Крученицкий Григорий Михайлович

ДИАГНОСТИКА СОСТОЯНИЯ ПОЛЕЙ ОЗОНА

И УФ-ОБЛУЧЁННОСТИ И ИХ МОДЕЛИРОВАНИЕ

специальность 25.00.30 –

метеорология, климатология, гидрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени

доктора физико-математических наук

Долгопрудный

2007 г.

Работа выполнена в ГУ «Центральная аэрологическая обсерватория» Росгидромета

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор Костко О.К.

Доктор физико-математических наук, профессор Сидоренков Н.С.

Доктор физико-математических наук, профессор Тулинов Г.Ф.

Ведущая организация – ГУ НПО «Тайфун»

Защита состоится «__» «_______» 2008 г. в 11 часов на заседании Диссертационного Совета Д 002.049.01 Института глобального климата и экологии Росгидромета и РАН по адресу:

РФ, 107258 Москва, ул. Глебовская, д.20б

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГУ «Института глобального климата и экологии Росгидромета и РАН»

Автореферат разослан «__» «_______» 2007 г.

Учёный секретарь

Диссертационного совета

доктор географических наук Г.М. Черногаева

Актуальность проблем состояния озонового слоя атмосферы, его долговременной эволюции, а также причин этой эволюции и её последствий для состояния биосферы и климатической системы Земли связана с тем, что эти проблемы давно вышли за рамки чисто академических и постоянно привлекают к себе внимание широкой общественности, правительственных и деловых кругов. Это обусловлено, как чрезвычайно важной ролью озона, выполняющего функцию своеобразного экрана, защищающего биосферу от коротковолновой части ультрафиолетового излучения Солнца (УФ-Б), так и тем обстоятельством, что именно на сохранение озонового слоя были направлены первые международные природоохранные соглашения, имеющие значительные экономические последствия. Кроме того, озон в атмосфере представляет собой чрезвычайно интересную саму по себе физическую систему, будучи практически единственным газом, имеющим в стратосферно-тропосферном диапазоне высот выраженный экстремум, как счетной концентрации, так и отношения смеси. В настоящее время, когда активно рассматривается версия глобального потепления климата Земли и обусловленности этого потепления антропогенными выбросами парниковых газов, исследования озоносферы приобретают особую актуальность ввиду существенной роли, которую играет озон в радиационном балансе планеты в целом и, в частности, в формировании вертикального распределения температуры в стратосфере. Обеспокоенность мирового сообщества состоянием озонового слоя и долговременными изменениями этого состояния нашли отражение в Венской конвенции (1985) – первом широкомасштабном международном соглашении природоохранной направленности. В частности, стороны (в числе которых был СССР, т.е. исходя из правопреемственности РФ) обязались (ст.3, п.1) «…организовать исследования и научные оценки по следующим вопросам:

a) физические и химические процессы, которые могут влиять на озоновый слой;

b) влияние на здоровье человека и другие биологические последствия, вызываемые изменениями состояния озонового слоя, особенно изменениями ультрафиолетового солнечного излучения, влияющего на живые организмы (УФ-Б);

c) влияние изменений состояния озонового слоя на климат;

d) воздействие любых изменений состояния озонового слоя и любого последующего изменения интенсивности УФ-Б излучения на природные и искусственные материалы, используемые человеком…»

Таким образом, организация системы мониторинга озонового слоя и полей УФ-облучённости стала международным обязательством СССР, а впоследствии РФ. Под системой мониторинга со времён фундаментальной монографии Ю.А. Израэля принято понимать систему повторных наблюдений одного и более элементов окружающей природной среды в пространстве и во времени с определенными целями в соответствии с заранее подготовленной программой. Ю.А. Израэль углубил приведенное выше определение, назвав системой мониторинга специальную систему наблюдения, контроля и оценки состояния природной среды. Применительно к системе наблюдений за состоянием озонового слоя ситуация на момент подписания Венской конвенции выглядела более или менее удовлетворительно. Свыше 15 лет функционировал на борту космического аппарата (КА) «Nimbus-7» прибор для измерения общего содержания озона (ОСО) TOMS (Total Ozone Measurement System), обеспечивавший глобальное покрытие освещённой Солнцем поверхности Земли с пространственным разрешением 10 по широте и 1.250 по долготе и временным - 1 сутки. Наземные приборы для измерения ОСО спектральные (за рубежом) и фильтровые (в СССР) обеспечивали его надёжную поддержку, а для ряда регионов (в т.ч. практически для всей территории СССР) и автономное освещение данными. Довольно представительные данные о вертикальном распределении озона (ВРО) по результатам баллонного зондирования давали станции, расположенные в Западной Европе, Северной Америке, Японии и Антарктиде. Сложнее обстояло дело с наблюдением за УФ-облучённостью. Несмотря на то, что наземный спектрофотометр Брюера давал вполне удовлетворительные данные о спектральной плотности энергетической освещённости (СПЭО) в УФ-Б диапазоне и сеть этих приборов непрерывно расширялась, высокая пространственная изменчивость полей, как СПЭО, так и интегральной по УФ-Б диапазону облучённости, обусловленная пространственной изменчивостью полей облачности, не давала возможности интерполировать результаты измерений.

Эти обстоятельства и сформировали цель настоящей работы – разработать методическое и программно-алгоритмическое обеспечение мониторинга состояния озонового слоя и полей УФ-Б облучённости (СМОУФ). Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

модификация традиционных методов регрессионного моделирования с учётом специфики мониторинговых проблем;

разработка информационного обеспечения мониторинга путём создания оперативно пополняемых баз данных, находящихся под единой системой управления;

разработка конкретных аналитических схем для описания озоносферных процессов, допускающих качественный анализ и обладающих единственностью решения;

обоснование критериев аномальности текущих реализаций состояния озонового слоя и полей УФ-Б облучённости;

разработка удобного и надёжного пользовательского интерфейса системы мониторинга.

Научная новизна работы состоит в следующем:

Впервые создана система мониторинга состояния озонового слоя и полей УФ – облучённости, функционирующая в режиме ежесуточной оценки текущих реализаций контролируемых объектов и регулярного обновления оценок и диагностики долговременной изменчивости.

Показано, что доминирующую роль в долговременной изменчивости ОСО во внетропических широтах играют медленные изменения в режиме квазидвухлетних колебаний (КДГ). Впервые выделена огибающая КДК и показано, что она является чрезвычайно эффективным регрессором не только для ОСО, но для ряда других геофизических процессов, в частности колебаний уровня Каспия.

Предложена альтернативная модель образования ВОАА, предполагающая основным каналом убыли озона его прямое разрушение на радиационно активированной поверхности частиц полярных стратосферных облаков. Модель обоснована сравнениями с данными прямых измерений, подтверждена расчётами, основанными на вычислении вероятности гибели молекул озона из сопоставления вертикальных распределений химического потенциала озона и кинетической энергии его молекул и свободна от основного недостатка фреоновой версии – предположения о наличии в антарктической стратосфере огромного количества соляной кислоты в твердой фазе.

Впервые разработана малопараметрическая модель вертикального распределения озона (ВРО) и температуры (ВРТ), основанная на вариационном принципе и требовании максимума полной энтропии в вертикальном столбе атмосферы и успешно протестирована на практически исчерпывающем материале измерений ВРО и ВРТ средствами баллонного и спутникового базирования.