Влияние стратосферного аэрозоля на содержание атмосферного озона

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние стратосферного аэрозоля на содержание атмосферного озона

Б.Б. Чен

В.М. Лелевкин

Как показывают исследования, вулканические извержения оказывают влияние на содержание озона в атмосфере, причем механизмы этого влияния могут быть самыми различными. Например, в безвулканические периоды за счет наличия в атмосфере двуокиси серы SO2(сернистого газа) происходит накопление озона при фотоокислении SO2 кислородом воздуха [1].

В настоящей статье рассматриваются некоторые механизмы накопления и истощения стратосферного озона под влиянием сернокислотного стратосферного аэрозоля при различных состояниях атмосферы.

Фоновый период. Установленные в [2] высоты расположения максимума отношения рассеяния Rmax над Центральноазиатским регионом (средняя высота 18,25 км, 17,62 в холодное, и 19,0 км - в теплое полугодия) свидетельствуют о том, что максимум концентрации фонового стратосферного аэрозоля (СА) образуется главным образом в самой стратосфере в течение года, независимо от сезона. Следовательно, поступление сернистого газа из тропосферы в фоновые периоды не является прямым источником образования аэрозоля. Основную роль в формировании фонового СА, по-видимому, играет карбонилсульфид, фотодиссоциирующий с образованием сернистого газа в нижней стратосфере.

Рис. 1. Нормированные корреляционные функции R(H) для фоновых периодов:

а - до извержения, б - после извержения вулкана.

1 - 14,2 км; 2 - 16,6 км; 3 - 22,0 км; 4 - 26,8 км.

Как показали результаты эксперимента (рис. 1), до извержения вулкана Пинатубо в фоновый период выделялась область высот 24-29 км с локальными минимумами в корреляционных функциях, где сосредоточена основная масса фонового аэрозоля. Это происходило на высоте максимума концентрации озона (24-27 км), а не в области аэрозольного слоя Юнге, что позволило предположить, что здесь происходило накопление озона, т.е. генерация O3 при фотоокислении SO2 кислородом воздуха [1]:

.

Рис. 2. Трансформация профилей R(H) в июне-сентябре 1991 г.

Вулканическая двуокись серы и озон. В результате извержения вулкана Пинатубо на Филиппинах в июне 1991 г. в атмосферу было выброшено огромное количество вещества в газообразной и аэрозольной фазах. Оценки, проведенные на основе спутниковых наблюдений, показали, что масса выброшенной двуокиси серы составила примерно 20 Мт [3], что в три раза превышала его количество после извержения вулкана Эль-Чичон в 1982 г. Состояние СА и изменение его параметров оказало мощное влияние на радиационные процессы в атмосфере и трансформацию озонового слоя.

Начальная фаза формирования стратосферного аэрозольного слоя после извержения вулкана представлена на рис. 2.

В летний сезон трансформация СА на высотах ниже 20 км вызвана западным переносом воздушных масс. Выше в стратосфере при восточной циркуляции отсутствуют условия, способствующие переносу аэрозоля из тропических широт в умеренные зоны северного полушария. В летний период меридиональная циркуляция в стратосфере значительно ослабевает, практически до нуля [6]. Появление аэрозоля на высотах более 20 км зафиксировано в конце октября 1991 г. при установлении западной циркуляции в умеренной зоне стратосферы. При этом произошло разрушение летнего стратосферного антициклона и реализовались благоприятные условия для переноса аэрозоля из тропической зоны в умеренные северного полушария в верхней стратосфере. В этот период наблюдалось повышение максимума СА (рис. 3).

Рис. 3. Трансформация профилей R(H) в ноябре-декабре 1991 г.

Зимой (в декабре) в стратосфере умеренных широт господствующей является зональная (западная) циркуляция. В январе и феврале циркуляция в стратосфере неустойчива, меридиональный перенос преобладает над зональным [6]. Это связано с тем, что циркумполярный циклонический вихрь смещается к югу, а тихоокеанский максимум - к северу, и оба становятся подвижными. Наблюдается увеличение высоты расположения максимума СА и наибольшее увеличение оптической толщины (рис. 4).

Рис. 4. Трансформация профилей R(H) в декабре 1991 г. и январе 1992 г.

Рис. 5. Динамика R(H) с февраля по декабрь 1992 г.

С июня 1992 г. до января 1993 г. происходило увеличение СА в десятки раз по сравнению с фоновыми до извержения вулкана (рис. 5), после чего содержание СА постепенно возвращалось к уровню 1988-1989 гг. Это связано с тем, что при вулканических извержениях взрывного типа в стратосферу наряду с сернокислотными частицами различных размеров попадает и большое количество сернистого газа [7]. Повышение мощности СА после поступления в стратосферу сернистого газа происходит за счет его постепенного окисления до паров серной кислоты, которые конденсируются вместе с водяным паром на уже имеющихся в стратосфере частицах, или образуют новые частицы путем гомогенной нуклеации из газовой фазы. В нашем случае эти процессы, видимо, продолжались вплоть до конца 1992 - начала 1993 г.

Результаты измерений показывают (рис. 6), что основная масса вулканического аэрозоля в начальный период после извержения вулкана сосредоточена в слоях 16-18 и 23-25 км. В следующий период, после процесса седиментации частиц, происходило формирование аэрозоля из сернистого газа в слое максимума концентрации стратосферного озона 26-28 км. Поэтому происходило уменьшение общего содержания озона (см. рис. 7), который, видимо, расходовался в реакции фотоокисления SO2 [8]: . С июня 1992 г. по февраль 1993 г. наблюдалось резкое замедление снижения концентрации аэрозоля (рис. 7). В результате этой реакции в данный период шло формирование стратосферного аэрозоля: . В период с марта по август 1993 г. концентрация СА уменьшилась почти в два раза, а ОСО резко возросло (рис. 7) в результате генерации озона при фотоокислении SO2 кислородом воздуха:

[9].

Рис. 6. Нормированные корреляционные функции R(H):

а - период с июня 1991 г. по январь 1992 г.;

б - с февраля по декабрь 1992 г.

1 - 14,2 км; 2 - 16,6 км; 3 - 22,0 км; 4 - 26,8 км.

Рис. 7. Совместное распределение СА и ОСО (сплошные линии - Rmax, пунктирные - ОСО).

Эмпирические связи между СА и ОСО. Анализ эмпирических связей между СА и ОСО показал, что за весь период действия продуктов извержения вулкана Пинатубо коэффициент линейной корреляции между СА и ОСО оказался равным r = 0,87±0,07 при надежности вывода о линейной корреляции Р=0,99. озон атмосфера сернокислотный

В фоновый период до извержения вулкана в стратосфере происходило формирование СА за счет фотоокисления находящегося в стратосфере SO2 и коэффициент корреляции между СА и ОСО был отрицательным (r = - 0,46±0,17 с Р=0,95). После прихода продуктов извержения вулкана в наши широты на стадии формирования СА из SO2 (с июня 1993 по февраль 1993 гг.) происходило поглощение O3 сернокислотным аэрозолем, концентрация O3 уменьшилась (см. рис. 7). Отрицательная корреляция при этом между СА и ОСО выросла по сравнению с фоновым периодом: r = -0,76± 0,12, Р = 0,99.

На стадии генерации озона при фотоокислении сернистого газа кислородом воздуха с марта 1993 по август 1993 г. коэффициент корреляции вновь положительный: r = 0,88±0,07, Р = 0,99.

Заключение

Процесс релаксации СА после вулканических извержений сопровождается двояким его влиянием на содержание стратосферного озона: уменьшением общего содержания озона при реакции фотоокисления SO2 и увеличением ОСО в результате генерации озона при фотоокислении SO2 кислородом воздуха. Следовательно, наряду с приведенными в [10] причинами появления над горными регионами Центральной Азии так называемых "локальных озоновых дыр" (уменьшение концентрации озона), существуют рассмотренные выше дополнительные механизмы уменьшения озона, связанные с поглощением озона сернокислотным стратосферным аэрозолем, а также с фотоокислением двуокиси серы, находящейся и в фоновые периоды в стратосфере.

В заключение выражаем благодарность научному руководителю станции "Иссык-Куль" доценту В.К. Семенову за предоставленные данные спектрометрических измерений ОСО.

Литература

1. Ивлев Л.С., Сирота В.Г., Хворостовский С.Н. Влияние окисления вулканической двуокиси серы на содержание сернокислотных аэрозолей и озона в стратосфере // Оптика атмосферы. - 1990. - Т. 3. - №1. - С. 37-43.

2. Чен Б.Б., Лелевкин В.М. Стратосферный аэрозольный слой над Центральной Азией. - Бишкек: Изд-во КРСУ, 2000. - 228 с.

3. Bluth G.J.S., Doiron S.D., Schnetzler C.C., Krueger A.J., Walter L.S. Global tracing of the SO2 clouds from the June 1991 Mount Pinatubo eruption // Geophys. Res. Lett. - 1992. - V.19. - N2. - P. 151-154.

4. McCormick M.P., Veiga R.E. SAGE-II measurements of early Pinatubo aerosols // Geophys. Res. Lett. - 1992. - V.19. - N2. - P. 155-158.

5. Stowe L.L., Carey R.M., Pelegrino P.P. Monitoring the Mt. Pinatubo aerosol layer with NOAA/11 AVHRR data // Geophys. Res. Lett. - 1992. - V.19. - N2. - P. 159-162.

6. Столыпина Н.В. Сезонные изменения интенсивности циркуляции в стратосфере северного полушария. - Л.: Гидрометеоиздат, 1981. - 78 с.

7. Turco R.P., Toon O.B., Written R.C. et al. The 1980 eruption of Mount St. Hellens: Physical and chemical processes in the stratospheric clouds // J. Geophys. Res. - 1983. - V.88. - NC9. - P. 5299-5319.

8. Копьева Л.Г., Сирота В.Г., Хворостовский С.Н., Челибанов В.П. // Тез. докл. 6 респ. конф. молодых ученых-химиков. - Таллинн. 1985. - C. 75.

9. Окабе Х. Фотохимия малых молекул. - М.: Мир, 1981. - 500 с.

10. Токтомышев С.Ж., Семенов В.К. Озоновые дыры и климат горного региона Центральной Азии. - Стамбул, 2001. - 213 с.

Размещено на Allbest.ru