренных волн, — и крупномасштабных волн типа волн Рос-сби-Блиновой — основных энергонесущих мод, возбуждаемых в атмосфере. Целью настоящей работы является:

I. Построение одномерной фотохимической /Ш/ модели атмосферы и проверка ее эффективности на основе расчета изменения содержания атмосферных примесей во время солнечного затмения с последующим сопоставлением результатов расчета с данными наблюдений.

2. Моделирование влияния мезомасштабных волновых процессов /ВГВ и, в том числе, горных подветренных волн/ на содержание малых газовых примесей в атмосфере.

3. Разработка нового метода исследования горных подветренных волн, основанного на измерении содержания атмосферных примесей и применение этого метода для восстановления картины обтекания Ге-гамского хребта.

4. Исследование переноса общего содержания озона /0С0/ в планетарных волнах с помощью двумерной бароклинной модели атмосферы и рассмотрение в рамках этой модели возможности влияния озонного нагревания на динамику планетарных волн.

100 ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Мы рассмотрели основные типы волновых движений в атмосфере, имеющих значение для метеорологии, и их роль в формировании ме-зомасштабного и крупномасштабного поля озона. Главным методом теоретического исследования был метод моделирования с использованием как фотохимических, так и аналитических моделей. Ряд теоретических результатов уже подтвержден экспериментально. Это изменезатмения, распределение озона в области прохождения ВГВ и, в особенности, в области горных подветренных волн. Другие теоретические выводы еще ждут экспериментальной проверки. К ним относится вопрос об изменении общего содержания примесей в области гравитационных волн /как движущихся ВГВ, так и стационарных подветренных/ и вопрос о возможности влияния крупномасштабного поля озона на динамику крупномасштабных волн посредством радиационного нагревания атмосферы в слое озона.

Подведем итоги диссертационной работы.

1. Построена одномерная ФХ модель атмосферы, включающая, НС у и N0% химические циклы и предназначенная для исследования быстрых процессов в атмосфере, в том числе волновых.

2. В целях проверки эффективности модели сделан расчет изменения содержания атмосферных примесей в стратосфере во время солнечного затмения. Сопоставление с результатами наблюдения общего содержания озона и во время солнечного затмения 31 июля 1981 г. выявило хорошее соответствие между расчетными и экспериментальными данными.

3. Впервые теоретически исследован вопрос о влиянии горных подветренных волн на концентрацию и общее содержание атмосферных примесей и с помощью ФХ модели получены количественные оценки этого влияния. Показано, что горные подветренные волны могут цриние некоторых атмосферных примесей во время солнечного водить к периодическим по пространству /волновым/ изменениям концентрации атмосферных примесей. Эти изменения могут быть измерены.

4. На основе аналитических и модельных расчетов разработан новый метод восстановления вертикальных смещений воздуха в области горных подветренных волн, основанный на измерении с самолета концентрации примесей и температуры.

5. Проведены первые самолетные измерения концентрации озона в области подветренных волн над Гегамским хребтом и несколькими хребтами в Средней Азии. В ряде случаев с использованием нового метода восстановлена картина обтекания Гегамского хребта и определены некоторые параметры подветренных волн. Проведена классификация наблюдавшихся типов обтекания Гегамского хребта.

6. С помощью ФХ модели впервые сделана оценка ФХ воздействия ВГВ на содержание малых примесей в стратосфере, которая говорит о том, что прохождение ВГВ может отражаться на распределении как концентрации, так и общего содержания примесей.

7. Получены первые результаты измерений концентрации озона в области прохождения ВГВ, свидетельствующие о том, что измерения концентрации примесей можно привлекать для изучения ВГВ.

8. Построена двумерная бароклинная модель атмосферы, описывающая взаимодействие крупномасштабных полей гидротермодинамических величин с крупномасштабным полем озона. В рамках этой модели исI следованы волновые движения типа волн Россби и волны переноса энтропии для общего случая бароклинной атмосферы в отсутствие радиационных притоков тепла. Получено фазовое соотношение мезду полем ОС0 и характеристиками волн, описывающее перенос озона в волнах.

9. В рамках двумерной модели рассмотрен новый механизм усиления и ослабления планетарных волн за счет озонного нагревания. Показано, что, в зависимости от широтного градиента 0С0, озонное нагревание ведет к дополнительному ослаблению волн или к их поддержанию против ньютоновского подавления. Найден критический градиент 0С0, такой, что при широтном градиенте 0С0, меньшем критического, озонное нагревание вызывает неустойчивость волн Россби.

10. На основе обработки эмпирического материала показано, что в реальном поле 0С0 эффект озонного нагревания может быть значительным для коротковолнового участка спектра волн Россби.

Основным итогом работы следует считать существенный вклад, внесенный в решение проблемы установления взаимосвязи между волновыми процессами и распределением малых газовых примесей в атмосфере. Наиболее полно и разносторонне исследована связь распределения атмосферных примесей с горными подветренными волнами. Решение этой задачи включает как теоретические /и аналитические, и численные/, так и экспериментальные исследования автора. Главу 3 следует считать поэтому центральной главой диссертации.

В заключение автор считает своим приятным долгом выразить благодарность Н. Ф. Еланскому за научное руководство, А. Х. Хргиану, просмотревшему первоначальный вариант диссертации, за целый ряд ценных советов и замечаний, В. М. Грянику за постоянное внимание к работе, полезные консультации и замечания, а также сотрудникам группы озонометрии ИФА АН СССР за внимание к работе.