Нелинейно-динамические модели атмосферных фотохимических систем

• Автор: Фейгин, Александр Маркович
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 132 с. : ил.; 20х14 см

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Введение, актуальность темы диссертации
Атмосферные фотохимические системы (ФХС) представляют собой цепочки взаимосвязанных химических процессов (в том числе - процессов фотолиза), протекающих в атмосфере Земли и влияющих на динамику малых газовых составляющих атмосферы (всех присутствующих в атмосфере химических соединений, исключая молекулярные азот и кислород). Наборы таких процессов и их характеристики существенно различны в различных областях атмосферы, поэтому принято выделять ФХС, отвечающие разным областям: ФХС приземного слой, свободной тропосферы, полярной нижней стратосферы, мезосферы и другие. Фотохимические процессы являются одним из основных звеньев в цепи глобальных атмосферных процессов, определяющих термическую структуру атмосферы Земли, ее радиационный баланс И глобальную циркуляцию.
«Врожденным» свойством атмосферной фотохимии является нелинейность: протекающим в атмосфере бй- и тримолекулярным реакциям соответствуют нелинейные (соответственно квадратичные и кубические) члены в системах уравнений химической кйнетикй для концентраций химических компонент, описывающих эволюцию атмосферных ФХС. Кроме того, важ-!‘;' ную роль в эволюции некоторых ФХС играют так называемые гетерогенные реакции, которые происходят между химическими соединениями, находящимися в разных (газообразном и конденсированном) агрегатных состояниях, и протекают на поверхности или в объеме аэрозольных и облачных частиц. Производительность таких реакций зависит с|т размера частиц, который, В свою очередь, является функцией концентраций молекул веществ, образующих конденсированную фазу, и изменяется в результате реакций. Поэтому соответствующие нелинейные слагаемые в кинетических уравнениях могут иметь иную (в том числе - дробную) степень, нежели слагаемые, отвечающие чисто газофазной фотохимии.
Нелинейность атмосферной фотохимии означает, что изменения параметров1 могут Приводить к бифуркациям соответствующей ФХС. В случае, когда изменения параметров имеют периодический характер (суточные И
1 Для атмосферных ФХС параметрами являются: (I) константы реакций; (2) концентрйции включенных в ФХС химических соединений, относительные изменения которых за характерные времена эволюции исследуемой ФХС либо пренебрежимо малы, либо обусловлены внешними по отношению к данной ФХС факторами. Кроме того, для конкретных ФХС в качестве параметров могут рассматриваться температура воздуха, зенитный угол Солнца, Продолжительность светового дня, высота над уровнем моря и др.

сезонные тренды параметров, изменения, связанные с цикличностью солнечной активности, и др.), бифуркации могут быть причиной развития «рутинных» процессов, периодически протекающих в атмосфере.
В последние два десятилетия особое внимание привлекают монотонные тренды параметров атмосферы антропогенного происхождения, обусловленные изменением химического состава атмосферы. Речь идет, прежде всего, об увеличении содержания в атмосфере озоноактивных веществ и парниковых газов. Эти тренды являются, в свою очередь, причиной зарегистрированного изменения среднегодичной температуры различных областей атмосферы2. Указанные изменения могут приводить к трендам других параметров атмосферных ФХС и быть причиной бифуркаций, в результате которых соответствующая ФХС перейдет в новый режим поведения, инициируя при этом ранее не наблюдавшиеся атмосферные явления.
Таким образом, исследование нелинейно-динамических свойств3 (НДС) атмосферных ФХС важно как для объяснения уже наблюдавшихся и наблюдаемых явлений, так и для предсказания реакции атмосферы на ожидаемые тренды ее параметров.
Впервые идея о том, что НДС атмосферных ФХС могут существенно влиять на эволюцию концентраций малых газовых составляющих (приводя, например, к их «внезапным» и количественно значимым изменениям), была высказана более двадцати лет назад [3*]. В этой работе с помощью простой модели была продемонстрирована возможность существования нескольких состояний равновесия (мультистабшьности) у стратосферной ФХС и отмечалось, что данное свойство может быть причиной зарегистрированной незадолго до этого [4*] быстрой пространственно-временной изменчивости концентрации двуокиси азота Ы02 в зимней стратосфере. К настоящему времени опубликовано значительное число работ, посвященных исследованию НДС атмосферных ФХС. Было, в частности, продемонстрировано, что мультистабильность может иметь место в тропосферной ФХС [5*-7*,25], стратосферной [8*], полярной нижнестратосферной [11] и мезосферной [9*] ФХС. В другой группе работ было показано, что в атмосферных ФХС могут возникать автоколебания. Такие режимы поведения были выявлены при моделировании тропосферной [10*-14*,25] и полярной
2 В частности, в последние двадцать лет температура тропосферы повышалась примерно на ~ 0.1 0К/декаду /7*7, а температура нижней стратосферы понижалась в среднем по земному шару на ~ 0.6 0К/декаду а в зимне-весенней полярной нижней стратосфере отрицательный тренд температуры составлял ~ (3-4)°К/декаду [2*].
3 Нелинейно-динамическими свойствами системы мы называем совокупность возможных режимов ее поведения при различных сочетаниях значений управляющих параметров.

качественные соображения подтверждаются приведенными в пункте 1.4.3 результатами численных расчетов: для изменяющихся в широких пределах величин Параметров Гиг установлено, что область нелинейного отклика существует вплоть до величин коэффициента турбулентной диффузии Л'2=(1-2)хЮ5 см2сЛ Важно отметить, что данные значения Кг соответствуют условиям летней мезопаузы и примерно на порядок меньше значений, характерных для зимних условий [48*,51*]. На рис.З(в-м) видно, что по мере усиления диффузии поведение системы упрощается, так что при /^=7*104 cmV1 выживает только вторая субгармоника (осцилляции с периодом двое суток); полное подавление нелинейных режимов происходит при К2« 2* 105 см2с'*.
2.3.2. Для того, чтобы обсуждать возможные проявления НДС мезо-сферной ФХС в реальных условиях, важным является вопрос о влиянии обсуждавшихся выше нелинейных осцилляций концентраций малых химических составляющих на термодинамические характеристики атмосферьь Причина такого влияния - эндотермичность ряда реакций, определяющих эволюцию мезосферной ФХС37. В результате осцилляции концентраций вызывают, через вариации тепловыделения химических реакций, соответствующие осцилляции температуры области мезопаузы, а, следовательно, и других газодинамических характеристик, а также интенсивности собственного излучения малых газовых составляющих. Впервые идея о возможной связи нелинейных «химических» осцилляций на термодинамические характеристики области мезопаузы высказана в работе [15*] на основе расчетов, проведенных в рамках нуль-мерной фотохимической модели. Однако, из изложенного выше (см. параграф 1.4 и пункт 2.3.1) следует, что ответ на поставленный вопрос не может быть получен без учета вертикальной турбулентной диффузии. Соответствующие исследования были начаты нами в работах [15,17]. Было показано, что при тййичных для летней мезопаузы условиях амплитуда второй субгармоники в скорости химического нагрева может достигать 0.5°ЛУсуткй. В качестве примера на рис.6 приведена бифуркационная диаграмма для скорости нагрева при r-Appmv и X2«(9x104)cmV. Видно, что амплитуда второй субгармоники в скорости нагрева составляет примерно 0.4°А7сутки.
2.3.3. Приведенные результаты дают основания рассматривать нелинейные фотохимические осцилляции в районе мезопаузы в качестве серьезного претендента на роль «возбудителя» так называемых квазидвухсуточных волн в верхней Мезосфере и нижней термосфере. Эти волны были впервые обнаружены Müller [31*] и регистрируются с помощью радаров, ракетных

В частности, всех трех реакций, формирующих каталитический цикл гибели атомарного кислорода (2.9). Кроме того, из приведенных в Табл. 1 эндотермиче скими являются реакции (Я9)-(Ю2).