Микроволновые наземные исследования вариаций озона над антарктидой

• Автор: Кузнецов, Игорь Владимирович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 120 с. : ил.

4 ОГЛАВЛЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОСНОВЫ МЕТОДА, АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ СПЕКТРА И ПРОФИЛЯ ОЗОНА
1.1. Радиофизические основы микроволнового метода
1.2. Методика измерений и калибровки
1.3. Конструкция анализатора

' 1.4. Исследования возможных ошибок измерений спектра
1.4.1. Искажения «базовой линии»
1.4.2. Влияние излучения фона
1.4.3. Влияние излучения атмосферы во время снегопадов
1.5. Процедура восстановления вертикального распределения озона
1.6. Сопоставление метода с данными озоновых зондов
ГЛАВА 2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИНАМИЧЕСКИХ
ВАРИАЦИЙ СТРАТОСФЕРНОГО ОЗОНА
2.1. Природа динамических вариаций
2.2. Динамические вариации интегральных характеристик озона
2.3. Идентификация основных динамических событий
2.4. Вариации озона во время потеплений и при смене циркуляции
2.4.1. Вариации озона во время финального потепления
2.4.2. Вариации озона во время минорных потеплений
2.4.3. Вариации озона во время главного (зимнего) потепления
2.4.4. Вариации озона при смене стратосферной циркуляции
2.5. Исследования регулярных суточных вариаций озона

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ВОЗДЕЙСТВИЯ
НА ОЗОН ПРОТОННЫХ ВСПЫШЕК 1989 г
3.1. Природа воздействия протонных вспышек на озон и его прогнозы
3.1.1. Прогноз в рамках 2-мерной модели атмосферы
3.1.2. Прогноз в рамках 3-мерной модели и его
сопоставление с данными ЗВІТУ/2
3.2. Ожидаемые и наблюдаемые изменения теллурической
линии озона
3.3. Вариации озона в период «полярной шапки»
3.4. Вариации озона в период активности азотных радикалов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Способность стратосферного озона поглощать ультрафиолетовое излучение Солнца, губительное для всего живого на Земле, предопределяет необходимость не только постоянно контролировать его содержание и распределение в стратосфере, но и всевозможными методами исследовать процессы на них влияющие. В результате озон, воздействующие на него газовые составляющие и их перенос в средней атмосфере изучаются дистанционно почти во всех диапазонах электромагнитных волн, как с поверхности Земли, так и с помощью баллонов, самолетов и спутников, а также различными контактными методами (см., например, [1-3]).
Микроволновые наблюдения вращательных спектров озона и других стратосферных примесей были начаты более 30 лет назад с поверхности Земли и сразу показали преимущества этого метода по сравнению с оптическими и инфракрасными наблюдениями. Микроволны практически не рассеиваются на аэрозолях и ' значительно меньше ослабляются в облаках. Лучшая спектральная чувствительность и более высокое спектральное разрешение позволяют измерять не просто интенсивность отдельной теллурической линии, а и ее форму, и не только с помощью внеземного источника (Солнца), но и по собственному излучению атмосферы. Форма линии определяется уширением соударениями молекул газа с другими молекулами в сочетании с тепловым уширением Доплера и связана с вертикальным распределением его концентрации на высотах от 15 до 70 км интегральный уравнением. А наблюдения по собственному излучению атмосферы могут быть круглосуточными и практически непрерывными, в том числе и полярной ночью [4-7].
Для решения интегральных уравнений разработаны численные процедуры восстановления вертикального распределения газа по измерениям его микроволнового спектра (см., например [8]). Их общий недостаток - наличие ошибок восстановления, которые сильно зависят от точности измерений [9]. Другая особенность метода связана с тем, что механизмы уширения, кроме квантово - механических характеристик, зависят еще и от высотных профилей температуры и давления. Это требует и их измерений, особенно в исследованиях стратосферного озона, поскользи главной струи стратосферного циклона, где максимальный градиент температуры и концентрации озона. Релаксация возможна, если нестационарность планетарных волн слабая, затухание низкое и критические уровни отсутствуют [17,19].
Внезапные потепления классифицируются как «главные», когда критический уровень, где разрушаются стационарные волны, опускается до высоты 30 км, «финальное» - последнее главное и «минорные», когда зональные ветры в стратосфере не меняют направление и возможна релаксация циклона [17,21].
В антарктической атмосфере все эти процессы имеют свои особенности. Здесь циркумполярный циклон значительно мощнее, чем над Северным полюсом, планетарные возмущения развиваются преимущественно над районами с 90° в.д. -90° з.д. [18], в большинстве случаев нестационарные [17] и у них недостаточно энергии, чтобы изменить направление ветра с западного на восточное. В моделях [19] для таких возмущений только предполагается, что, как и при стационарной волне, происходит «радиационное сжатие», но не вблизи критического уровня, а в слое торможения зонального ветра, где, например, волновая амплитуда уменьшается с высотой. При этом меридиональный поток к полюсу будет размыт по слою торможения.
«Главным» внезапным потеплением в Антарктике называют событие, которое иногда наблюдается в середине зимы [17]. «Минорные» происходят в августе-

октябре, а «финальное» - в октябре-ноябре [17,21]. Считается, что главное и финальное потепления вызваны «нелинейным» разрушением квазистационарных волн, которые распространяются против зонального потока с постоянной фазовой скоростью с. При этом критический уровень, на котором происходит разрушение волны, возникает на высоте, где с им совпадают по величине, т.е. ниже границы циклона и антициклона. В результате температура стратосферы может возрасти на 30-40К, но при этом направление ветра на высоте около 30 км не изменится [17,19].
Из-за холодной полярной ночи и низкого Солнца «главное» потепление изучено очень слабо. «Финальное» потепление наблюдается ежегодно и характеризу-