Введение к работе
Актуальность темы исследований
Изменение глобального климата - это непрерывный, квазипериодический процесс, зависящий от множества факторов. В современном веке высоких научно-технических достижений и возможностей человека значительно возросла роль антропогенных факторов. Влияние человека на изменение окружающей среды стало более значительным и заметным. Однако вклад человеческой деятельности в глобальные климатические изменения не следует преувеличивать, поскольку природные факторы, во-первых, гораздо сильнее антропогенных, во-вторых, климатическая система сама по себе является очень сложной многопараметрической системой с сильной внутренней обратной связью, которая к тому же ещё недостаточно исследована.
Изучение климатических процессов непосредственно связано с исследованием земной атмосферы - среды, определяющей уровень поступления на земную поверхность главного источника энергии - солнечной радиации. Атмосферные составляющие, которые эффективно взаимодействуют с солнечным излучением и в значительной степени влияют на его проникновение в атмосферу и к подстилающей поверхности, характеризуются как оптически активные составляющие. Среди них в стратосфере в первую очередь следует выделить озон и аэрозоль. Озон имеет исключительно важное значение в биологической защите животного и растительного мира от проникающего солнечного УФ-излучения и в формировании термического режима стратосферы. Стратосферный аэрозольный слой (САС) выступает как атмосферный радиационный фильтр и поэтому оказывает большое влияние на пропускание солнечной радиации. .Особенно это влияние усиливается после мощных вулканических извержений, когда САС насыщается вулканогенным аэрозолем.
В настоящее время проблеме атмосферного озона и аэрозоля уделяется особенно повышенное внимание вследствие наблюдаемой тенденции глобального уменьшения стратосферного озона и более частого появления в умеренных и полярных широтах обоих полушарий областей с аномально низким общим содержанием озона. Исследования причин и процессов ответственных за эти явления дают неоднозначные выводы и оценки. Главным образом, дискуссия по этому вопросу ведётся между сторонниками техногенных и естественных причин глобального истощения озонного слоя. В связи с этим, любые научные исследования, предметом которых является атмосферный озон и его связи и зависимости в реальной атмосфере, представляются безусловно актуальными и значимыми как с точки зрения понимания причин и процессов изменчивости самого озона, так и с точки зрения изучения в целом климатических изменений.
Состояние вопроса исследований
Озон, как атмосферная составляющая, изучается уже более 70 лет, начиная с пионерских работ Добсона. Получено огромное количество экспериментального материала, проведены многочисленные теоретические исследования. Для непрерывного контроля за содержанием озона в атмосфере существует мировая сеть озонометрических станций и обсерваторий и система спутниковых измерений, на которых с помощью различных методов ведутся наблюдения за общим и приземным содержанием и вертикальным распределением озона. Проблемой атмосферного озона занимается ряд исследовательских групп в крупных научных организациях и центрах - в Главной геофизической и Центральной аэрологической обсерваториях, в Институте физики атмосферы РАН и Институте метеорологии в Германии, в Институтах физики атмосферы в Чехии и Китайской АН, в NOAA и NASA (США) и др.
Однако несмотря на это, существует ещё множество вопросов, на которые пока не получены ответы. И среди них остается открытым вопрос о причинах и процессах современного поведения атмосферного озона и о его прогнозе, а также в какой степени влияют на изменчивость озона антропогенные факторы.
Цель работы и основные задачи исследований
Целью работы, результаты которой излагаются в данной диссертации, является исследование зависимости вертикального распределения и общего содержания важных оптически активных составляющих атмосферы, в том числе и озона, от термодинамического состояния атмосферы и циркуляционно-синоптических процессов.
Основные научные задачи, которые решаются в диссертации, следующие:
проводится комплексный анализ данных лидарных и спектрофотометрических измерений вертикального распределения и/или общего содержания озона, аэрозоля, двуокиси азота и температуры в верхней тропосфере и стратосфере;
исследуются взаимосвязи между этими составляющими в зависимости от различного термодинамческого состояния атмосферы;
определяются особенности и причины аномальных отклонений во временных рядах наблюдаемых атмосферных составляющих и параметров;
исследуется влияние циркуляционно-синоптических процессов на изменчивость озона, аэрозоля и двуокиси азота в верхней тропосфере и стратосфере.
Совокупность полученных результатов позволяет показать степень влияния некоторых естественных геофизических факторов на состояние и изменчивость
стратосферного озонного слоя и дать прогностическую оценку его дальнейшего поведения как важнейшего климатообразующего и биозащитного фактора.
Научная новизна результатов исследований
Научная новизна полученных результатов исследований состоит в следующем:
исследования по проблеме атмосферного озона, основанные на данных натурных измерений, для южной части Западной Сибири проведены впервые;
проведенные исследования имеют комплексный характер, что обусловлено использованием данных лидарных и спектрофотометрических измерений нескольких атмосферных составляющих и параметров в одной точке и дополнительным привлечением для анализа аэрологической и синоптической информации;
в результате наблюдений за вертикальным распределением и общим содержанием озона и двуокиси азота и их анализа выявлены некоторые особенности во взаимосвязи между озоном и двуокисью азота в периоды положительных озонных аномалий и в период сезонной перестройки стратосферной циркуляции,
в результате анализа многолетних озо но метрических наблюдений в Томске были определены как локальные особенности во временном ходе общего содержания озона, так и некоторые общие, характерные в целом для планетарного озонного слоя, тенденции. Причем, как установлено, основной причиной наблюдаемых колебаний общего содержания озона является изменчивость атмосферной циркуляции.
Научная и практическая значимость результатов исследований
Проведенные исследования являются продолжением изучения атмосферных процессов, влияющих на содержание и изменчивость оптически активных составляющих стратосферы, актуальных с климато-экологической точки зрения.
К наиболее значимым результатам проведенных исследований относятся результаты, которые свидетельствуют и подтверждают, что изменчивость стратосферного озона и аэрозоля определяется в основном динамикой атмосферы, и наблюдаемые периоды с аномальными отклонениями общего содержания озона - озонные минидыры, также формируются под воздействием атмосферных циркуляционно-синоптических процессов, но имеющих аномальный характер.
Достоверность результатов исследований
Достоверность результатов проведенных исследований обеспечивается использованием данных реальных измерений, выполняемых на аттестованных и
калиброванных приборах, а также согласием с результатами подобных исследований, выполняемых в ведущих исследовательских группах по метеорологии и физике атмосферы. Основные защищаемые положения
1. При смене типа и интенсивности атмосферной циркуляции происходит первоначально
изменение вертикального распределения отношения рассеяния на более короткой длине
волны, что обусловлено адвективным переносом в первую очередь более легких и
мелких аэрозольных частиц, которые более оптически активны на меньших длинах волн.
-
Аномальное высотное распределение отношения рассеяния (до 10-14 единиц на длине волны 1064 нм) в нижней стратосфере, которое наблюдалось в январе 1995 г, над Томском, было вызвано образованием, связанного с периодом аномального развития стратосферной циркуляции, полярных стратосферных облаков.
-
Периоды с аномальными отклонениями общего содержания озона соответствуют периодам с аномальным развитием атмосферной циркуляции, которое связано с торможением мигрирующих длинных планетарных волн блокирующими, обширными, высокими, теплыми антициклонами при их значительных смещениях в более высокие широты относительно своего среднеклиматического местоположения.
-
В период смены направления переноса в нижней и средней стратосфере во время сезонной перестройки стратосферной циркуляции вследствие значительного ослабления атмосферного переноса и соответственно усиления фотохимического фактора в разрушении стратосферного озона может наблюдаться увеличение потока УФ-радиации.
-
В холодное полугодие при внезапных арктических вторжениях происходит кратковременное многократное увеличение концентрации NCh в верхней тропосфере и нижней стратосфере, которое, как предполагается, является результатом дневного фотохимического восстановления N02 из соединений-резервуаров, вынесенных при арктическом вторжении из области полярной ночи.
Использование результатов исследований
Исследования по теме диссертационной работы проводились в рамках следующих научных проектов и программ:
программа "Сибирь", проект "Климато-экологический мониторинг Сибири";
ГНТП "Глобальные изменения природной среды и климата", проект 5.1.7;
европейская программа EUREKA, проект EUROTRAC/TOR, TESLAS;
российско-китайский проект "Лазерные технологии в климато-экологическом мониторинге атмосферы";
проект "Лидарное исследование трансформации стратосферного озонового слоя аэрозолем вулканогенного происхождения" (грант РФФИ № 93-05-9383);
проект "Экспериментальное исследование механизмов разрушения стратосферного озонового слоя над Западной Сибирью", (грант РФФИ № 96-05-64282);
проект "Сибирская лидарная станция", (грант Миннауки РФ № 01-64);
персональный грант ISSEP "Соросовские аспиранты" № А97-292.
Апробация результатов исследовании и публикации по теме диссертации
Результаты исследований, представленные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на 1-, II-, III- и IV-ом межреспубликанских симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" (соответственно 1994, 1995, 1996 и 1997 гг., Томск), III заседание раб. группы "Аэрозоли Сибири" (1996 г., Томск), 8th Laser Optics Conference (1995, S.-Petersburg, Russia) и 18th International Laser Radar Conference (1996, Berlin, Germany).
По материалу, изложенному в диссертационной работе, было опубликовано 16 работ, из которых 7 статей - в центральной печати, и одна - за рубежом.
Структура и объём диссертационной работы
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы.
Объём диссертации составляет 112 листов, включая 5 таблиц и 30 рисунков. Список цитируемой литературы, включая публикации автора, составляет 93 наименования.
