Особенности межгодовых изменений озона в средней стратосфере над Москвой по наблюдениям на миллиметровых волнах

УДК 551.510

ОСОБЕННОСТИ МЕЖГОДОВЫХ ИЗМЕНЕНИЙ ОЗОНА

В СРЕДНЕЙ СТРАТОСФЕРЕ НАД МОСКВОЙ ПО НАБЛЮДЕНИЯМ НА МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛНАХ

С. В. Соломонов, Е. П. Кропоткина, С. Б. Розанов, А. Н. Игнатьев, А. Н. Лукин

Рассмотрены особенности межгодовых изменений озона в средней стратосфере над Москвой в холодные полугодия с 1995 по 2015 гг. Эти особенности наиболее выражены в двух выделенных группах зим (по шесть зим в каждой группе) в декабре-январе. Оказалось, что усреднённый в пределах каждой из этих групп сезонный ход озона характеризуется более высоким содержанием озона CO3 в группе I (по сравнению с группой II) в декабре и более низкими значениями в январе. Различия в сезонном ходе озона между этими группами на уровне 10 мбар в декабре и январе превышают 2 ppm. Особенностью циркуляции стратосферы для группы полугодий I является существование устойчивого полярного вихря и отсутствие сильных среднезимних возмущений, внезапных стратосферных потеплений. Наоборот, для холодных полугодий, входящих в группу II, общим является возникновение сильных стратосферных потеплений в январе-феврале. Представленные результаты дают количественную оценку влияния этих стратосферных потеплений на озон средней стратосферы над Москвой.

Ключевые слова: озон, стратосфера, стратосферное потепление.

1. Введение. Стратосферный озон играет важнейшую роль в земной атмосфере [1]. Он предохраняет жизнь на Земле от поглощаемого им губительного УФ-Б-излучения Солнца. Озон оказывает сильное влияние на тепловую структуру атмосферы. Изменения в распределении озона могут сказаться на тепловом балансе, влияя тем самым на ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: Solomon@sci.lebedev.ru.

температуру стратосферы и на динамические процессы в ней [1]. В свою очередь, изменение циркуляции стратосферы может сыграть существенную роль в связях между стратосферой и тропосферой, и иметь последствия для приземного климата и погоды [2].

Наблюдаемое истощение озонного слоя стало одной из самых актуальных проблем аэрономии, экологии и ряда других областей фундаментальной и прикладных наук [1].

В последние годы возрос интерес к изменениям содержания озона не только в верхней и нижней стратосфере, где озон наиболее чувствителен к техногенным загрязнениям хлорфторуглеродами [1], а также и в её средних слоях на высотах около 30 км (уровни давления примерно 10 мбар), где, в соответствии с данными работ [3, 4], ожидается снижение содержания озона, вызываемое происходящим увеличением азотных составляющих стратосферы N2О, N0 и N02.

Для развития прогностических моделей необходимо знать как изменяется содержание атмосферного озона в течение сезонов, от года к году и на более длительных периодах. Помимо количественных данных об изменениях озона для моделирования процессов в атмосфере важно также определить те атмосферные процессы, которые оказывают наиболее значительное влияние на содержание озона [5].

Проводимый в ФИАН многолетний мониторинг вертикального распределения озона на миллиметровых волнах [6-9] позволил получить ряды данных с информацией об изменениях вертикального распределения атмосферного озона различного масштаба времени, в широком диапазоне высот, включая слои средней стратосферы, наиболее чувствительные к влиянию азотных составляющих. Установлено, что сезонный ход озона характеризуется наиболее выраженными изменениями содержания озона в зимние периоды.

Ниже рассмотрены особенности межгодовых изменений содержания озона в слоях средней стратосферы над Москвой в холодные полугодия с 1995 г. по 2015 г.

2. Метод измерений. Измерения вертикального распределения содержания озона Со3 в атмосфере проводятся радиофизическими методами с помощью размещённого в Москве высокочувствительного спектрорадиометра [6]. Регистрируется спектральная линия теплового излучения озона на частотах вращательного перехода Ю1.9 — 10о.ю с центром на 142.175 ГГц (длина волны 2.1 мм). Эта уширенная столкновениями линия содержит информацию о высотном распределении молекул озона в стратосфере и мезосфере [6].

Для восстановления вертикального распределения озона (ВРО) из измеренной спектральной линии используется предложенный К. П. Гайковичем алгоритм, основанный на методах Тихонова и статистической регуляризации, сочетание которых позволяет оптимизировать решение задачи восстановления ВРО. Данные о профилях температуры и давления в атмосфере, необходимые для восстановления профилей ВРО, получены из базы данных БАБС [10].

Суммарная погрешность восстановления профиля вертикального распределения озона (с учетом шума аппаратуры и других экспериментальных погрешностей) при оптимальных условиях наблюдения и времени накопления сигнала около 1 часа не превышает 5-7% на высотах от 20 до 50 км, постепенно возрастая в более низких и в более высоких слоях [6]. По основным параметрам (чувствительности, точности восстановления профилей озона) аппаратура ФИАН соответствует мировому уровню инструментов такого типа. Получено хорошее согласие результатов наблюдений в ФИАН с данными спутниковых измерений ВРО (результаты сопоставления этих данных представлены в [6]). Методика анализа результатов наблюдений изложена в работе [9].

3. Результаты наблюдений. 3.1. В результате многолетнего мониторинга получено высотно-временное распределение озона над Москвой для каждого года в период с 1995 по 2015 гг. Представленные на рис. 1(а) и рис. 1(б) тонкими линиями примеры изменений содержания озона Со3 для холодных сезонов 2010-2011 гг. и 2012-2013 гг. иллюстрирует колебания озона в средней стратосфере на уровне 10 мбар. Значения Со3 здесь и ниже даны в единицах отношения смеси ррт или 10-6. Толстыми линиями на этих рисунках показаны сглаженные по 10 дням значения Со3. Сглаживание проводилось для устранения короткопериодных колебаний озона. Из сопоставления рис. 1(а) и рис. 1(б) хорошо видны различия в сезонном ходе озона между этими двумя полугодиями.

Действительно, по сравнению с холодным периодом 2010-2011 гг., сезонный ход озона в 2012-2013 гг. характеризуется более низким, примерно на 1-1.5 ррт, содержанием озона с конца ноября 2012 г. по начало января 2013 г., и резким увеличением озона в середине января 2013 г. Этих явлений не наблюдалось в соответствующие месяцы 2010-2011 гг.

3.2. Ранее (см., напр., [6-9]) была отмечена связь содержания озона в средней стратосфере на уровне 10 мбар с потенциальной завихренностью и геопотенциалом над Москвой, характеризующими динамику стратосферы. Было показано, что воздух полярного стратосферного вихря отличается пониженным содержанием озона и пониженными

значениями геопотенциала при высоких значениях потенциальной завихренности. Анализ результатов наблюдения озона, полученных в 2010-2011 гг. и в 2012-2013 гг., также показал связь обнаруженных изменений озона над Москвой с этими параметрами, которые, в свою очередь, изменялись под влиянием крупномасштабных атмосферных процессов, эволюции полярного стратосферного вихря.

01.12.10 01.01.li Т 01.02.11 01.12.12 01.01.13 01.02.13

Дни 2010-2011 гг. Дни 2012-2013 гг.

Рис. 1: Содержание озона С0з в средней стратосфере на уровне 10 мбар (высота около 30 км) над Москвой в зимние месяцы 2010-2011 гг. (а) и 2012-2013 гг. (б). Тонкие линии - наблюдаемые значения. Сглаженные по 10 дням значения С0з показаны толстыми линиями. Значения С0з даны в единицах отношения смеси ppm или 10-6.

Характер циркуляции стратосферы в 2010-2011 гг. и в 2012-2013 гг. существенно различался. Значительную часть времени в холодный сезон 2010-2011 гг. воздух в стратосфере на уровне 10 мбар над Москвой находился вне или на краю интенсивного полярного вихря, центр которого располагался севернее 70° с.ш. и испытывал относительно небольшие перемещения. На рис. 2 показаны характеризующие циркуляцию стратосферы зональные скорости воздушного потока V6o° на уровне 10 мбар, усреднённые вдоль параллели 60° с.ш., в холодные сезоны 2010-2011 гг. (кривая 1) и 2012-2013 гг. (кривая 2). Эта скорость при сравнительно небольших её колебаниях сохранялась высокой, достигающей 40-50 м/с, и не меняла своего направления в течение всего холодного полугодия 2010-2011 гг. (рис. 2 , кривая 1). В условиях такой устойчивой циркуляции, при отсутствии сильных её возмущений были зарегистрированы относительно небольшие изменения содержания озона Co3, составлявшего примерно от 5 ppm до 6 ppm, в декабре 2010 г. и январе 2011 г. (рис. 1(а)).

Месяцы

Рис. 2: Зональные скорости (м/с) воздушного потока Уе0о на уровне 10 мбар, усреднённые вдоль параллели 60° с.ш. в холодные сезоны 2010 — 2011 гг. (кривая 1) и 2012 — 2013 гг.(кривая 2).

Этот долгоживущий полярный вихрь способствовал возникновению над высокими широтами больших потерь озона в весенний период 2011 г. [11]. При появлениях воздуха вихря над Москвой в конце марта и в начале апреля 2011 г. содержание озона на высотах средней стратосферы значительно понижалось [8].

Зимний период 2012-2013 гг. характеризовался менее устойчивой циркуляцией стратосферы. В декабре 2012 г. полярный стратосферный вихрь смещался к Европейскому сектору Северного полушария и воздух вихря располагался в стратосфере на 10 мбар над Москвой значительную часть декабря 2012 г. и в начале января 2013 г., чем и объясняется пониженное содержание озона в этот период (рис. 1(б)).

В начале января 2013 г. произошло замедление и изменение направления средне-зональной скорости воздушного потока, усреднённой вдоль северной широты 60° на уровне 10 мбар (см. рис. 2, кривая 2), что является признаком сильного стратосферного потепления [12].

На картах геопотенциала на уровне 10 мбар и на картах потенциальной завихренности при потенциальной температуре 850 К видно разделение вихря на две части в начале января 2013 г. Сильное стратосферное потепление сопровождалось уменьшением амплитуды планетарной волны с п =1 и ростом амплитуды волны с п = 2 (рассматривались волны, полученные при разложении в ряд фурье-возмущений поля геопотен-

циала вдоль параллели 60° с.ш. на уровне 10 мбар [9], волна с n =1 характеризует смещение вихря из полярной области, а волна с n =2 описывает изменение формы вихря, отклонение её от симметричной круговой) [9].

Эти процессы отразились на содержании озона в стратосфере над Москвой, привели к продолжительным пониженным значениям Co3 в течение декабря 2012 г. и резкому увеличению Co3 в январе 2013 г. (рис. 1(б)). Перед потеплением в стратосфере над Москвой на уровне 10 мбар располагался воздух полярного вихря с пониженным до 4 ppm содержанием озона и с повышенными значениями потенциальной завихренности, характерными для воздуха вихря. В результате потепления содержание озона Co3 на уровне 10 мбар над Москвой возросло примерно от 4 ppm 29 декабря 2012 г. (до разделения вихря на две части) до 7 ppm 16 января 2013 г. (тонкая линия на рис. 1(б)) в появившемся в стратосфере над Москвой богатом озоном воздухе из области повышенного давления.

Таким образом существенное различие сезонного хода содержания озона в средней стратосфере на уровне 10 мбар между холодными 2010-2011 гг. и 2012-2013 гг. полугодиями (рис. 1(а) и рис. 1(б)) связано с межгодовыми изменениями характера циркуляции, с существованием устойчивого стратосферного полярного вихря зимой 20102011 гг. и, напротив, с развитием сильного стратосферного потепления, нарушившего зимнюю циркуляцию стратосферы, в январе 2013 г.

Т а б л и ц а 1

Холодные полугодия

Группа I Группа II

1995-1996 2002-2003

1996-1997 2005-2006

1999-2000 2006-2007

2004-2005 2008-2009

2010-2011 2011-2012

2013-2014 2012-2013

3.3. Межгодовые различия в сезонном ходе озона, подобные рассмотренным выше, обнаружены также и для ряда других холодных полугодий. В табл. 1 представлены две группы таких полугодий (группа I и II), наиболее различающихся характером изменений озона в декабре и январе. Для каждого дня в группах I и II были построены средние значения содержания озона СО и СО1 , а также их разность ДСо3 = СО1 — СО .

Временной ход разности ДСо3 показан на рис. 3 тонкими линиями. Толстыми линиями на этом рисунке обозначены сглаженные по 10 дням значения ДСо3.

в

а

Он

го

о Ю <1

-0.5- -

....... --

и

—

......

-V

1

; 1 1 1 1 — — 1 — —-р—

Октябрь Ноябрь Декабрь Январь Февраль Март

Месяцы

Рис. 3: Временной ход разности ДС0з = С03 — С03 показан на рис. 3 тонкими линиями. Здесь С^з и С01 являются средними значениями содержания озона для каждого дня в группах I и II соответственно. Толстыми линиями на этом рисунке обозначены сглаженные по 10 дням значения ДС0з.

2 31500

Рис. 4: Усреднённые по группам I и II значения геопотенциала Н в центре полярных вихрей на уровне 10 мбар (кривые 1 и 2 соответственно).

На рис. 3 видны резкие изменения ДСо3 от значения -1 ррт в декабре до более чем +1 ррт в январе. Обращает на себя внимание также относительно более высокое содержание озона в группе II (положительные значения ДСо3 на рис. 3) с января по март.

Как можно было ожидать, полугодия, относящиеся к группам I и II, существенно отличаются друг от друга не только характером изменений озона, но и состоянием стратосферы. Особенностью циркуляции стратосферы для группы полугодий I является отсутствие сильных стратосферных потеплений и существование интенсивного полярного вихря в течение всего холодного периода. На рис. 4 показаны усреднённые по группам I и II средние значения геопотенциала в центре полярных вихрей на уровне 10 мбар, которые характеризуют глубину (интенсивность) вихрей. Видно, что средние значения геопотенциала для группы I были меньше 29 • 103 гп.м продолжительное время с начала ноября до середины марта (рис. 4, кривая 1).

Наоборот, для холодных полугодий, входящих в группу II, общим является возникновение сильных стратосферных потеплений в январе-феврале. Во время этих возмущений помимо разогрева стратосферы происходило ослабление циркуляции и изменение направления среднезонального ветра Vбео на уровне 10 мбар (исключением является период 2011-2012 гг., когда сильное возмущение стратосферы сопровождалось реверсом среднезонального ветра несколько выше уровня 10 мбар). При этом уже в январе происходило ослабление интенсивности полярных вихрей, характеризуемое увеличением средних значений геопотенциала в их центре примерно от 28 • 103 гп.м в декабре до значений, превышающих 29 • 103 гп.м, в феврале (рис. 4, кривая 2).

Этими отличиями динамики стратосферы можно объяснить и различие характера сезонного хода озона в группах полугодий I и II, проиллюстрированых на рис. 1 и рис. 3.

Оказалось, что обнаруженные в группе II явления продолжительного пониженного содержания озона в средней стратосфере над Москвой в зимний период (рис. 1(б), рис. 3)) предшествуют развитию сильных стратосферных потеплений, которые, в свою очередь, сопровождаются значительным увеличением озона. Как следует из рис. 3, величина колебаний ДСо3 имеет размах более 2 ррт, от минимальных значений -1 ррт в декабре и до более, чем +1 ррт в январе во время сильных возмущений стратосферы - внезапных стратосферных потеплений. Этот размах составляет примерно 40% от среднемесячных значений озона в эти месяцы.

4. Заключение. Показанные выше значительные межгодовые изменения стратосферного озона отражают соответствующую изменчивость динамики стратосферы Север-

ного полушария. Преобладающим фактором в этой изменчивости являются внезапные стратосферные потепления.

В работах [13, 14] отмечалось возросшее количество внезапных стратосферных потеплений в течние последних 15 холодных полугодий, что подтверждает отмеченную в работе [15] тенденцию увеличения числа стратосферных потеплений в двадцать первом веке.

Прогнозируемые изменения динамических и химических процессов, влияющих на озонный слой, могут привести к увеличению достигающего земной поверхности вредного для здоровья солнечного УФ-Б-излучения, а также могут иметь последствия для приземного климата и погоды [2].

Представленные выше данные о межгодовых изменениях озона в средней стратосфере над Московским регионом дают количественную оценку влияния стратосферных потеплений на озон. Результаты мониторинга важны для изучения эволюции озоносфе-ры, для проверки прогнозов её изменений.

Авторы выражают глубокую благодарность профессорам В. Н. Сорокину, Е. В. Суворову и В. А. Черепенину за поддержку данной работы. Авторы признательны центру British Atmospheric Data Center (BADC) за любезно предоставленные метеорологические данные.

Работа поддержана Программами ОФН РАН "Современные проблемы радиофизики", "Новые источники миллиметрового и терагерцового излучения и их перспективные приложения" и "Радиоэлектронные методы в исследовании природной среды и человека", а также грантом УНК ФИАН.

ЛИТЕРАТУРА

[1] Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2014 World Meteorogical Organization Global Ozone Research and Monitoring Project-Report No. 55. (World Meteorogical Organization, Geneva, Switzerland, 2014). [Электронный ресурс]: http://www.ersl.noaa.gov/csd/assessments/ozone/2014/report.html.

[2] N. Butchart, Rev. Geophys. 52, 157 (2014). doi:10.1002/2013RG000448.

[3] P. J. Crutzen, Quart. J. R. Met. Soc. 96, 320 (1970).

[4] W. Wang, W. Tian, S. Dhomse, et al., Atmos. Chem. Phys. 14, 12967 (2014), doi:10.5194/acp-14-12967-2014.

[5] V. Erying, T. G. Shepherd, and D. W. Waugh, SPARC Report on the Evaluation of Chemistry-Climate Model. (Eds.), SPARC Report No. 5 WCRP-132 (WMO/TD-No. 1526)(2010). [Электронный ресурс]: http://www.atmosp.physics.utoronto.ca/SPARC.

[6] С. В. Соломонов, К. П. Гайкович, Е. П. Кропоткина и др., Известия вузов. Радиофизика 54(2), 113 (2011).

[7] С. В. Соломонов, Е. П. Кропоткина, А. Н. Игнатьев и др., Краткие сообщения по физике ФИАН 39(3), 3 (2012).

[8] С. В. Соломонов, Е. П. Кропоткина, С. Б. Розанов и др., Краткие сообщения по физике ФИАН 39(10), 3 (2012).

[9] С. В. Соломонов, Е. П. Кропоткина, С. Б. Розанов и др., Краткие сообщения по физике ФИАН 41(3), 8 (2014).

[10] The British Atmospheric Data Centre (BADC). URL: http://badc.nerc.ac.uk/view/badc.nerc.ac.uk_ ATOM-dataent-ASSIIM.

[11] G. L. Manney, M. L. Santee, M. Rex, et al., Nature 478, 469 (2011), doi:10.1038/nature10556.

[12] A. J.Charlton and L. M. Polvani, J. Climate 20, 449 (2007).

[13] G. L. Manney, K. Kruger, J. L. Sabutis et al., J. Geophys. Res. 110, D04107 (2005), doi: 10.1029/2004JD005367.

[14] J. Kuttippurath and G. Nikulin, Atmos. Chem. Phys. 12, 8115 (2012), doi:10.5194/acp-12-8115-2012.

[15] S. Schimanke, T. Spangehl, H. Huebener, and U. Cubasch, Climate Dynamics 40(7-8), 1733 (2013), doi: 10.1007/s00382-012-1530-x.

Поступила в редакцию 27 апреля 2015 г.