Роль космических лучей в изменениях концентрации озона в среднеширотной стратосфере тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.03 ВАК РФ

Р Г Б ОД

, , л .. , На правах рукописи

Федулина Инна Николаевна

РОЛЬ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ В ИЗМЕНЕНИЯХ КОНЦЕНТРАЦИИ ОЗОНА В СРЕДНЕШИРОТИОЙ СТРАТОСФЕРЕ

Специальность 01.03.03 Гелиофизика и физика солнечной системы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Республика Казахстан Алматы 1998

Работа выполнена в Институте ионосферы Министерства науки - Академии наук Республики Казахстан Научный руководитель: доктор физ.-мат.наук, профессор И.Д. Козин Официальные оппоненты:

- доктор физико-математических наук,

Э.Я. Вильковиский

- кандидат физико-математических наук,

А.А. Криволуцкнй

Ведущая организация: Институт физики атмосферы РАН

Защита диссертации состоится 24 июня 1998 г. в 14.30 на заседании регионального диссертационного совета Д 53.03.01 при ИИ МН-АН РК по адресу: Республика Казахстан, 480068, г. Алматы, Каменское плато, Институт ионосферы МН-АН РК.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИИ МН-АН РК Автореферат разослан " мая 1998 г.

Ученый секретарь регионального диссертационного совета кандидат физ.-мат.наук, доцент

Б.А. Туркеева

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. За последние десятилетия проблема атмосферного озона приобрела особое значение в связи с обнаруженной тенденцией уменьшения его концентрации в глобальных масштабах и образования так называемых "полярных дыр". Озон является естественным экраном для проникновения к Земле биологически активной части спектра ультрафиолетового излучения Солнца. Органические молекулы, такие как ДНК, способны изменяться под действием электромагнитных волн в этом спектральном диапазоне. Увеличение интенсивности этой части спектра солнечной радиации может вызвать необратимые генетические изменения живой природы, увеличить вероятность заболевания раком кожи и органов зрения у человека.

Интерес к проблеме атмосферного озона существенно возрос в связи с обнаружением влияния ряда факторов антропогенного происхождения на его содержание. Появились исследования, указывающие на возможность дополнительного разрушения озона в результате ядерных взрывов, полетов сверхзвуковой авиации, роста использования химических удобрений и т.д.

Учитывая важность озона в радиационном балансе атмосферы, в фильтрации опасного ультрафиолетового излучения Солнца для живой природы, можно считать, что исследования естественных вариаций концентрации озона приобретают актуальное значение.

Цель работы: Оценка роли галактических космических лучей в короткопериодичных вариациях концентрации стратосферного озона.

Реализация цели осуществлена на основе:

1. Исследований одновременных вариаций общего содержания озона и интенсивности галактических космических лучей.

2. Определения высотного диапазона воздействия космических лучей на концентрацию озона в стратосфере.

3. Сравнения эффективности воздействия изменений температуры, физико-химических и динамических процессов, вызванных возмущениями интенсивности галактических космических лучей, на вариации концентрации озона в среднеширотной стратосфере.

Научная новизна работы. К новым результатам можно отнести выявление закономерности изменения общего содержания озона в среднеширотной стратосфере при резких уменьшениях интенсивности галактических космических лучей типа Форбуш-эффектов. Также впервые

определен высотный интервал существенных изменений концентрации озона и температуры атмосферного газа при возмущениях галактических космических лучей, дано обоснование изменений вертикальной структуры температуры и скоростей переносов в вариациях концентрации озона. Показано, что скорость вымывания из атмосферы окислов азота зависит от интенсивности галактических космических лучей и влияет на амплитуду возмущений концентрации озона.

Теоретическая и практическая ценность работы. В используемую автором двухмерную среднезональную модель средней атмосферы соискателем введены новые, не использовавшиеся в ней ранее реакции, влияющие на концентрации окислов азота и атмосферного озона. Доказана существенность вертикальных движений атмосферного газа на уровнях страто-тропосферы при изменениях интенсивности космических лучей в регулировании концентрации озона.

Личный вклад соискателя. По материалам диссертации опубликовано 15 работ, из них без соавторства 7. Автор пользовался идеями коллег, вносил свои, проверял их в модельных и реальных экспериментах, выделял существенные из них для решения поставленных задач.

Положения, выносимые на защиту:

1. Обнаруженные автором закономерности реакции концентрации атмосферного озона при Форбуш-эффектах в галактических космических лучах.

2. Комплекс модельных расчетов воздействия изменений интенсивности космических лучей на концентрацию озона, согласующихся с экспериментальной информацией.

3. Доказательство превалирующей роли вертикальной динамики, вызываемой возмущениями интенсивности галактических космических лучей, в вариациях стратосферного озона.

4. Доказательство существенной роли процессов вымывания в амплитуде реакции концентрации озона на изменения интенсивности галактических космических лучей.

Апробация работы. По основным материалам диссертационной работы опубликовано 15 научных работ в казахстанской, российской и зарубежной печати. Результаты докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1. Межд. конференция по экологическим проблемам, организованная фондом Эберта, Алматы, 1-3 сентября 1993 г.

2. Межд. конференция солнечно-земных связей, Алматы, 7-11 ноября,

1994.

3. Конференция молодых ученых РАН, "Атмосферный озон", Москва, 6 апреля, 1995.

4. XXI General Assembly of IUGG, July 2-14, 1995, Boulder, Colorado,

USA.

5. 1st SPARC General Assembly, Melbourne, Australia, 2-6 December,

1996.

6. XXII General Assembly, Vienna, Austria, 21-25 April, 1997.

7. 22nd International Nathiagali Summer College on physics and ;ontemporary needs, Islamabad, Pakistan, 28 July-9 August, 1997.

8. Second Workshop "Solar Activity Effects on the Middle Atmosphere", 3rague, Czech Republic, 18-22 August, 1997.

9. Конференция молодых ученых РАН, "Атмосферный озон", Москва, >3 апреля 1998.

Кроме того, материалы диссертации обсуждались на семинарах С-Тетербургского Госуниверситета, института физики атмосферы РАН, шститута ионосферы МН-АН РК, государственного астрономического шститута им. Штернберга.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, рех глав и заключения. Диссертация содержит 93 страницы шшиноиисного текста, 22 рисунка, 3 таблицы, 75 ссылок на использованные

[сточники.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении аргументируется актуальность настоящей работы, ормулируется ее цель, поясняется научная новизна, теоретическая и рактическая ценность диссертации, оценивается личный вклад соискателя, десь же приведены сведения о влиянии озона на . поглощение чьтрафиолетовой радиации, показана актуальность исследования эроткопериодных колебаний концентрации озона для выявления изических закономерностей ее поведения, представлены положения,

выносимые на защиту, указываются организации, где проводилась апробация работы, даны структура и объем диссертации.

В первом разделе рассмотрены условия распространения галактических космических лучей в межпланетном пространстве, магнитосфере и атмосфере Земли, воздействия на их интенсивность солнечной активности. Рассмотрены пространственно-временные закономерности распределения стратосферного озона, а также дан обзор исследований по тематике воздействия корпускулярной радиации на концентрацию озона и других малых составляющих атмосферного газа.

В первом подразделе рассматриваются вопросы воздействия солнечной активности, геомагнитного поля и атмосферы Земли на интенсивность и прохождение корпускулярной радиации к земной поверхности, вариации космических лучей в периоды солнечных вспышек.

Спектр солнечной модуляции галактических космических лучей (ГКЛ) 0(р), состоящих в основном из протонов р, описывается выражением

(1)

где Е(р) - энергия протонов,

к(Ш) - коэффициент модуляции ГКЛ солнечным ветром, Ш - солнечная активность, выраженная числом солнечных пятен, К - жесткость протонов, 1,37 -.К1'5 ■ (Я +Д0) С_ 76,4-£(р) ' Д0«17ГэВ.

С увеличением солнечной активности интенсивность протонов ГКЛ убывает тем больше, чем ниже их энергия.

Широтное распределение интенсивности ГКЛ из-за влияния магнитного поля Земли определяется порогом жесткости обрезания спектра, который упрощенно записывается как

1^=14.9 соя4 Фт, (2)

где Фт- геомагнитная широта.

Солнечные протоны при этом проходят в атмосферу только на высоких широтах, а интенсивность ГКЛ убывает от полюса к экватору.

Энергия солнечных и галактических космических лучей в атмосфере Земли расходуется в ионизационных и ядерных процессах. Протоны с энергией Е(р)< 400 МэВ, к которым относится основная часть солнечных космических лучей, не проникают ниже 20-30 км и производят ионизацию атмосферного газа. Протоны больших энергий, основная часть которых принадлежит ГКЛ, вступают в ядерные реакции с ядрами молекул атмосферного газа и ниже ~30 км образуют поток вторичных космических лучей, состоящий из протонов, нейтронов, мезонов, электронов и у-квантов. Таким образом, высокоэнергичные протоны ГКЛ взаимодействуют на уровнях стратосферы с атмосферным газом через вторичные компоненты.

Все существенные изменения интенсивности солнечных и галактических космических лучей, а также высыпания энергичных частиц из областей захвата, связаны со вспышечной деятельностью Солнца. Приводится описание временной последовательности возмущений корпускулярной радиации. В состав этих возмущений входят: вспышка солнечных космических лучей, солнечное протонное событие, фронт ударной волны и Форбуш-эффект.

С помощью коэффициентов связи показано, что соотношение вариаций интенсивности протонов в стратосфере с вариациями нейтронной компоненты космических лучей, измеренной наземными приборами, меняется в пределах 3-6 раз.

Во втором подразделе приводятся основные характеристики пространственно-временного распределения атмосферного озона. Озон является сильно стратифицированным газом, максимум его концентрации располагается на высотах около 25 км. Общее содержание озона возрастает с увеличением широты, то есть от экватора к полюсам. В северном полушарии общее содержание озона (ОСО) больше, чем в южном. Имеется ярко выраженный годовой ход ОСО с максимумом в феврале-марте и минимумом в августе-сентябре.

В третьей подразделе дается обзор литературы по вопросу влияния корпускулярной радиации на атмосферный озон.

Уже в первые годы исследования озона в атмосфере В. Андерсон (W. Anderson, 1929) высказал гипотезу, что за образование озона ответственны ГКЛ, так как они имеют аналогичный широтный ход и отдают основную часть своей энергии именно на высотах, близких к высотам максимума концентрации озона. Эта гипотеза дальнейшего развития не получила, так как для объяснения наблюдаемой концентрации озона требуется

интенсивность потока ГКЛ в ¡О6 раз больше существующей. Действительно, как показали расчеты, (В.Осечкин, С.Смышляев, 1993) только для образования вторичного максимума в полярных широтах галактическими космическими лучами в предположении, что вся их энергия расходуется на образование озона, требуется более года, что не соответствует наблюдаемым вариациям Оз.

Современная концепция образования и разрушения озона основана на системе фотохимических процессов, источником которых является ультрафиолетовое излучение Солнца. Для объяснения сезонного и широтного распределения озона привлекается динамика атмосферы (крупномасштабный перенос озона из низких широт к высоким и вертикальные движения). В этих моделях на начальном этапе корпускулярная радиация не учитывалась. Однако в периоды солнечных протонных событий (СПС) спутниковые и ракетные измерения обнаружили в верхней стратосфере полярных широт уменьшение концентрации озона, что дало новый толчок к экспериментальным, теоретическим и модельным исследованиям воздействия корпускулярной радиации на озоносферу. Механизм этого воздействия был представлен в работах (M. Nicolet, 1975; H.S. Porter, С.Н. Jackman, and A.E.S. Green, 1976)

Протоны производят ионизацию атмосферного газа, сопровождающуюся образованием энергичных электронов, которые в свою очередь приводят через диссоциативную ионизацию молекул азота N2 к образованию атомарного азота ( M.Nicolet, 1975)

e+N2->N++N+2e (3)

Далее атомарный азот N в реакциях

n+o2->no+o

N+O+M—»NO+M (4)

приводит к образованию окислов азота N0, которые, в свою очередь, уничтожают озон в каталитическом цикле (PJ. Crutzen, 1970)

N0+03h>N02+02

N02+0->N0+02. (5)

Увеличение концентрации N0 и уменьшение концентрации 03 во время СПС были подтверждены модельными расчетами.

Кроме эффектов СПС, мощные солнечные вспышки сопровождаются выходом плазменной неоднородности с "вмороженным" магнитным полем, которая движется в два-три раза быстрее, чем солнечный ветер. Эта плазменная неоднородность приводит к экранизации направленного к Земле

потока ГКЛ. Это событие, названное Форбуш-эффектом (ФЭ), начинается через 1,5-2 суток после солнечной вспышки и является самым мощным отрицательным возмущением интенсивности ГКЛ. Уменьшение интенсивности ГКЛ продолжается около 10 часов, а восстановление длится несколько суток.

Изменения содержания озона в периоды Форбуш-эффектов изучались в ограниченном числе работ. Так в работе (О. Шумилов и др., 1992) обнаружено увеличение концентрации озона в полярном регионе. Как и для солнечных протонных событий была подтверждена отрицательная корреляция между интенсивностью корпускулярной радиации и концентрацией озона.

Анализ, проведенный в работе (S. Alexander, S. Chatterjee, 1971), показал в приэкваториальных широтах преимущественно положительную корреляцию между одновременными вариациями мезонной компоненты космических лучей и общего содержания озона в атмосфере в периоды ФЭ.

Средние широты в плане изучения воздействия корпускулярной радиации на озоносферу оказались вне внимания исследователей.

Имеется ряд работ, в которых показано, что изменения потока заряженных частиц, связанных с солнечными вспышками, магнитными бурями, высыпаниями энергичных частиц из магнитосферы и Форбущ-эффектами в ГКЛ могут оказывать воздействие на различные метеорологические параметры такие, как давление, температура, циркуляции и т.п.

В четвертом подразделе рассматриваются общие особенности пространственно-временного распределения ГКЛ и озона. Первоначально внимание ученых привлекли два факта: сходное широтное распределение интенсивности потока вторичных компонент ГКЛ и ОСО, а также начичие ярко выраженного максимума концентрации озона примерно на тех высотах, где ГКЛ отдают основную часть своей энергии.

В работах ряда авторов (Р. Стеблова, 1990; И.. Сосин, 1991) подтверждается качественная взаимосвязанность в глобальном распределении параметров геомагнитного поля, интенсивности ГКЛ и концентрации озона. Рассмотрены пространственные характеристики полного вектора напряженности магнитного поля Земли, жесткости геомагнитного обрезания спектра ГКЛ и ОСО, их экстремальные и аномальные зоны. Все экстремальные и аномальные зоны трех параметров имеют общие географические координаты, а экваторы ГКЛ и ОСО совпадают с геомагнитным экватором.

Обнаруженная северо-южная асимметрия интенсивности ГКЛ (Ю. Стожков и др., 1986) одного знака с концентрациями озона. И тех и других в южном полушарии меньше.

Таким образом, совпадающими пространственно-временными характеристиками ГКЛ и озона являются: вид высотного профиля, широтный ход, широтная зависимость высоты максимума, отсутствие суточного хода, совпадите координат аномалий, совпадение экваторов, одинаковая северо-южная асимметрия.

В пятом подразделе осуществлена постановка задач исследований.

Итак, в исследованиях общих закономерностей вариаций космических лучей и концентрации озона в стратосфере развились два казалось бы несовместимых положения. С одной стороны, эти компоненты имеют убедительно большое число совпадающих характеристик, а с другой -энергии космических лучей недостаточно, чтобы непосредственным воздействием на атмосферный кислород привести к наблюдаемым эффектам в содержании озона. В этой ситуации следует искать пути, по которым воздействие космических лучей на содержание озона будет достаточно эффективным по принципу триггерных механизмов. К ним можно отнести:

- изменения концентраций малых газовых компонент, влияющих на содержание озона и

- изменения оптических и динамических свойств атмосферы.

Понятно, что на концентрацию озона оказывает влияние множество факторов радиационного (электромагнитной и корпускулярной природы) и' динамического характера. Существующее противопоставление фотохимических и динамических теорий не способствует успешным исследованиям, так как ни одна из отдельно взятых моделей не может объяснить все наблюдаемые закономерности пространственно-временных вариаций концентрации озона.

Автор ставит задачу поиска возможных механизмов воздействия космических лучей на фотохимические и динамические процессы, влияющие на содержание озона. Основными из предлагаемых к решению вопросов диссертации являются следующие:

- выявление закономерностей поведения концентрации озона в периоды Форбуш-эффектов в космических лучах на основе анализа разнообразной экспериментальной информации.

- модернизация фотохимической динамической модели средней атмосферы для исследования воздействия корпускулярной радиации на концентрации малых компонент стратосферного газа.

- исследование высотной зависимости воздействия корпускулярной радиации на концентрацию окислов азота, участвующих в каталитических циклах образования и разрушения стратосферного озона.

- исследование роли вертикальных движений в вариациях концентрации стратосферного озона.

- исследование роли процессов вымывания окислов азота на вариации концентрации озона.

Во втором разделе рассматриваются данные одновременных измерений концентрации озона, температуры и вариации галактических' космических лучей в периоды Форбуш-эффектов, выявляются основные закономерности реакции стратосферного озона на возмущения корпускулярной радиации.

В первом подразделе соискатель провел сравнение вариаций среднесуточных значений ОСО и нейтронной компоненты космических лучей 1(2Я) за 1978 год, полученных на станциях Алматы, Казахстан (43 °Т\Т, 76°Е, 11с =6,72 СУ). Оказалось, что вариации исследуемых рядов подобны, то есть наблюдается уменьшение ОСО одновременно с уменьшением интенсивности 1(М).

Для обработки данных рядов ОСО и ГКЛ методом наложения эпох было выбрано 9 Форбуш-понижений. Результат интегрального осреднения показал, что в интенсивности нейтронной компоненты космических лучей Г(М) наблюдается один минимум. Общее содержание озона сначала уменьшается практически синхронно с потоком ГКЛ в период Форбуш-эффекта, восстанавливается, а затем переходит в противоположную фазу. При этом уменьшение содержания озона в среднем составляет около 30 единиц Добсона (еД), а увеличение достигает 18 еД.

Результаты, полученные для станции Алматы, были подтверждены автором диссертации во втором подразделе при анализе вариаций ОСО на других среднеширотных станциях, расположенных на территории бывшего СССР. Использовались данные 29 станций за 1978 год в широтном диапазоне 35°-55° N. Рассчитывались отклонения общего содержания озона в процентах относительно сглаженного 30-суточным скользящим средним. Отклонения ОСО, полученные методом наложения эпох, вполне соответствуют результатам, полученным для станции Алматы, то есть наблюдается уменьшение ОСО в начальной фазе Форбуш-эффекта и увеличение спустя 10-12 суток. Средние амплитуды отклонений ОСО как в отрицательной, так и в положительной фазе составляют около 2-3%.

Анализ изменения ОСО не дает информации о том, на каких именно высотных уровнях концентрация озона наиболее чувствительна к вариациям ГКЛ, но позволил удостовериться, что минимум концентрации озона в периоды ФЭ совпадает с минимумом интенсивности ГКЛ.

В третьем подразделе с этой целью соискателем были проанализированы вертикальные профили парциального давления озона. Использовались данные за период с 1974 по 1990 г.г., полученные баллонным зондированием на трех среднеширотных станциях в Японии, США и Италии. По данным мировой сети станций космических лучей выбирались случаи ФЭ с амплитудой больше 3%.

Сравнение профилей для "спокойных" дней и профилей, связанных с форбуш-эффектами, показало, что во всех случаях в периоды уменьшения интенсивности ГКЛ на высотах 9-18 км наблюдается уменьшение концентрации озона, несмотря на то что, станции расположены на различных долготах, охватывающих весь земной шар, а Форбуш-зэфекты имели место в различные сезоны года.

Диссертант показал, что максимальные отклонения среднего профиля парциального давления озона достигают величины в 30 нбар, наблюдаются на высотах около 12 км и совпадают с высотами максимума скорости ионизации атмосферного газа галактическими космическими лучами (Н. №1гег, 1961). Поскольку эти высоты ниже максимума концентрации озона (~ 25 км), вариации концентрации Оз, вызванные изменениями потока ГКЛ, не дают определяющего вклада в общее содержание озона. Таким образом, использование ОСО при анализе воздействия ГКЛ на озоносферу представляется не совсем корректным.

Амплитуда вариаций Оз много выше, чем можно ожидать от изменения интегральной энергии потока ГКЛ при Форбуш-эффектах. Следует искать управляемый ГКЛ механизм, который позволит объяснить наблюдаемые изменения концентрации Оз. Можно полагать, что уменьшение концентрации озона в верхней части слоя приведет к уменьшению поглощенной электромагнитной энергии Солнца. Часть этой непоглощенной энергии будет отдана в нижележащих слоях, что скорее всего приведет к их нагреву. Для обоснования данного предположения автор диссертации проанализировал изменения в профиле температуры для периодов ФЭ. Для всех станций отмечено понижение температуры в верхней части профиля и повышение ее в нижней. Граница перехода знака вариаций температуры для всех событий ФЭ примерно одинакова и находится на высоте 9-12 км. Средние отклонения АТ от фонового ("спокойного") профиля показывают, что на высотах 12-15 км наблюдается уменьшение температуры примерно на 3°С, а ниже примерно 11 км - её увеличение на 4°С.

Воздействие ГКЛ на содержание озона через реакции диссоциации молекулярного кислорода несущественно в силу очень малой их интегральной энергии. Соискатель полагает, что объяснить столь большие вариации концентрации озона при изменениях потока галактических космических лучей можно лишь прибегая к поискам "спусковых" механизмов, в которых ГКЛ лишь управляют процессами, оказывающими значительное влияние на содержание озона. К таким процессам предлагается отнести, каталитические циклы фотохимических реакций и динамические процессы в атмосфере.

В третьем разделе диссертант приводит модельные оценки степени воздействия ГКЛ через некоторые возможные каналы управления содержанием озона в среднеширотной стратосфере.

В первом подразделе приводится описание основных характеристик двухмерной среднезональной фотохимической динамической модели средней атмосферы БиЫУ-БРВ Российского Государственного Гидрометеорологического института (С.П. Смышляев и др.), с помощью которой производились расчеты. Модель включает 60 малых атмосферных газов, которые участвуют в 143 химических реакциях и 45 процессах фотодиссоциации. Расчеты в модели проводятся от уровня моря до высоты 60 км. Отмечается, что результаты расчетов хорошо воспроизводят наблюдаемые особенности: повышенные концентрации озона в высоких широтах и пониженные в низких, опущенный максимум концентрации озона в высоких широтах и приподнятый в низких.

Во втором подразделе приводятся полученные соискателем результаты расчетов воздействия на концентрацию озона уменьшения интенсивности ГКЛ в период Форбуш-эффекта.

Известно, что корпускулярная радиация является дополнительным источником образования нечетного азота Ж)у в атмосфере. Через каталитические реакции (5) ЫОу разрушает озон. С другой стороны, молекулы N0 и N02, участвуя в каталитическом цикле с карбонами и нечетным водородом, могут приводить и к образованию озона. Вклад этих реакций в образование озона становится существенным в тропосфере и нижней стратосфере. Следовательно, можно предположить, что в периоды Форбуш-эффектов можно ожидать уменьшения скорости образования N0, и, как следствие, уменьшения концентрации озона.

СН4 + 0Н->СН3+Н20

СН3+ 02+ М СН302+ М

СН302 + N0 —> СНзО + N02

Ж>2+1™-»N0 + 0 О + 02 + м 03 + М СНзО + О -» СН20 + Н02 Н02 + Ш-»Ш2 + 0Н Ж>2+Ьу-»Ш + 0 0 + 02 + М-»0з + М СНЮ + Ьу-^СО + Н, Итог: СН4 + 402 + ьу Н20 + СО + Н2 + 203 (6)

С0+ он-»со2 + н н+о2 + м-»но2+м но2+ш-»он+ш2

Ы02 + Ьу-»Ш + 0 о + ог + м-»оа + м Итог: СО + 202 + ьу -> С02 + 03 (7)

С учетом сказанного автором была проведена модельная оценка влияния изменения потока ГКЛ на концентрацию озона. Предполагалось, что дополнительная скорость образования М0У пропорциональна скорости ионизации атмосферного газа галактическими космическими лучами (М. №со1е1). Уменьшение потока ГКЛ в период ФЭ выбиралось равным 20%, а воздействие Форбуш-эффекта на скорость образования Ж)у считалось пропорциональным с коэффициентом 1,25 (СЛасктап) по всему высотному диапазону. Сравнения результатов расчетов для невозмущенных условий и случая ФЭ показали, что уменьшение концентраций как К0У, так и Оз не превышает 1% во всем среднеширотном диапазоне и для всех сезонов года. Расчеты также подтверждают, что в верхней части стратосферы знак корреляции между вариациями концентраций окислов азота (следовательно, и интенсивности корпускулярной радиации) и озона отрицательный, а в нижней - положительный. Однако, воздействие галактических космических лучей на концентрацию озона в периоды Форбуш-эффектов через химические реакции с окислами азота не достаточно, чтобы объяснить наблюдаемые в экспериментах вариации 03.

В третьей подразделе диссертант приводит данные расчетов изменения концентрации озона, вызванные обнаруженными вариациями температуры в периоды ФЭ. Изменения температуры могут привести по крайней мере: 1) к изменению скоростей химических реакций и 2) к движениям атмосферного газа.

Предполагалось, что в период Форбуш-ээфекта происходит уменьшение температуры на 3°С на высотах 12-15 км и увеличение на 4°С ниже 11 км.

1) Результаты расчетов показали, что вариации концентрации как озона, так и нечетного азота при воздействии температуры только на скорости химических реакций не превышают - 3%, в среднем варьируют в интервале ±0,6% и имеют сильную сезонную зависимость.

2) Данные расчетов воздействия динамических процессов, вызванных принятыми изменениями температурного профиля, где учитываются адвекция и турбулентный перенос в вертикальном и горизонтальном направлениях, показали, что, действительно, как и предположено выше, в тропосфере образуются направленные вертикально вверх движения атмосферного газа со скоростями до 10 см/с. В тоже самое время существовавшие скорости движений вниз из верхней стратосферы в область воздействия ГКЛ уменьшаются, вместе с тем уменьшается приток 03 в нижележащие слои. Результаты расчетов показали, что указанные вертикальные движения атмосферного газа, вызванные изменениями температурного профиля, приводят к уменьшению концентраций Оз и КтОу в верхней тропосфере и нижней стратосфере средних широт на 10-40%. Эта величина изменений Оз вполне согласуется с экспериментально измеренными изменениями вертикальных профилей концентрации озона.

Можно ожидать, что с увеличением амплитуды изменений интенсивности галактических космических лучей будет возрастать и реакция концентрации озона. Однако экспериментальная информация не дает оснований для такого заключения. Большая амплитуда Форбуш-эффектов может сопровождаться незначительным понижением концентрации озона и наоборот. Следовательно, существуют некоторые механизмы, также управляемые потоком галактических космических лучей, но воздействующие на концентрацию озона с противоположным знаком.

В четвертом разделе автор рассматривает два таких возможных механизма и дает оценку их эффективности.

1) Атомарный азот N. образующийся в реакциях диссоциации и диссоциативной ионизации атмосферного газа ГКЛ, вступает в химические реакции, которые приводят к уничтожению окислов азота. Однако расчеты

проведенные в первом подразделе показали, что эффективность этого механизма незначительна.

2) Известно, что вымывание является одним из важных нефотохимических стоков азотных составляющих и некоторых других малых компонент атмосферного газа.

Галактические космические лучи могут повлиять на влажность атмосферы и процессы образования капель воды, участвующих в процессах вымывания следующим образом.

а) Вторичные протоны и электроны, образовавшиеся от первичного потока галактических космических лучей, через процессы диссоциации и диссоциативной ионизации приводят к образованию в атмосфере атомарного кислорода

02 + (р,е)->0(1В) + 0(3Р) + (р*,е*) (В)

где р, е и р*, е* - протон и электрон до и после ионизации молекулы

газа.

Затем возбужденный атом кислорода О('О) в реакции с метаном приводит к образованию гидроксила ОН

СН4 + О('О) СН3 + ОН (9)

В свою очередь реакция ОН с метаном приведет к образованию молекулы воды

СН4 + ОН ~> СН3 + Н20. (10)

Тогда спад интенсивности галактических космических лучей в периоды Форбуш-эффектов приведет к уменьшению количества образуемых' молекул воды Н20.

б) Наблюдаемое в периоды Форбуш-эффектов повышение температуры в тропосфере (раздел 2, подраздел 2.4) увеличивает значение точки росы, при которой осуществляется фазовый переход: водяной пар вода. Это приведет к уменьшению скорости образования капель воды и, естественно, вероятности осадков.

л 7

в) Заряженные частицы вторичных космических лучей, генерируемых первичным потоком, а также окислы азота являются ядрами конденсации паров воды. Уменьшение тех и других в периоды Форбуш-эффектов в интенсивности галактических космических лучей также снижает вероятность конденсации водяных паров и фазового перехода водяной пар вода.

Исследования, проведенные Ю. Стожковым, П. Покревским, 1997, показали, что в дни максимумов Форбуш-эффектов отмечается уменьшение интенсивности осадков на 17%. Следовательно, уменьшение' величины вымывания должно привести к увеличению концентрации МОу.

Диссертантом были проведены модельные расчеты, которые позволяют оценить вклад уменьшения скорости вымывания на концентрацию озона. Сравнения концентраций 1\тОу и 03, рассчитанных для невозмущенных условий и для случая 15% уменьшения коэффициента вымывания окислов азота при Форбуш-эффектах в ГКЛ, показало увеличение концентрации нечетного азота на всех широтах и во все сезоны года. Максимальные увеличения МОу достигают 17-20 % и наблюдаются на высотах около 5 км. Увеличение концентрации озона, обусловленное, по-видимому, как увеличением концентрации ЫОу, так и углеродных составляющих, достигает 3% также на высотах около 5 км.

Таким образом, процессы вымывания значительно сказываются на концентрациях окислов азота и озона, их воздействие имеет противоположный знак по отношению к температурным и динамическим процессам, рассмотренным в предыдущих подразделах. Значит, окончательная амплитуда реакции концентраций окислов азота и озона в стратосфере будет зависеть как величины изменения интенсивности галактических космических лучей в периоды Форбуш-эффектов, так и от уровня насыщенности атмосферы водяными парами в каждом конкретном случае. Этим может быть объяснено отсутствие прямой зависимости между амплитудами возмущений космических лучей и концентрации озона. Естественно, реакция концентрации озона будет зависеть от времени года, широты места и природно-климатических особенностей атмосферы данного региона.

В заключении сформулированы основные результаты работы:

1). Анализ вариаций общего содержания озона и нейтронной компоненты космических лучей по данным станции Алматы за 1978 г. показал, что в начальной стадии Форбуш-эффектов в галактических космических лучах наблюдается уменьшение общего содержания озона в

среднем на-30 еД, а затем спустя 10-11 суток увеличение в среднем на +18 еД.

2). Анализ данных общего содержания озона в атмосфере в различных широтных поясах подтвердил полученную закономерность. С началом уменьшения интенсивности галактических космических лучей отмечается и уменьшение общего содержания озона. Максимальные значения этих изменений также совпадают. Концентрация озона, кроме того, после восстановления переходит в фазу нарастания, максимум которой наблюдается спустя примерно 10 суток. Средняя амплитуда относительных изменений ОСО в обоих случаях составляет 2-3%.

3). Анализ вертикальных профилей парциального давления озона и температуры на разнесенных по долготе трех среднеширотных станциях, показал, что уменьшение концентрации озона наблюдается в довольно узком высотном интервале 12-15 км, совпадающим с теми уровнями, на которых ГКЛ отдают основную часть своей энергии. В среднем уменьшение составляет 30 нбар. Отмечается уменьшение температуры в среднем на 3°С на высотах 12-15 км и увеличение температуры ниже 11 км, достигающее 4°С.

4). Расчеты с использованием двухмерной среднезональной модели средней атмосферы показали, что изменение потока ГКЛ в период Форбуш-эффекта через образование азотных составляющих атмосферы приводит к уменьшению концентрации озона примерно на 0,1%.

5). Модельные расчеты показали, что принятые изменения температурного профиля при его воздействии на скорости фотохимических реакций могут привести к вариациям концентрации озона в среднем на ±0,6%. Вертикальные движения атмосферного газа, вызванные подобным изменением температурного профиля, приводят к уменьшению концентрации озона на 10-40% в верхней тропосфере и нижней стратосфере средних широт, что качественно и количественно согласуется с экспериментальной информацией.

6). Итоговая амплитуда уменьшения концентрации озона в периоды Форбуш-эффектов зависит как от амплитуды понижения интенсивности галактических космических лучей, так и от процесса вымывания азотных' составляющих их атмосферы, который также зависит от интенсивности корпускулярной радиации.

Таким образом можно заключить, что основным каналом воздействия вариаций галактических космических лучей на содержание озона является образование направленных вверх движений атмосферного газа. Амплитуда уменьшения концентрации озона при Форбуш-эффектах

определяется амплитудой уменьшения интенсивности галактических космических лучей и влажностью атмосферы.

Можно считать, что в результате проведенных исследований предложен физический механизм, объясняющий наблюдаемые вариации концентрации озона при возмущениях интенсивности галактических космических лучей на средних широтах.

По результатам исследований,. проведенным в диссертации опубликованы следующие работы:

1. Козин И.Д., Федулина И.Н., Чакенов Б.Д. Измёнение общего' содержания озона при возмущениях космических лучей в периоды Форбуш-эффектов //Метеорология и гидрология. - 1994, - 10. С. 31-33.

2. Козин Й.Д., Федулина И.Н. Высотная зависимость воздействия космических лучей на концентрации азотных и кислородных составляющих средней атмосферы. // Межд. конференция солнечно-земных связей, Алматы, 7-11 ноября, 1994.: Тез. докл. - Алматы, 1994. -С. 23-24.

3. Козин И.Д., Тулина Л.П., Федулина И.Н. Воздействие возмущений космических лучей на вертикальную динамику и содержание озона в стратосфере. // Межд. конференция солнечно-земных связей, Алматы, 7-11 ноября, 1994.: Тез. докл. - Алматы, 1994. - С. 24-25.

4. Козин Й.Д., Федулина И.Н. Влияние космических лучей на азотный цикл разрушения озона // Док. HAH PK. - 1994. -6. С. 37-40.

5 Козин И.Д., Федулина И.Н. Воздействие космических лучей на вертикальную динамику стратосферы // Изв. HAH PK. - 1994 . - 4, - С. 104-109.

6. Зеленков В.Е., Козин И.Д., Федулина И.Н. Способ определения изменений содержания озона в атмосфере. // Предпатент PK № 17466 кл. G01W1/00, G01N 23/09,23/12. - 1995.

7. Федулина И.Н. Высотная зависимость воздействия корпускулярной радиации на концентрацию атмосферного озона // Известия HAH РК.-1995. - 4. С. 34-39.

8. Kozin I.D, Fedulina I.N. On the role of Positive Ions of nitrogen in forming ' of ozone profile И XXI General Assembly of IUGG, July 2-14, 1995,

Boulder, Colorado, USA.

9. Козин И.Д, Федулина И.Н., Чакенов Б.Д. Прогноз естественных вариаций концентрации атмосферного озона по данным интенсивности

космических лучей. // Геомагнетизм и аэрономия. - 1995. -3. С. 155157.

10. Федулина И.Н. Роль космических лучей в управлении вариациями концентрации озона // Тр. конф. молодых ученых "Атмосферный озон", Москва, 6 апреля 1995 г. -М. - препринт ИФА РАН, 1995. - С. 6572.

11. Fedulina I.N. The role of cosmic rays in the formation of polar ozone holes // 1st SPARC General Assembly, Melbourne, Australia, 2-6 December, 1996 // Abstract volume. -1996. 91.

12. Fedulina I.N. Variations of ozone concentration in the periods of Forbush decreases in cosmic rays // XXII EGS General Assembly, Vienna, Austria, 21-25 April 1997.: Annales Geophysicae. - 1997, part III, 15, С 694.

13. Fedulina I.N. Changes of Ozone Content during Forbush Decreases in Cosmic Rays // Solar Activity Effects on the Middle Atmosphere, Second Workshop, Prague, Czech Republic, August 18-22,1997,5.

14. Fedulina I.N., Kozin I.D., and Smyshlyaev S.P. Modeling the effects of Forbush decrease in galactic cosmic rays on ozone content // XXIII EGS General Assembly, Nice, France, 20-24 April 1998.: Annales Geophysicae, 1998,16, С 887.

15. Fedulina I.N. Changes of Ozone Content at middle latitudes during Forbush Decreases in Cosmic Rays // Submit, to Studia geophys. et. Geod.-1998, 3.

Орталык, ецщктеп озон ковдентрациясьшьщ озгеруте гарыштык, соулелердщ типзетш эсер!

Жумыс галакгикалык гарыштык, сэулелердщ Форбуш-осер1 кезтдеп интенсивташшен озон концентращшсы иен орталык; атмосфераньщ баска шагын компонентгершщ бузылуын (ауыткуы) зертгеуге арналган.

Форбуш-эсср1 кезщдеп озонный; жалпы курамын зерттеу озон концентрациясы ауыткуыньщ ей фазасы болатынын керсеггх. Б1ршш1 фаза галакгикальщ гарыш сэулелер! итенсивттлнщ езгеру мезгМ мен белпсше тура келеда. Екшпп' фазаньщ карама-карсы белпа бар жэне б1ршпн фазадан шамамен 10 тэулгк артга калады. Озонныд жалпы кщзамыньщ мундай реакциясы Жер шарыньщ 1тшмс-сол1уст1к: жартысыньщ орталык; ендгкхеп даапазонында байкзлады.

Станциялардыц элемдок жуйеанде баллон зондпен алынган озон концентрациясыныц тж профильдерш зерттеу Форбуш-эсер! кезшде 12-15 км бшкшстеп 30 нбар озонньщ парцалъды кргсымы азаятындьны байкдлды.

Стратосфераньщ туныктыга взгеруше стратосфераньщ реакциясын Форбуш-зсер1 кезшде озон концентрациясы азаюына байланысты кун сэулес1 электромагнит сэулеленжруш зерггеу ушш сол баллон-зонд стандиялар жуйеа уиин жогары профильда температураньщ мэлмстгер! кдралды. Бул кезенде стратосфераньщ жогарш беля! 3 градуска суыса, темени болт - орташа есеппен 4 градуска жылынатыны кврщлц.

Форбуш-всер1 кездергнде температуралык, профильдщ вариапияларынан туьшдаган стратосферадагы динамикалык процестердщ езгеруш ацьщгау ршн атмосфералык, газ козталысыньщ вертикальдм жылдамдыгы озгерушщ есеб1 жасалды. Орталык; ендштерде Форбуш-эсер! кезшде жылдавдыгы 10 с м/с вертакальды тасымал пайда болатыны аньщгалды.

Бул козгалыстар, есеп керсеткендей, азот кыпщылыньщ концентрациясыньщ азаюьша химкяльщ реакциялардьщ каталитикальщ циклдер! аркгллы озонньщ жогаргы профшпнщ взгеруше экелш согады.

Атмоферальщ газдьщ ылгалдызгы да галактакальщ гарыш: сэулелершш, интенсивтшгше байланасты екен, Форбуш-эсершен оньщ жуылган кезшде озон сферасы реакциясыньщ амшппудасьша эсер етепш крршда.

A role of cosmic rays in ozone variations at the middle latitudes

The thesis deals with the investigations of disturbances of ozone and other minor constituencies of the middle atmosphere during Forbush decreases in galactic cosmic rays.

An analysis of total ozone changes in the periods of Forbush decreases have shown that there are two phases of ozone disturbances. It was found the decrease of total ozone in the beginning stage of Forbush decreases and increase 10-11 days later. Such reactions of ozone content have been observed at middle latitudes of north-east hemisphere.

An analysis of vertical ozone profiles obtained by balloon sounding at three lower middle latitudes have shown that average decreasing of ozone partial pressure of about 30 umb are observed at height of 12-15 km.

Such vertical variations of ozone coincide with average changes of respective temperature profiles. The cooling in average by 3 °C was found at 1215 km, and the heating by 4°C below this level.

To determine a changes of dynamical processes in stratosphere, that induced by temperature variations the calculations with using of 2D-model have been conducted. Results have shown that average rates of vertical motions at lower middle latitudes are order of 10 cm/s.

These motions of atmospheric gaze lead to decreasing of ozone and nitric oxide concentration by 10-40%. Calculated changes of ozone content at levels of upper troposphere and lower stratosphere are in good agreement with found experimental ozone decreasing.

It was shown that changes of cosmic ray flux may effect also on a humidity of atmospheric gaze and through the rainout processes may influence on an amplitude of ozone reaction during Forbush decreases.