Влияние струйного течения на интенсивность обмена 7Ве между стратосферой и тропосферой

Влияние струйного течения на интенсивность обмена 7Ве между стратосферой и тропосферой

Л.Н. Соловьев

Технологический факультет МГТУ, кафедра химии

Аннотация. Представлены данные по концентрации аэрозолей 7Ве в приземном слое воздуха над территорией Мурманской области в период 4-12 апреля 1999 г. Зарегистрировано резкое увеличение 7Ве до 1.02х10-1 Бк/м3, связанное с развитием мощного струйного течения воздуха. Анализы данных, полученных с помощью радиозондирования на Мурманской аэрологической станции до высоты 32 км, а также сопоставление концентраций 7Ве и суммарной Р-активности аэрозолей, показали, что в этот период имел место "разрыв" тропопаузы, и в нижние слои атмосферы проникали стратосферные массы воздуха.

Abstract. The data on concentration of 7Be aerosols in the surface air layer above the Murmansk region territory on 4-12 April, 1999 have been presented. The sharp increase of 7Be caused by the strong jet stream of air has been registered. The data analyses obtained with the help of the radio sounding on the Murmansk aerological station up to 32 km, and comparison of the 7Be concentrations and total p-activity of aerosols have shown that in this time period the tropopause discontinuity took place and the stratosphere masses of air dived into the low atmosphere.

1. Введение

Наблюдения за метеорологическими явлениями и содержание радиоактивных изотопов в атмосфере составляют важные направления изучения глобальных перемещений воздушных масс. К числу удобных изотопных "трассеров" относится 7Ве, образующийся в стратосфере под действием протонов, входящих в состав космических лучей. Для рассмотрения вопроса попадания 7Ве в тропосферу рассмотрим некоторые данные о тропосфере и стратосфере Земли.

Тропосфера снабжается энергией, получая запас тепла от земной поверхности. Следствием этого является сильная конвекция и убывание с высотой температуры воздуха. Стратосфера от земной поверхности тепла не получает. В нижней части стратосферы (от ее границы с тропосферой до высот

30 км) в умеренных и приполярных широтах держится низкая температура (--50°С), с высотой она

почти не изменяется. На большой высоте наблюдается слой с более высокой температурой, доходящей до уровня 40-55 км, примерно до +3.5°С, а еще выше - снова область низких температур.

Наличие теплого слоя объясняется выделением теплоты диссоциации озона, поглощающего ультрафиолетовое излучение Солнца. Тропопауза располагается тем выше, чем сильнее нагрета подстилающая поверхность. Средняя высота тропопаузы очень устойчива и в околополярных областях составляет от 6 км зимой до 11-12 км летом. В экваториальных областях высота тропопаузы 16-18 км.

2. Тропосферная циркуляция воздушных масс

В тропосфере содержится значительное количество влаги (до 2 г/м3 воздуха) (Шведов, 1962) и протекают все погодообразующие процессы. Вследствие бурного перемешивания воздух тропосферы однороден по своему составу. Содержание влаги в стратосфере в сотни раз меньше, чем в тропосфере.

Стратосферный воздух хорошо перемешан. Это свидетельствует о наличии в стратосфере вертикальных поднятий воздуха. В отличие от тропосферы, при таких поднятиях в стратосфере не происходит понижение температуры, а для этого необходимо снабжение поднимающихся и расширяющихся масс

воздуха по всей их толще тепловой энергией.

Температура в тропосфере тем ниже, чем дальше от экватора, т.е. в тропосфере имеется горизонтальный градиент температур. В стратосфере температура убывает от полюса к экватору, следовательно, там также имеется горизонтальный градиент температур. В весенний период в полярных широтах эти градиенты имеют максимальное значение, здесь исчезает четкая температурная граница между верхней тропосферой и нижней стратосферой, тропопауза в этой зоне не имеет четких границ и наблюдается либо "разрыв", либо размытость тропопаузы. В полосе разрыва возникает струйное течение.

Струйное течение - это сильный поток воздуха с почти горизонтальной осью в верхней тропосфере или нижней стратосфере, характеризующийся большими вертикальными и горизонтальными

Соловьев Л.Н. Влияние струйного течения на интенсивность обмена 7Ве...

градиентами скорости ветра и одним или более максимумами скорости. Формируется оно в хорошо выраженных фронтальных зонах в тропосфере и стратосфере. Струйное течение арктического фронта располагается на высоте 6-8 км. Арктические струйные течения расположены севернее 65° с.ш. Характеризуются максимальными скоростями ветра, достигающими порой 60-100 м/с на высоте менее 8 км (Атмосфера, 1991).

Струйное течение, приходящееся на "разрыв" в тропопаузе, в какой-то мере принадлежит и к тропосферной и к стратосферной циркуляции. Наличие горизонтального температурного градиента в стратосфере приводит и к другим зональным (т.е. в общем направлении по параллелям) течениям в стратосфере.

Перенос аэрозолей из тропосферы в стратосферу и обратно осуществляется вследствие турбулентности, конвекции и упорядоченных вертикальных движений. Атмосферная турбулентность наиболее ярко проявляется в области струйных течений.

Поскольку содержание 7Ве в стратосфере выше, чем в тропосфере, то существенное повышение его концентраций в нижних слоях атмосферы может служить одним из признаков "разрыва" тропопаузы.

Уровни загрязнения радиоактивными изотопами и их изменение по сезонам в полярных районах северного полушария существенно зависят от интенсивности межширотного обмена в атмосфере между материком Евразия и высокими широтами. По данным A.A. Каца (Шведов, 1962) индекс меридиональной циркуляции в тропосфере между 40-70° с.ш. имеет четкие сезонные изменения с максимумами зимой-весной и минимумами летом-осенью каждого года.

Нисходящие движения, характерные для антициклонов, способствуют приносу в приземный слой воздуха продуктов деления из верхней тропосферы и повышают уровни концентраций радиоактивных веществ.

С этой точки зрения более высокие уровни концентрации продуктов деления в воздухе в северных широтах с ноября по март объясняется тем, что в этот период радиоактивные продукты деления поступают из полярной стратосферы в полярную тропосферу. Оно существенно меньше чем в умеренных широтах весной, вследствие развитого межширотного обмена в этот период. Но нисходящее движение в антициклоне сокращает время переноса продуктов деления из верхних слоев тропосферы в приземный слой и приводит к тому, что увеличение перехода радиоактивных аэрозолей из стратосферы в полярную верхнюю тропосферу существенно сказывается на уровнях загрязнения приземного воздуха. К тому же интенсивность межширотного обмена в верхней тропосфере меньше, чем в средней и нижней. Еще одной из возможных причин поступления продуктов деления из стратосферы в полярную тропосферу в период с ноября по март может служить зимнее исчезновение тропопаузы (о. Хейса) в высоких широтах. Зимой в полярных районах практически не наблюдается тропопауза, поэтому здесь возможны особенности в сезонном ходе и в уровнях радиоактивного загрязнения тропосферы и приземного слоя воздуха.

3. Синоптическая ситуация в период наблюдений

Рассмотрим синоптическую ситуацию по данным радиолокационного зондирования, выполненного аэрологами Мурманской аэрологической станцией с 4 по 12 апреля 1999 г. Арктическое струйное течение было обнаружено 6 апреля, максимальная интенсивность струи имела место 8-го, а 12 апреля оно исчезло. В районе наблюдения стояла сухая погода. Вертикальная мощность тропосферного струйного течения составила 7.0 км. Ось струйного течения, где максимум скорости ветра достигал 63 м/с, располагалась на высоте 6.12 км. Верхняя граница струйного течения (v = 57 м/с) была на высоте 6.44 км, а тропопауза - на высоте 5.04 км.

Струйное течение возникало на высоте периферии арктической тропосферной ложбины, где наблюдалась интенсивная адвекция холодного воздуха из полярных широт. Восточные тропосферные ветры проникали в нижнюю стратосферу до высоты 6 км. В слое 5.7-6.1 км имела место слабая антициклоническая циркуляция, связанная с северо-восточной периферией арктического стратосферного антициклона. В это время нижняя граница тропопаузы находилась на высоте 5.04-5.14 км. Выше и ниже оси струйного течения наблюдалась интенсивная турбулентность воздуха.

Содержание 7Ве в период измерений постоянно превышало содержание ß-активных аэрозолей примерно в 20 раз. Хотя эти аэрозоли имеют различное происхождение - они аккумулируются примерно на одинаковых высотах в нижних слоях стратосферы. Одновременное резкое увеличение их содержания в приземном слое воздуха, совпадающее с развитием мощного струйного течения, а также с аномально низкой влажностью тропосферного воздуха свидетельствуют о "разрыве" тропопаузы и проникновению в нижние слои атмосферы стратосферных воздушных масс.

4. Отбор проб и анализ результатов

Анализ проводился на гамма-спектрометре в лаборатории Мурманского управления по гидрометеорологии. Пробы аэрозолей отбирались при помощи воздушно-фильтрующей установки "Тайфун", находящейся в г. Мурманске. Наблюдения проводятся круглосуточно в течение всего года. Улавливание происходит аналитическим аэрозольным фильтром из ткани ФПП (материал волокон перхлорвинил) при прокачивании через него воздуха в течении 24 часов. Суммарный объем отфильтрованного воздуха составил в среднем 46000 м3 /сут.

После окончания экспозиции волокнистый слой фильтра снимали с марлевой основы и озоляли при Т°С ~ 400. Спустя сутки после окончания отбора, т.е. после полного распада короткоживущих продуктов, препараты измеряли на у-спектрометре. Расчет содержания 7Ве проводился по скорости счета в фотопике у-квантов с энергией 477.6 кэВ. Рост концентрации 7Ве наблюдался в период 8-11 апреля. 8 апреля дневной выпуск радиозонда показал верхнюю границу тропопаузы на высоте 5.14 км, где не прослеживались четкие границы, и имел место "разрыв" тропопаузы. Содержание 7Ве в атмосфере в период разрыва тропопаузы резко увеличилось и 4.04 составляла 2.25-10-4 Бк/м3, а 8.04 уже 1.02-10-1 Бк/м3. Далее концентрация снижалась до обычного уровня, и 12.04 была 7.95-10-5 Бк/м3.

5. Заключение

В результате мощного струйного течения, произошел "разрыв" в тропопаузе, что привело к проникновению воздушных масс из стратосферы в тропосферу и повышенному содержанию суммарной Р-активности и космогенного 7Ве. Проведенные в приземном слое атмосферы наблюдения за содержанием 7Ве и Р-активных аэрозолей показали практически полную синхронность измерений их концентраций. Струйное течение принесло стратосферные массы воздуха, которые и повлияли на увеличение концентраций радиоактивных аэрозолей как искусственного, так и естественного происхождения.

Литература

Атмосфера. Справочник. Л., Гидрометеоиздат, 512 е., 1991.

Мак-Корман Б., Селиж Т. Солнечно-земные связи, погода и климат. М., Мир, 382 е., 1982. Шведов В.П. Радиоактивные загрязнения внешней среды. М., Госатомиздат, 486 е., 1962.