Исследование антарктического озонового циркумполярного вихря с использованием данных спутникового дистанционного зондирования

Journal of Siberian Federal University. Engineering & Technologies 2 (2015 8) 238-246

УДК 551.511.3:551.513.2

Research of Antarctic Ozone Circumpolar Vortex using Satellite Data

Valentin B. Kashkin*

Siberian Federal University 79 Svobodny, Krasnoyarsk, 660041, Russia

Received 22.11.2014, received in revised form 18.12.2014, accepted 12.01.2015

A model of Antarctic ozone circumpolar vortex (CV) is proposed with gradient wind as a base. It was found that at time of the vortex formation the total ozone maximum is concentrated in the 45° S and the CV average diameter is 9000 km. It was confirmed with measurements from satellite data. It is shown that at the time of the vortex formation there is ozone redistribution between the inner region of CV and its periphery, it furthers to the Antarctic ozone anomaly appearance. The zonal wind speed in CV was evaluated theoretically and experimentally.

Keywords: ozone hole, circumpolar vortex, Coriolis force, zonal wind.

Исследование антарктического озонового циркумполярного вихря с использованием данных спутникового дистанционного зондирования

В.Б. Кашкин

Сибирский федеральный университет Россия, 660041, Красноярск, пр. Свободный, 79

Построена модель антарктического циркумполярного вихря (ЦВ) в эпоху его формирования весной на основе сценария с градиентным ветром. Установлено, что в это время максимум общего содержания озона приходится на 45° ю.ш., а средний диаметр ЦВ составляет 9000 км. Это подтверждается спутниковыми данными. Показано, что при формировании ЦВ происходит перераспределение озона между внутренней областью ЦВ и его периферией, что способствует появлению антарктической озоновой аномалии. Оценены теоретически и экспериментально скорости зонального ветра в ЦВ.

Ключевые слова: озоновая дыра, циркумполярный вихрь, сила Кориолиса, зональный ветер.

В последние десятилетия проблему озонового слоя Земли ставят в число наиболее важных глобальных экологических проблем. Без озонового слоя жизнь на Земле в ее современном

© Siberian Federal University. All rights reserved Corresponding author E-mail address: rtcvbk@rambler.ru

*

виде невозможна. Озон - малая атмосферная примесь (10-6-10-5 % по объему), образующая сферический слой высотой около 90 км. Больше всего озона содержится на высоте 15-17 км в полярных широтах, на высоте 20-21 км в средних широтах и на высоте 26-27 км в тропиках, которые являются главной областью образования озона, откуда озон переносится в средние и полярные широты.

Если собрать весь озон в слой при давлении 1013,25 гПа и температуре 288,15 K, то толщина этого слоя, т.е. общее содержание озона (ОСО), составит около 3 мм или 300 единиц Добсона (е.Д.) [1]. 1 е.Д. = 10-5 м. ОСО обычно измеряют по поглощению и рассеянию солнечной радиации в УФ-диапазоне. Источником данных о ежедневном глобальном распределении ОСО являются искусственные спутники Земли.

В 80-х гг. ХХ в. тревогу общественности вызвала информация об истощении озонового слоя, росте интенсивности УФ-радиации и об открытии антарктической озоновой аномалии (АОА), известной также как антарктическая озоновая дыра. Всемирная метеорологическая организация приняла план действий по защите озонового слоя от антропогенного воздействия, были подписаны Венская конвенция и Монреальский протокол об охране озона. Документы ратифицировали большинство стран - членов ООН.

Озоновыми аномалиями принято называть области с ОСО ниже уровня 220 е.Д. Такие области наблюдаются регулярно над Антарктикой в весенний период в течение 2-3,5 месяца, особенно в сентябре и октябре. Аномалии могут иметь площадь более 20 млн км2. В Арктике озоновые аномалии - очень редкое явление, они кратковременны (от нескольких дней - до 2-3 недель) и имеют небольшую площадь (это «мини-дыры»).

Молекулы озона в естественных условиях образуются и разрушаются под действием различных естественных и антропогенных факторов. В отличие от конца ХХ в., в настоящее время ОСО в атмосфере начинает немного увеличиваться, но антарктическая озоновая аномалия остается в прежних размерах [1].

На рис. 1 показаны изображения озонового слоя в Южном полушарии за 7 сентября и 27 декабря 2010 г., построенные по данным спутника AURA (сканер OMI) [2]. Эти данные содержат значения ОСО на сетке 1°х1° для 89,5° ю.ш. - 89,5° с.ш. и 179,5° в.д. - 179,5° з.д. В зимне-весенний период некоторые приполярные области не освещены Солнцем, и потому спутниковые данные об ОСО для этих областей отсутствуют. В файле за 7 сентября 2010 г. данные об ОСО приведены только с 72,5° ю.ш., а 27 декабря - полностью, с 89,5° ю.ш. При построении изображения использовалась интерполяция по методу Krige и заполнение пустых пикселов в области полюса в пакете Surfer-8 [3].

Весной, в сентябре, в Антарктике образуется так называемый циркумполярный вихрь (ЦВ). На рис. 1 изображение ЦВ содержит кольцо зеленого цвета - с ОСО от 300 до 460 е.Д., внутри которого находится АОА с пониженным содержанием озона, минимальное ОСО составило 160220 е.Д. Снаружи кольца можно видеть изображение синего цвета - это область экватора с ОСО в 250-270 е.Д. 27 декабря АОА уже почти заполнена озоном. Обращает на себя внимание тот факт, что максимальное содержание ОСО в ЦВ 7 сентября более чем на 90 е.Д. превышает максимальное ОСО во всем озоновом слое 27 декабря. Со стороны экватора кольцо имеет вид искаженной окружности, причиной этого могут быть планетарные волны. Циркумполярные вихри, формирующиеся над зимне-весенним полюсом, являются антициклонами.

Рис. 1. Изображение озонового слоя в Южном полушарии по спутниковым данным

Впервые сильное весеннее истощение озона над Антарктидой было отмечено во время Международного геофизического года 1957-58 гг. ОСО над станцией Halley Bay (Великобритания) [4]. Уменьшение количества озона в весенний период наблюдали также российские исследователи на антарктичиских станциях с 1974 г. [5].

Наотоящая история Антарктической озоновой0 аномалии началась в 19°4 г. со статьи в журнале «Nature» [6]. Её авторы обнаружили на станции Halley Bay в 1984 г. понижение О СО на 40 % по сравнению с предыдущим годом. Это явленио они связали с уаилением хлорного каталитического цикла разрушения аоона из-за техногенных хларфторуглеродов (фреонов). «Фреоновоя»» концепция легла в основу упомянутых Венской кониенции и Монреальского протокола, ресламентирующих вначале сокращение, а поуом и полное запрещение производства хлорфторуглерыдов и других озонаразрушающих веще сов . К слову, фреоны уже десятилетия аи выпускаются в заметных объемах, но, тем не менее, АОА периодически возникает каждый год.

Несмотря на большое иоличество экспириментальных и теоретических исследований, реальные причины убыли озона в области антарктичес кой о зоновой аномолии до сих пор окончательно не установлены, дискуссия о природе этих явлений продолжается. Актуален поиск новых механизмов образования аномалий в озоновом слое.

Е.А. Жадин с соавторами [7] исследовал связь изменений циркуляции атмосферы в Южном полушарии и ОСО на основе расчета стратосферного момента импульса. Было выяснено, что летом 1980 г. произошел резкий переход циркуляции стратосферы к новому режиму, что способствовало образованию озоновой аномалии над Антарктидой.

В.Л. Сывороткин с соавторами [8] изучил разрушение озонового слоя флюидными потоками из рифтовых зон. Эти потоки содержат в основном водород и метан, которые способствуют разрушению озона в стратосфере.

Воздействие космических лучей на озон средней атмосферы было рассмотрено А.А. Кри-волуцким с соавторами [9]. После мощных вспышек на Солнце заряженные частицы ионизируют газы верхних слоев полярной атмосферы, что приводит к образованию молекул окиси азота и гидроксильных радикалов, разрушающих озон.

Наиболее вероятный механизм возникновения весенней озонной аномалии в Антарктике предложен В.В. Зуевым [10, 11]. Циркумполярный вихрь создает барьер, блокирующий перенос стратосферного озона из тропических и средних широт. В стратосфере внутри вихря при температуре ниже минус 78 °С формируются аэрозольные образования - полярные стратосферные облака (ПСО). На поверхности ПСО протекают гетерогенные реакции, в которых хлор переходит в активные формы (Cl2 и ClO). С появлением солнечного излучения запускается хлорный цикл разрушения озона.

Источником хлора в Антарктике является Эребус - один из самых активных вулканов на Земле, периодически выбрасывающий столб газов, которые поднимаются в стратосферу на высоту до 20 км. В начале 80-х гг. XX в. произошло аномальное усиление активности вулкана, в 1983 г. выбросы SO2 и HCl резко возросли [12], более чем в три раза превышая современный уровень. В 1979-1981 гг. площадь АОА была менее 1 млн км2, в 1982-1989 гг. резко увеличилась, достигнув к 1997 г 20 млн км2. Высокая активность Эребуса перевела АОА из одного состояния в другое. Авторы [11] считают, что уменьшение АОА возможно только при резком снижении или полном прекращении активности вулкана, так как современная величина выбросов достаточна для протекания реакций разрушения озона и сохранения существующих масштабов озоновой дыры.

Динамика формирования антарктического ЦВ была рассмотрена В.Б. Кашкиным, Р.Г. Хле-бопросом и Т.В. Рублевой в [13]. Разработан метод слежения за воздушными потоками в стратосфере по спутниковым данным об озоне, изучено перемещение масс озона в области АОА [14]. Показано, что в начале весны озон из внутренней части ЦВ перемещается в кольцо вихря, что способствует формированию озоновой аномалии. В развитие этого подиода ниже рассмотрено влияние градиента геопотенаиальной высо ты на формирование ЦВ и на пеаемещение воздуха (вместе с озоном) внутри ЦВ.

На рис. 2 приведена карта геопотенциальной высоты1 на изобарическом уровне 100 гПа в координатах 60°-80° ю.ш., 50°- 850° в.д. Использованы данные дистанционного зондирования атмосферы с сайта NOAA [15]. В начале весны Солнце прогревает стратосферу вблизи Южного полюса на 7с° ю.ш., температура здесь повышае тся с минус 78 до минус 73 ° С, раатут давление

Рис. 2. Карста геопотенциальной высоты. Белая линия обозначает береговую линию

и геопотенциальная высота (ГПВ). Возникает горизонтальный градиент ГПВ в направлеиии l ic средним широтам, что показоно стрелкой на рис; . 2. Рассмотрим некоторый объем воздуха массой m, содержащего озон, на изобарическом уровне р в об ласти выссокойГПВ. Так, в стратосфере воздух раорежен, нет смысла учитыовать силу ту рбулентного трегия, которая много

моньше рассматбрлбемых оиже снл. На оуъео воздоха действ^т сила тяжести G = mg-,

д l

д Z

g -с ускорение свободно со дадения. Величина- по модулю рнвна проекции градиента ГПВ

д l

на направление l.

Под действием силы1 тяжести указанный объем начинает ускоренное движение в направлении l. Из-за отклоняющей силы вращения Земли (силы Кориолиса K) появляется смещение объема к востоку в направлении стрелки В. Общее направление изменяется, это будет продолжать ся до тех пор, покн движущийся объем не повернвтся на 90° относительно l, а сила Кориолиса не уравновенит G, т.е. G = K. Ускмренное двожение превратится в равномерное и прямолинойное в направлении В. Такое движение в установившемся режиме в физике атмос-фнры1 назыгеают геостро фическим ветром [166].

Сила Кориолиса равна K = 2m • [П х v], где П - вектор угловой скорости вращения Земли, направленный вдоль оси вращения к Северному полюсу; v - вектор скорости объема воздуха в установившемся режиме. Горизонтальная составляющая силы Кнриолиса в Южном полушарии равна K = 2£2v sin|cp|, где £с = 2зг1,15Дб0-5 с-1; v - модуль вектора скорости объема воздуха; ф - географическая широта, которая для Южного полушария обычно считается отрицательной. Таким образом,

д Z

QvsinM  Де)

Нй рил. 2 показана часть огрны1 ГПВ Антарктики. На карте ГПВ всей Антарктики и её о кружения область с максимальной геопотенциальной выккотой сконцентрирована вблизи Южного полюоа, объемы1 воздуха движадся во все стороны от полюса к северу, повнрачиваясь к востоку и выходя на кругоеыое траектории. На каждый объем начинает действоватп дополни-

V2

тельная цннтробежная оила ф =mr-, в антициклоне она направленк туда же, куда и сила G.

Зде сь Rv = Ryo^ - радиус окружности, по которой вращается объема воздуха, R3 = 6378 км -экветориальныей раыщус Земло.

Уравнение бвовнса сил принимает вид [16, 17]

G + Fp а К,

az v2 ^ .

-m д- + m- = m  2 L2 v sin ф .

di Rv

Тормозящая сила Коритлииа л равнивешивает дилы1 (и F4, объе м во здуха принимае т в горизонтальное движение ао криволинейной траектерии с по стоянной скорос тью v. Такое движение в установившелся р ежи ме называют градиентным ветром.

-а- 242 -в

Уравнение (2) преобразуется к виду

д Z

- g-RЗ cos ф + v2 = 2Qv sin фRЗ cos ф.

д l

Сила Кориолиса в право й части (3)) умножена на радиус окружное raR„=R3cos ф, это изменяет характер зависимости от широты. Правая часть приводится к виду £2vR3 sin2ф. При значении ф = 45° правая часть (2) максимальна и равна Q.vR3, при наличии центробежного ускорения на этой широте присутствует наибольшее тормозящее действие силы Кориолиса. Поэтому следует ожидать, что весной вблизи широты 45 ° сконцентрируются массы воздуха (вместе с озоном), перенесенные из приполярной зоны, вблизи этой широты возникает кольцо озона. Происходит переревпределение озона между внутреныей чнстью ЦВ и кольцом, количество озона в котором растет. ОСО во внутренней части уменьшеется, что является одной из причин образования озоновой дыры. Позже, с середины октября, внутренняя часть ЦВ начинает заполняться озоном, который движется как из кольца, так и из средних и тропических ши рот.

Обработка спутниковых данных об озоне подтеерждает этот вывод. Па рис. 3 показано распределение ОСО по широте за три весенних дня в разные годы, когда формировался циркумполярный вихрь, увеличивалось ОСО в кольце и уменьшалось О СО внутри него. По характеру три графика похожи друг на друга, максимумы практически совпадают, их абсциссы близки к 45°. Особенностью графиков также является отсутствие данных для широт 77,5° ю.ш. и более высоких, так как на этих широтах стратосфера не была освещена Солнцем. Па рис. 3 ден график за 7 сентября 2010 г., соответствующее изображение озонувого слоя приыедено на рис. 1, соека. График за 27 декабря на рис. 3 показывает распределение ОСО по широте в начале лета JOжннго полушария, когда внутренняя часть ЦВ почти заполнена, ему соответствует изображение озонового слоя на рис;. а, справа.

При построении рив. 3 исполозо ваны данные о так называемых зональных средних (zonal means), приведенные на сайте NASA [2]. Зональные сртдние - результат разбиения спутниковых данных об ОСО по широте на кольца шириной в 5°, по долготе кольцо охватывает 360°. Вычиснено среднее значение ОСО в кольце.

Рис. 3. Широтное распределение ОСО

Вформировании ЦВ принимают участие и другие процессы. 1В тропосфере над полюсами преобладеют холодныге по лярныыг воеточныее ветры, а в с редних широтах - теплыые западный. В результате у шестидесятых широт пролегает полярный фроне, адоль которого проходит температурный градитнт> усиливающийся 15 зимний период. Увеличение температурного градиента у поверхности Земли вызывает усиление градиента давления в воздухе, это приводит к ускорению западных стратосферных ветров [16].

Зииадимся градиентом гтопо тонциалоной вок;тто1 -^у . В физике атмосферы. о бычно вычисляют градиент при Д/ = 1° [17]. На рис. 2 градиент на широтах от -70 ° до -60° равен 16 гп. м на градус широты, анализ показал, чтт на -550° он составляет 33 гп. м/г°обд, а на -45° с оставляет 53 гп. м-град. Вдо ль меридиана 1° соответствует 011 км.

Вычислим, какую скеросоь VI получит объем воздуха, дсигтяоь с вывооты Д/Г=53 м. Поскольку трение не учшывается, то достаточно рассмотреть падение вертикально вниз .

у0 = •y/g~дZ" =о 32,0 31/1.

Согласно (1), скорость геострофического ветра v2 на широте 45 ° равна

р А 7

V 2 =-2-о 45,2 м /с.

2 2СП 21п45° АI

Скорость градиансного ветра к3 на широте 45° можно выгиислить, ес ли решить квадратное уравнени е>

v2 - —Я3 со245° = 0.

аI

Получаем: 1°3 =41,5 м/с> Все три с1сорости оказались тоизаими друг к другу.

Ранее нами быши ]вы1полнены1 измерения скорхэсти злнального ветра в ^трсаетосфвеере по спут-ншсо]вы1м донным об ОСО [13, 14]. Зональный оетер в атмосфере движется вдоль параллели, градиентный ветер является его теоретической оценкой.

При сравнении двух изображений, таких как на рис. С, слева, полученных с разницей в один день, было замечено, что второе изображение повернуто относительно первого на некоторый угол. Массив данных ОСО представляет со(юй некоторое тл^айное поле. Для оценки змащения за сутки поле за текущий и предыдущий денл разбивается на фрагмешы в 5° по широте и в 3ас° по долготе, в которыет попадает е800 отсчетов ОСО. Фрагмент за предыщущий день поворочисается по крулу с шагом 1° по долготе и сдвигается с шагом В° по широте в на-правленил от эавасора илс а экватору (меридитнтльный сдвиг). На каждом шаге оценивается коэффициент взаимной корреляции Я между значениями ОСОв фрагменте зл текущий и за предыдущий дни.

Поворот и сдвиг, при коиорых лоэффициент корреляции максимален и достигает иногда Я = 0,95-0,98, соотвитствуют средней по полушарию суточной зональной и меридиональной скорости движения фрагмента. Нижх рассмотрен пример, здесь макиимум коэффициента корреляции Я был близок к 0,8373. При объеме выйорги л 18800 озсчетов и нормальном ззконе ее равпределения истинное значение Я=0,8873 с вероятностью 97,5 % лежит между 0,876 и 0,895

Рис. 4. Зависимость скорости меридионального переноса озона от широты и ОСО в Южном полушарии в сентябре

[18]. Это указывает на статистическую значимость полученных результатов, на чувствительность метода к поворотам и сдвигам.

На рис. 4 приведена зависимость меридиональной скорости озона от широты за первую половину сентября 1997-2008 гг. по усредненным данным. Здесь же показан средний профиль общего содержания озона для весны 2006 г. Максимум ОСО (360 е.Д.) приходится на кольцо циркумполярного вихря (42,5°-47,5° ю.ш.), минимум (130 е.Д.) - на область антарктической озоновой дыры (широта -70° и выше). Положительным значениям скорости (верхняя стрелка) соответствует приток масс озона из внутренней области ЦВ в кольцо циркумполярного вихря, отрицательным (нижние стрелки) - отток озона из области экватора в кольцо ЦВ и из кольца во внутреннюю область. Из приведенных зависимостей следует, что происходит перенос из приполярной области в средние широты, т.е. во время формирования озоновой дыры возникает перераспределение масс озона между приполярной областью и кольцом, примыкающим к широте -45°. Имеет место также перенос озона из экваториальной области в средние широты (левая стрелка), но в начале сентября он выражен слабо.

Для сравнения с расчетом значения скорости зонального ветра были преобразованы в единицы (м/с). По расчету на широте -45° скорость градиентного ветра у3 = 41,5 м/с, по результатам измерений скорость зонального ветра равна 13 м/с. Расхождение вполне объяснимо. Градиентный ветер учитывает только горизонтальное движение воздуха; на зональную скорость влияет восточный ветер, который существует в теплую половину года в стратосфере на высоте 15-27 км [16]. Возможны и другие причины, также связанные с общей циркуляцией атмосферы.

В заключение следует отметить, что образование циркумполярного вихря в Южном полушарии в соответствии с моделью градиентного ветра, по-видимому, происходило и раньше, в частности, в то время, когда антарктическая озоновая аномалия отсутствовала или имела малые размеры, например в 1979 и 1980 гг. Резкое увеличение площади АОА в последующие годы, вероятнее всего, связано с ростом активности вулкана Эребус.

1 Геопотенциальная высота Ф - это отношение геопотенциала к стандартному ускорению свободного падения g0 = 9,80665 м/с2. Геопотенциалом уровня Ф* принято называть работу, которую необходимо совершить, чтобы поднять единицу массы в поле силы тяжести от уровня моря до уровня Ф*. Единицей геопотенциальной высоты является геопотенциальный метр (гп. м), который до высоты 30 км практически не отличается от обычного метра [16].

Список литературы

[1] World Meteorological Organization/Global Ozone Research and Monitoring Project - Report No. 56. http://www.wmo.int/pages/prog/arep/gaw/ozone_2014/ozone_asst_report.html

[2] ftp://toms.gsfc.nasa.gov/pub/omi/data/ozone/

[3] Силкин К.Ю. Геоинформационная система Golden Software Surfer 8. Воронеж: Воронеж. гос. ун-т, 2008. 66 с.

[4] Звягинцев А.М., Зуев В.В., Крученицкий Г.М., Скоробогатый Т.В. // Исследование Земли из космоса. 2002. № 3. С. 29-34.

[5] Радионов В.Ф., Сабир Е.Е., Мишин А.А. // Исследования и охрана окружающей среды Антарктики: тез. докл. науч. конф. СПб., 2002. С. 89-91.

[6] Farman J.C., Gardiner B.G., Shanklin J.D. // Nature. 1985. V. 315. № 6016. P. 207-210.

[7] Jadin E.A., Kondratyev K.Ya., Beroyukov V.I., Vargin P.N. // International Journal of Remote Sensing. 2006. V. 27. № 16. P. 3467-3478.

[8] Сывороткин, В.Л. // Химия и жизнь. 2001. № 3. С. 14-17.

[9] Криволуцкий А.А., Репнев А.И. // Геомагнетизм и аэрономия. 2012. Т. 52. № 6. С. 723-754.

[10] Зуев В.В., Зуева Н.Е., Савельева Е.С. // Оптика атмосферы и океана. 2014. Т. 27. № 5. С. 407-412.

[11] Савельева Е.С., Зуев В.В., Зуева Н.Е. // Химия в интересах устойчивого развития. 2014. Т. 22. № 5. С. 541-547.

[12] Zreda-Gostynska G., Kyle P.R., Finnegan D.L. // Geophys. Res. Lett. 1993. V. 20. № 18. P. 1959-1962.

[13] Кашкин В.Б., Хлебопрос Р.Г., Рублева Т.В. // Инженерная экология. 2009. № 4. С. 18-32.

[14] Кашкин В.Б., Рублева Т.В. // Оптика атмосферы и океана. 2014. № 9. С. 826-832.

[15] http://ready.noaa.gov/ready2-bin/extract/extracta.pl

[16] Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1984. 752 с.

[17] Fleagle R.F., Businger J.A. An Introduction to Atmospheric Physics. New York, London, Toronto: Academic Press, 1980. P. 151-200.

[18] Большев Л.Н., Смирнов Н.В. Таблицы математической статистики. М.: Наука, 1985. 464 с.