Изменения озоносферы в районе Сибири и их климатическое значение

В середине XIX века было открыто и описано новое вещество — газ с сильным характерным запахом, который был назван озоном. Во второй половине XIX века были созданы и получили развитие спектрофотометрические методы исследования.

Изменения в озоносфере Земли, их климатическое значение относятся к наиболее актуальным глобальным проблемам метеорологии. Атмосферный озон, большая часть которого сосредоточена в стратосфере, является поглотителем солнечной радиации и обеспечивает защиту биосферы от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. Тропосферный озон участвует в формировании парникового эффекта и негативно влияет на экосистемы и здоровье. Структура озоносферы характеризуется наличием в северном полушарии двух климатических очагов максимальных значений общего содержания озона (ОСО): в Канаде и Восточной Сибири. В Южном полушарии максимальные величины ОСО наблюдаются в секторе Индийского океана, куда с Антарктиды сместился южный магнитный полюс.

Исследование региональных изменений климата в Канадском и Восточно-Сибирском регионах, где зимой формируются основные тропосферные очаги холода, влияющие на локализацию и интенсивность сезонных центров действия атмосферы Сибирского и Канадского антициклонов, несомненно актуально.

В РГГМУ в 70-е годы К. В. Кондратовичем была выдвинута гипотеза о существовании пространственно-временной сопряженности геомагнитного поля, озоносферы и термобарического поля тропосферы. Стратосферный озон рассматривался как антипарниковый газ, задерживающий определенную долю солнечной радиации. Поэтому над очагами максимумов ОСО должны создаваться благоприятные условия формирования тропосферных очагов холода и стационирования барических ложбин, играющих важную роль макросиноптических условиях возникновения и локализации Сибирского антициклона.

В работах К. В. Кондратовича, В. В. Осечкина, С. П. Смышляева и [149,150, 151] показано, что структура геомагнитного поля, с направленными к земле его вертикальными составляющими, фокусирующими потоки ГКЛ на определенный регион, может быть дополнительным фактором диссоциации молекулярного кислорода и образования озона. Основным фактором, как известно, является ультрафиолетовая радиация Солнца, обеспечивающая целый ряд реакций образования и разрушения озона.

По-видимому, некоторое преобладание процессов диссоциации озона в летний период приводит к осеннему минимуму ОСО во внетропических районах. Широко распространенное представление о роли адвекции из тропической зоны, где ОСО минимально, во внетропические регионы, по нашему мнению, нуждается в доказательствах.

Зимняя и летняя атмосферные циркуляции коренным образом отличаются, и наличие климатических максимумов ОСО в одних и тех же регионах не находят объяснения.

Нужны соответствующие исследования, чтобы понять, каким образом адвекция малой примеси порядка 200 молекул озона на миллион молекул воздуха во все сезоны с совершенно различными формами атмосферной циркуляции обеспечивает климатические максимумы ОСО в указанных районах Сибири и Канады.

Целью нашей диссертационной работы является анализ изменений озоносферы по данным наземных, авиационных и спутниковых озонометри-ческих наблюдений XX века в Канадском и Сибирском секторах северного полушария, которые, согласно гипотезе о сопряженности с геомагнитным полем, должны были происходить в XX веке, и их сопоставление с региональными изменениями термического режима.

Для этого было необходимо подготовить банк данных и проанализировать данные озонометрических наблюдений, необходимых для выявления климатически значимых общих и региональных изменений озоносферы и явления озонных «дыр" — провести анализ изменений магнитного поля Земли в.

XX веке (движение магнитных полюсов и «западный дрейф» Мировой Восточно-Сибирской магнитной аномалии) — рассмотреть возможные механизмы формирования очагов максимальных значений ОСО в Канаде, Сибири и Южном полушариипровести анализ межмесячных изменений температуры воздуха в Сибири в периоды осенне-зимнего охлаждения и весенне-летнего прогрева.

Информационной базой послужили результаты озонометрических наблюдений, полученных различными способами. Так, были проанализированы многолетние данные (1957;1998 гг.) географической локализации климатических очагов максимальных значений ОСО в северном полушарии по архивным данным NASA. Проанализированы многолетние среднемесячные данные (1975;2005 гг.) географической локализации климатических очагов максимальных значений ОСО в Восточной Сибири и Канаде по результатам дистанционного зондирования спутниками «Nimbus-7» и TOMS, а также по оперативным спутниковым снимкам NASA. Использовался Каталог элементарных циркуляционных механизмов (ЭЦМ), полученный специалистами Института географии РАН за 1899−2000 годы. Районы антициклонических арктических вторжений являются диагностическим признаком выделения ЭЦМ. Наряду с региональными особенностями парникового эффекта на термический режим Сибири могут влиять вторжения холодного воздуха Арктики.

Рассмотрены и проанализированы изменения геомагнитного поля по данным Национального центра геофизических данных (NGDC) при Национальном управлении США по исследованию океана и атмосферы (NOAA).

В Канаде существенно изменилось географическое положение магнитного полюса. В 1600 г. он находился на широте 78° 42'с.ш. 59° в.д., в середине двадцатого столетия — на широте 72 °C.ш., 96° в.д., к концу века магнитный полюс сместился на север. В 1998 году он находился на широте 79° 06'с.ш. и 106° в.д.

Восточно-Сибирская мировая магнитная аномалия — самая крупная и обширная аномалия на планете, — согласно оценкам геофизиков участвует в западном дрейфе" магнитного поля. Если сопряженность изменений магнитного поля, озоносферы и очага тропосферного холода геофизически детерминирована, то должны наблюдаться соответствующие климатические события. О них в публикациях К. В. Кондратовича [146, 153] говорится следующее: «Сибирский зимний антициклон и его гребни климатически более часто распространяются на запад. Очаги похолодания в районе Таймыра и Западной Сибири будут более интенсивными». Некоторые из климатических событий последнего времени, такие как высокая повторяемость процессов восточной формы циркуляции, ее разновидностей, названных Вангенгеймом «надвиганием Сибирского антициклона», рекордное похолодание в ряде районов Западной Сибири, задержка вскрытия ледового покрова северных участков рек Западной Сибири, приводящих к наводнениям, находятся в соответствии со сценарием климатического прогноза РГГМУ.

Рассмотрены оценки сопряженности изменений озоносферы и температуры воздуха во внетропических континентальных регионах.

Научная новизна наших исследований заключается в том, что показана локализация очагов максимальных значений ОСО в областях максимальной напряженности магнитного поля, а это указывает на роль корпускулярной радиации в образовании озона, так как наблюдается рост ОСО в полярной области в течение полярной ночиизложен новый подход влияния стратосферного озона на изменение температурного режима в Сибири и Канаде, а именно: «западный дрейф» Восточно-Сибирской магнитной аномалии и соответствующее климатическое изменение локализации тропической ложбины холода позволяет объяснить случаи необычайно сильных морозов в Западной Сибири и более частым появлениям макропроцессов с движением Сибирского антициклона к западусмещение магнитного полюса к северо-востоку сопровождалось возникновением области с отрицательным трендом температуры воздуха в Канадепроизведен комплексный анализ зависимости формирования тропосферных очагов холода в Сибири от структуры озоносферы, радиационных и макросиноптических процессовпроведен сравнительный анализ изменения озоносферы в XX веке в связи с движением магнитных полюсов и «западного дрейфа» Восточно-Сибирской магнитной аномалии.

Предложенное в диссертации исследование может быть использовано для составления прогнозов изменения климата в Сибири и Канаде.

Основные положения, выносимые на защиту:

— механизм образования очагов повышенного содержания озона в Северном и Южном полушариях в областях максимальной напряженности магнитного поля, что косвенно указывает на роль корпускулярной радиации в образовании озона;

— результаты анализа комплексных радиационных и макросиноптических процессов, определяющих более раннее и интенсивное охлаждение воздушных масс в Восточной Сибири. Антипарниковое воздействие очага максимальных в Северном полушарии значений ОСО;

— обнаружение существенных межмесячных изменений температуры воздуха в период осенне-зимнего охлаждения в XX веке по осредненным по двадцатилетиям периодам.

— выявление сопряженного изменения магнитного поля («западный дрейф»), озоносферы и термобарического поля тропосферы (о чем свидетельствует экстремальное похолодание в Западной Сибири, и рост температуры и атмосферных осадков в районах Дальнего Востока);

Диссертация состоит из 8 основных частей: введения, пяти глав, заключения и списка использованных источников, содержащего 165 источников, из них 68 англоязычных. Общий объем работы составляет 197 страниц текста, включая 46 рисунков и 14 таблиц.

В первой главе дается обзор состояния озонометрических наблюдений: наземных, позволяющих установить большую изменчивость озона во времени и зависимость его содержания от широтысамолетных, обеспечивающих прямой метод определения концентраций озона в тропосфере и стратосфереракетных, позволяющих успешно наблюдать распределение озона в слоях выше 35 км, а иногда и до 70 км, которые не доступны обычным озонозон-дамкосмических, которые позволили осуществлять наблюдения за общим содержанием озона и его вертикальным распределением. Спутниковые данные используются и для оценки вековых трендов озона.

Приведена также сравнительная оценка точности измерений озономет-рической аппаратуры.

Во второй главе рассмотрены географические и сезонные особенности распределения озона. Описано распределение ОСО в Северном полушарии, где показано, что в течение всех сезонов имеются два очага его максимальной концентрации: Канадский и Восточно — Сибирский. Дан анализ годового и сезонного хода. Приводятся вариации месячных значений ОСО в Петербурге за 1973;1995 гг.

При описании распределения ОСО в Южном полушарии отмечается его небольшой годовой ход, а также то, что тропическая зона в Южном полушарии, также как и в Северном полушарии, отличается сравнительно низким (200—270 д.е.) и равномерно распределенным содержанием озона, с возрастанием ОСО около 30° ю.ш. до зоны максимума.

Рассмотрены особенности распределения общего количества озона по широтным зонам в стратосфере. Показано, что существует разрыв распределения общего количества озона в тропической зоне. Обращено внимание на одной из важнейших характеристик озонового слоя, которой является его распределение по вертикали. Дан анализ вертикального распределения общего содержания озона.

Из рассмотренного далее распределения общего содержания озона в тропосфере, видно, что фазы колебания трендов озона совпадают с фазами роста и убывания солнечной активности и интенсивности ультрафиолетового излучения Солнца. Обращено внимание на факт уменьшения концентрации 03 в тропосфере с высотой во все сезоны и резкого возрастания парциального давления озона, начиная от озонопаузы.

Третья глава посвящена природным и антропогенным факторам изменения озоносферы. Достаточно подробно в реферативной форме рассмотрено образование и разрушение озона. Показаны условия воздействия фреонов и их различных циклов воздействия на озоносферу. Рассмотрены происхождение и эволюция озонных «дыр». Дан обзор методических несоответствий причинно-следственных связей в «хлорной» модели гибели озона, принятой за фундаментальную истину в Монреальском протоколе, а также приведены различные оценки последствий Монреальского протокола для России.

В четвертой главе дана характеристика влияния озоносферы на климат. Приведены аргументированные доказательства антипарникового влияния стратосферного озона. Рассматриваются межмесячные изменения температуры воздуха как характеристики климатических трендовых изменений. Стратосферный озон в течение нескольких десятилетий включался в число парниковых газов, поскольку его молекула имеет полосы поглощения в ИК-диапазоне. Но, как было впервые показано JI.P. Ракиповой (ГГО), поглощение коротковолновой радиации превышает парниковый эффект и озон является антипарниковым газом. В настоящее время стратосферный озон рассматривается как антипарниковый газ, роль которого в глобальном радиационном балансе невелика.

В отличие от стратосферного, тропосферный озон является показателем загрязнения атмосферы. Концентрация тропосферного озона у поверхности Земли сегодня гораздо выше естественной по причине образования избыточного озона в процессе фотохимических реакций в атмосфере. Тропосферный озон вносит свой вклад в потепление климата. Парниковый эффект тропосферного озона оценивается в 8 — 9%. Увеличение концентрации тропосферного озона приводит к нагреву поверхности Земли и нижней атмосферы, а продолжающийся рост его концентрации может привести к изменению глобального климата. В тропосфере озон, по мнению химиков, является источником радикала ОН, который участвует в химическом стоке метана, важного представителя органических веществ в атмосфере, поскольку концентрация метана существенно превышает концентрацию остальных органических соединений. Фотохимическое образование озона в загрязненном воздухе — еще один источник этого газа в приземном слое атмосферы, поскольку чем выше солнечная освещенность, температура воздуха, содержание в воздухе СО, СН4, других летучих органических соединений, тем выше дневная концентрация озона. Причиной образования фотохимического смога и высоких концентраций 03 являются оксид и диоксид азота (NO, N02), которые играют сложную и важную роль в фотохимических процессах, происходящих в тропосфере и стратосфере под влиянием солнечной радиации. Регистрируемые резкие изменения приземной концентрации озона, как правило, связаны эмиссией в тропосферу оксидов азота. Повышенная концентрация тропосферного озона снижает урожайность сельскохозяйственных культур и продуктивность лесов, представляет опасность для животного мира. Озон воздействует на растения на молекулярном уровне.

Пятая глава дает важные представления о сопряженности эволюции геомагнитного поля, озоносферы и региональных изменений климата, особенностях структуры магнитного поля и озоносферы. В Северном полушарии существует две области повышенной магнитной напряженности — Канадский сектор и Сибирь. В южном полушарии находится один центр повышенной магнитной напряженности — в АвстралийскоИндоокеанском секторе, там, куда сместился Южный магнитный полюс. Аналогичную структуру имеет и озоносфера. Общее содержание озона максимально в трех регионах, два из которых находятся в северном полушарии.

Изложен новый подход влияния стратосферного озона на изменение температурного режима в Сибири и Канаде. Показано, что «западный дрейф» Восточно-Сибирской магнитной аномалии и соответствующее климатическое изменение локализации тропической ложбины холода позволяют объяснить случай необычайно сильных морозов в Западной Сибири. Произведен анализ зависимости формирования тропосферных очагов холода в Сибири от структуры озоносферы, проведен сравнительный анализ изменения озоносферы и очагов ее максимальной концентрации от структуры геомагнитного поля и «западного дрейфа» Восточно-Сибирской магнитной аномалии. «Западный дрейф» магнитного поля должен сопровождаться климатическим смещением очага максимальной концентрации озона и зимней ложбины холода, обусловленной антипарниковым эффектом, в районе Сибири. Зимний сибирский антициклон смещается к западу соответственно «западному дрейфу». Во второй половине XX века наблюдается преобладание процессов восточной формы циркуляции. В районе Канады и в Южном полушарии произошли существенные изменения локализации магнитных полюсов Земли. В Канаде движение полюса к северу привело к усилению зональных переносов и некоторому повышению температуры воздуха. Геомагнитное поле можно рассматривать как фактор общей циркуляции атмосферы, поскольку структура этого поля обуславливает локализацию воздействий корпускулярного излучения Солнца на атмосферу. Учет этого фактора позволяет уточнить региональные особенности локализации очагов максимальных значений ОСО.

Наряду с региональными особенностями парникового эффекта на термический режим Сибири могут влиять вторжения холодного воздуха Арктики. Одним из наиболее надежно диагнозируемых признаков меридиональных процессов являются антициклонические арктические вторжения, блокирующие преобладающий в умеренной зоне западно-восточный перенос.

Наличие пространственно-временной сопряженности очагов максимальных значений ОСО и напряженности геомагнитного поля позволяет использовать закономерность «западного дрейфа» Сибирской аномалии и движения магнитных полюсов для диагноза и прогноза региональных изменений климата.

1 Озон и озонометрические наблюдения.

Заключение

.

Во второй половине XX века наземные и спутниковые озонометриче-ские наблюдения показали, что имеет место общее ослабление озоносферы и в весенние месяцы над Антарктидой регулярно, а в Северном полушарии эпизодически и в меньшем пространственно-временном масштабе возникает явление озонных «дыр».

Признано, что стратосферный озон, ранее относимый к парниковым газам, является антипарниковой компонентой радиационного баланса подстилающей поверхности. Частичное поглощение коротковолновой радиации, как было показано JI.P. Ракиповой, оказывается больше вклада в парниковый эффект в длинноволновом участке спектра.

Сезонное преобразование холодного циклонического циркумполярного вихря в весенние месяцы в теплый антициклонический циркумполярный вихрь является надежным свидетельством влияния озоносферы на радиационный баланс и общую циркуляцию атмосферы.

Во всех календарных месяцах локализация максимальных значений ОСО в Восточной Сибири и Канаде на климатических картах указывает, что здесь должно проявляться антипарниковое влияние озоносферы.

Локализация и интенсивность тропосферных ложбин в месяцы холодного полугодия являются фактором крупномасштабной конвергенции воздушных переносов и возникновения сезонных центров действия атмосферы: Сибирского и Канадского антициклонов.

Положение и интенсивность Сибирского зимнего антициклона в течение XX века не оставались постоянными. В таблице 14 приводится соотношение чисел месяцев, отнесенных по величине максимального давления (Ртах) в центре антициклона к градациям «Вв» (значительно ослаблен и ослаблен) и «Аа» (значительно усилен и усилен). Поскольку нас интересуют климатически значимые тенденции, исходный ряд градаций Ртах разбит на 20-летние периоды.