Учёные из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН) обнаружили аномальные изменения в озонном слое над Москвой. Измерения на миллиметровых волнах показали большие изменения концентрации озона накануне внезапных сильных стратосферных потеплений.
Стратосферный озон известен как главный защитник Земли от вредного ультрафиолетового излучения Солнца. Он играет и другую важную роль – участвует в формировании температурного режима стратосферы и её циркуляции. Озон во многом определяет процессы на границе между стратосферой и тропосферой, а значит, влияет на климат и погоду на Земле.
Для изучения эволюции озонного слоя необходимо регистрировать изменения в содержании озона на разных отрезках времени (сезон, год и более длительные периоды) и выяснять, какие атмосферные процессы влияют на содержание и распределение озона. В этом помогает регулярный мониторинг газового состава атмосферы.
Для решения этой задачи особенно эффективно наземное измерение спектров теплового излучения озона в миллиметровом (ММ) диапазоне. Наземное зондирование позволяет вести регистрацию круглосуточно, в широком диапазоне высот: от нижней стратосферы (12–20 км) до области мезопаузы (80–90 км), и почти в любую погоду, благодаря тому, что ММ-волны сравнительно мало рассеиваются и поглощаются в атмосфере.
В Лаборатории спектроскопии миллиметровых волн ФИАН мониторинг вертикального распределения озона в стратосфере над Москвой проводится с 1996 г. Кроме основного радиоспектрометра, используемого для регулярных наблюдений, создан передвижной озонометр повышенной чувствительности и разработаны новые радиофизические методы изучения озонного слоя.
Приборы измеряют спектральную линию теплового излучения озона с центральной частотой 142,2 ГГц (длина волны излучения 2,1 мм). Принимаемое излучение преобразуется по частоте, усиливается и поступает в анализаторы спектра, данные с которых записываются в компьютер. Зная особенности спектральной линии, учёные восстанавливают вертикальное распределение озона в атмосфере.
Этот метод можно использовать для зондирования и других газов (окислов хлора, азота, углерода, азотной кислоты и др.), имеющих спектральные линии в ММ-диапазоне. Многие из них влияют на содержание озона, вступая с ним в химические реакции.
Комментирует заведующий Лабораторией спектроскопии миллиметровых волн ФИАН, кандидат физ.-мат. наук Сергей Борисович Розанов:
«В ММ-диапазоне волн до высот 70–75 км основной вклад в уширение спектральных линий вносят столкновения молекул. Это уширение пропорционально давлению, поэтому спектр содержит информацию о вертикальном распределении содержания излучающих молекул».
Изучая в течение 20 лет высотно-временное распределение озона над Москвой, учёные ФИАН установили, что в течение месяца перед началом внезапного сильного стратосферного потепления наблюдается пониженное содержание озона. Пример такого явления представлен на рисунке 1, где показано распределение озона над Москвой в холодное полугодие 2012–2013 гг. В январе 2013 г. произошло сильное потепление, которому предшествовало пониженное содержание озона в декабре. Для зим без сильного стратосферного потепления такое длительное истощение озона (в течение 1-1,5 месяцев) не наблюдается (пример распределения озона над Москвой для зимы 2010-2011 гг. также представлен на рисунке 1).
Рисунок 1. Высотно-временнóе распределение содержания озона в стратосфере над Москвой зимой 2010–2011 и 2012–2013 гг. (содержание озона представлено цветом в единицах ppm (parts per million), 1 ppm соответствует одной молекуле озона на 1 млн молекул воздуха; сине-голубые тона соответствуют низкому содержанию озона, красно-жёлтые – высокому)
(рисунок предоставлен Лабораторией спектроскопии миллиметровых волн)
В чём же причина такого различия в распределениях озона? Поясняет Сергей Борисович:
«В январе 2013 г. внезапное стратосферное потепление привело к разрушению стратосферного полярного вихря. Температура стратосферы поднялась на несколько десятков градусов, а содержание озона увеличилось более чем на 2 ppm (около 40 % от среднего значения). Наблюдавшееся перед этим длительное понижение содержания озона над Москвой было вызвано тем, что вихрь был смещён к Европе и над Москвой находился арктический воздух с низким содержанием озона».
Напротив, зимой 2010-2011 гг. полярный вихрь был устойчивым и мало смещался к Европе. К весне внутри него возникла «озонная дыра», по степени разрушения озонного слоя сравнимая с её знаменитым антарктическим аналогом. Периоды значительного снижения концентрации озона над Москвой весной 2011 г. были связаны с приближением к Европе этой арктической «озонной дыры» (см. рисунок 2).
Рисунок 2. Озонная дыра над Северным полушарием весной 2011 г.:
слева – отклонение общего содержания озона от нормы в процентах 30 марта 2011 г. (данные Ozone maps), справа – озон над Москвой (30 марта и 7 апреля 2011 г. Москва находилась внутри полярного вихря, 24 марта – вне вихря; данные Лаборатории спектроскопии ММ волн ФИАН).
Обобщив результаты, полученные за 20 лет регулярных наблюдений в ФИАН, учёные заключили, что большие изменения концентрации озона над Москвой зимой сильно связаны с динамикой и температурой стратосферы Северного полушария, а основную роль в изменчивости этих показателей играют сильные внезапные стратосферные потепления. Длительные понижения содержания озона на высотах около 30 км над Москвой в начале зимы могут рассматриваться как предвестники таких потеплений.
В ближайших планах лаборатории – продолжить изучение содержания озона и подготовить эксперимент по зондированию окиси хлора над Москвой в условиях изменений состава, динамики и теплового режима атмосферы. Учёные рассчитывают, что это поможет при моделировании атмосферных процессов и прогнозировании изменений озонного слоя и климата.
О. Овчинникова, АНИ «ФИАН-Информ»
