Вулканогенные факторы разрушения стратосферного озона

• Автор: Савельева, Екатерина Сергеевна
• Шифр специальности: 25.00.29
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 112 с. : ил.

Оглавление
Введение

Глава 1. Общая характеристика озоносферы и стратосферного аэрозоля

1.1. Химия стратосферного озона

1.2. Пространственно-временная структура озоносферы

1.3. Стратосферный аэрозольный слой

1.4. Механизм образования и общая характеристика вулканогенной сажи

в стратосфере

Глава 2. Роль сажевого аэрозоля в формировании озоновых и

температурных аномалий при вулканогенных возмущениях

стратосферы
2.1. Стратосферные озоновые и температурные аномалии после извержения вулкана Пинатубо
2.2. Конвективный подъем аэрозолей в нижнюю стратосферу при высотах эруптивной колонны ниже высоты тропопаузы
2.3. Связь периодов долговременной деструкции озоносферы с вулканогенными возмущениями стратосферы
Глава 3. Механизмы формирования и факторы усиления весенних озоновых аномалий в полярных регионах
3.1. Основные различия формирования озоновых аномалий в Арктике и Антарктике
3.2. Механизм подъема газовых выбросов вулкана Эребус в стратосферу
3.3. Вулкан Эребус как ключевой фактор усиления антарктической озоновой дыры
Заключение
Список литературы
Введение
Актуальность работы
Озоновый слой является одной из основ поддержания жизни на Земле, защищая биосферу от губительного действия ультрафиолетового (УФ) излучения на длинах волн короче 315 нм. У растений УФ-В радиация (к ~ 280X315 нм) вызывает депрессию фотосинтеза вплоть до разрушения фотосинтетического аппарата. В океане коротковолновое УФ излучение губительно воздействует на фитопланктон и макрофиты. Для человека действие УФ-В излучения может иметь негативные последствия, вызывая развитие карциномы, катаракты, а также изменения в иммунной системе. Таким образом, исследование механизмов разрушения озоносферы является актуальной проблемой.
Наблюдаемые с начала 70-х гг. XX в. процессы деструкции стратосферного озона обычно трактуют с позиции фреоновой концепции разрушения озонового слоя. Вследствие химической инертности в тропосфере фреоны имеют время жизни сотни лет. Попадая в стратосферу, под действием УФ радиации длин волн X < 240 нм они разлагаются с высвобождением атомов хлора, активно разрушающих озон. В 70-х гг. выбросы техногенных фреонов превысили экологический порог. Однако в этот же период активизировались серийные возмущения стратосферы вулканогенным аэрозолем.
Принято считать, что основную роль в длительной депрессии озона играет долгоживущий сернокислотный аэрозоль, в больших количествах образующийся в стратосфере при вулканических выбросах диоксида серы 802. Но для сернокислотного аэрозоля характерны крайне низкие значения константы взаимодействия с озоном (в условиях стратосферы а < ИГ8), не позволяющие связать с ним наблюдаемые в течение 1,5-2 лет после вулканических извержений аномальные истощения озона. Достаточно высокую константу взаимодействия с озоном имеет вулканический пепел (1,2-10-4), наличие которого в стратосфере провоцирует истощение озона в начальный период после извержения. Но время
жизни вулканического пепла в стратосфере ограничено быстрым осаждением и составляет не более полугода. Помимо пролонгированной депрессии озоносферы, после крупных вулканических извержений наблюдается аномальный разогрев тропической стратосферы, сохраняющийся в течение 1,5-2 лет, который не может быть обусловлен присутствием сернокислотного аэрозоля. Таким образом, актуальной задачей становится поиск нового типа вулканогенного аэрозоля, который имеет высокую константу взаимодействия с озоном, способность эффективно поглощать коротковолновую солнечную радиацию и длительное время жизни в стратосфере.
Не менее важной проблемой является изучение механизмов разрушения стратосферного озона в полярных регионах в весенний период, тем более что именно факт регистрации антарктической озоновой дыры стал основным аргументом фреоновой концепции разрушения озоносферы. До сих пор слабо изучены причины разительного отличия в поведении весенних озоновых аномалий в северной и южной полярных областях. В начале 80-х гг. XX в. произошло стремительное понижение значений общего содержания озона (ОСО) в Антарктиде, в то время как межгодовой ход весенних значений ОСО в Арктике существенно не менялся в течение всего периода наблюдений (с 1973 г.).
Существенное, более чем на порядок, увеличение площади антарктической озоновой дыры, в первую очередь, может быть обусловлено тем, что географически внутри этой площади расположен вулкан Эребус, активность которого усилилась именно в эти годы, а в состав вулканогенных выбросов входят компоненты, играющие важную роль в каталитических циклах разрушения стратосферного озона. Следовательно, актуальной задачей является изучение механизмов попадания в стратосферу выбросов вулкана Эребус.
Цели и задачи исследования
Основная цель работы - выявить причины формирования длительных вулканогенных озоновых и температурных аномалий в стратосфере и оценить роль вулкана Эребус в усилении антарктической озоновой дыры.

Синтез метана в эруптивной колонне происходит при гидрировании угарного газа в процессе Фишера-Тропша (при температуре 250-350 °С на поверхности минералов, содержащих железо или другие металлы VIII группы) [83]:
СО + ЗН2 -* СН4 + Н20. (Т ~ 200-250 °С, Ре) (1.28)
Синтезированный метан вовлекается турбулентными потоками в центральную часть эруптивной колонны, где в ее нижней части имеются все условия, необходимые для формирования "термической" сажи: высокая температура (~ 1200-1500 °С), недостаток кислорода и наличие множества раскаленных частиц пепла в качестве нагретых поверхностей:
СН4 —> С + 2Н2. (Т~ 1200-1500 °С) (1.29)
В эруптивной колонне мольная доля углекислого газа составляет около 12,5%, а мольная доля метана ~ 0,005% [84-86]. При извержении вулкана Пинатубо в стратосферу было выброшено около 50 Мт С02 [87]. При условии полного термического разложения метана масса сажи, выброшенной при извержении Пинатубо в стратосферу, может достигать 7,3 кт.
В работе [88] приводятся результаты прямых исследований сажевого аэрозоля в 1991-93 гг. на стратосферных высотах до ~ 21 км с помощью высотного самолета Е11-2. Его наличие в стратосфере авторы статьи связывают с подъемом сажевого аэрозоля из резервуара в верхней тропосфере и нижней стратосфере, постоянно пополняемого авиационными выбросами. Однако тот факт, что в феврале-марте 1992 г. на широте ~ 54-58° с.ш. средняя концентрация сажи на высоте около 20 км превышала соответствующую концентрацию на высоте 10,7 км почти в 2 раза указывает на появление в этот период дополнительного более мощного источника сажи. Таким источником, вероятнее всего, стало извержение вулкана Пинатубо в июне 1991 г.