ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2010, том 46, № 3, с. 291-306
УДК 551.510.534
МОДЕЛИРОВАНИЕ ИЗМЕНЧИВОСТИ ГАЗОВЫХ И АЭРОЗОЛЬНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ В СТРАТОСФЕРЕ ПОЛЯРНЫХ РАЙОНОВ
© 2010 г. С. П. Смышляев*, В. Я. Галин**, Г. Шаарийбуу*, М. А. Моцаков*
*Российский государственный гидрометеорологический университет 195196Санкт-Петербург, Малоохтинский просп., 98 E-mail: smyshl@rshu.ru **Институт вычислительной математики РАН 119991 Москва, ул. Губкина, 8 Поступила в редакцию 28.01.2009 г., после доработки 21.08.2009 г.
Разработана термодинамически-микрофизическая модель формирования и эволюции полярных стратосферных облаков, которая была интегрирована в глобальную химико-климатическую модель нижней и средней атмосферы. Проведены модельные эксперименты по исследованию эволюции газового и аэрозольного состава стратосферы Антарктики и Арктики. Результаты исследования наблюдаемых различий изменения содержания газовых примесей и аэрозоля в полярных районах показали, что наличие денитрификации в Антарктике и ее отсутствие в Арктике является основным фактором, определяющим различия между формированием полноценной озоновой дыры в Антарктике и лишь эпизодических "мини-дыр" в Арктике.
ВВЕДЕНИЕ
Начиная с середины 80-х годов ХХ века, в атмосфере полярных районов регулярно наблюдаются такие специфические явления, как существенное сокращение общего содержания озона (ОСО) весной, получившее название "озоновых дыр", и практически полное вымывание азотосодержащих (де-нитрификация) и водородосодержащих (дегидратация) газов из нижней стратосферы в течение полярной ночи [1—5]. Эти явления периодически регистрируются в Антарктике и в значительно меньшей степени в Арктике и имеют четко выраженный сезонный характер [2, 3]. В неполярных областях подобные явления совместно не отмечаются, а эпизодическое локальное сокращение содержания озона в отдельных регионах не сопровождается денитрификацией и дегидратацией нижней стратосферы [3, 6]. Регулярность и географическая лока-лизованность этих явлений в полярных регионах вызвала интенсификацию экспериментальных и теоретических исследований физических и химических процессов в полярных областях. Результаты этих исследований показали, что интенсивный циркумполярный вихрь, формирующийся и сохраняющийся в полярной стратосфере в течение длительной полярной ночи, препятствует меридиональному обмену воздухом. Это вызывает значительное охлаждение нижней полярной стратосферы и может приводить к формированию полярных стратосферных облаков (ПСО), что, как предполагают, и приводит к формированию и "озоновых дыр", и денит-
рификации и дегидратации нижней стратосферы [2, 5, 7, 8].
Частицы ПСО являются разновидностью атмосферного аэрозоля, но отличаются от частиц фонового стратосферного аэрозоля размерами, химическим составом и агрегатным состоянием [9—11]. Как показывают термодинамические исследования [12], ПСО могут формироваться на высотах 12—25 км на основе фонового сульфатного аэрозоля в условиях низких температур нижней стратосферы в результате сложных микрофизических процессов, включающих нуклеацию, гомогенную и гетерогенную коагуляцию, конденсацию, испарение и гравитационное осаждение [13, 14]. Роль гетерогенных процессов на поверхности частиц ПСО для баланса атмосферных малых газов заключается, во-первых, в поглощении газов при столкновениях с частицами ПСО, что приводит к дополнительному стоку химических составляющих, и, во-вторых, — в образовании новых газов в поверхностных химических реакциях, отличающихся от реакций, происходящих в газовой фазе. В подобных реакциях ПСО выполняют роль катализатора, способствуя химическим реакциям, которые или невозможны, или медленны в газовой фазе.
При моделировании изменчивости содержания малых газовых составляющих в полярных районах необходимо учитывать гетерогенные реакции на поверхности частиц ПСО, т.к. в результате этих реакций в течение полярной ночи может происходить перераспределение содержания хлор- и бромсодер-жащих газов в сторону накопления оптически ак-
тивных составляющих, быстрый распад которых с появлением Солнца после полярной ночи может приводить к резкой интенсификации разрушения озона в хлорных и бромных каталитических циклах [15]. Скорости подобных гетерогенных химических реакций зависят от площади поверхности частиц ПСО, определяемой объемом частиц, их размерами и формой, и от коэффициентов скоростей реакций, зависящих от химического состава ПСО и их агрегатного состояния [2]. Для моделирования процессов денитрификации и дегидратации необходимо учитывать фазовые переходы водяного пара и азотной кислоты, в стратосферных условиях находящихся в близком к насыщенному состоянии [12], а также их удаление из атмосферы в результате гравитационного осаждения крупных частиц ПСО [5].
Таким образом, современная модель газового состава атмосферы, предназначенная для исследования изменчивости содержания малых газов в полярных районах, должна учитывать изменение объема частиц ПСО, их размера, химического состава и агрегатного состояния, а также включать параметризации скоростей гетерогенных химических реакций на поверхности частиц ПСО, фазовые переходы водяного пара и азотной кислоты и учитывать процессы гравитационного осаждения аэрозольных частиц. Для точного и корректного описания этих процессов можно использовать сложные термодинамические модели [13], учитывающие процессы зарождения аэрозольных частиц, т.е. нуклеа-цию, их рост в результате поглощения ими водяного пара и других газов, т.е. конденсацию, объединение частиц при столкновении, т.е. гомогенную и гетерогенную коагуляцию, уменьшение размера частиц в результате испарения при повышении температуры, а также их гравитационное осаждение в зависимости от размера и плотности частиц. Однако включение подобных моделей и в без того достаточно сложные и громоздкие химико-климатические модели приведет к еще большему усложнению последних моделей и сильному замедлению расчетов. Между тем многие из процессов, определяющих образование и эволюцию частиц аэрозоля и ПСО, можно описать параметрически [12], что позволяет без существенных потерь точности сильно увеличить вычислительную эффективность химико-климатических моделей.
Целью настоящей работы является создание модели формирования и эволюции полярных стратосферных облаков, оптимизированной с точки зрения точности и скорости расчетов, включение ее в химико-климатическую модель нижней и средней атмосферы, проведение численных модельных экспериментов, воспроизводящих эволюцию температуры, содержания озона и аэрозоля в стратосфере Арктики и Антарктики, и анализ возможных причин наблюдаемых различий изменчивости этих характеристик в северном и южном полярных регионах.
ПАРАМЕТРИЗАЦИЯ ОБРАЗОВАНИЯ И ЭВОЛЮЦИИ ПОЛЯРНЫХ СТРАТОСФЕРНЫХ ОБЛАКОВ
Для учета влияния гетерогенных процессов на содержание малых газовых примесей атмосферы авторы разработали термодинамически-микрофизическую модель эволюции сульфатного аэрозоля и ПСО, в которой термодинамические процессы фазовых переходов и микрофизика распределения частиц по размерам и их гравитационное осаждение рассматривается в комбинации. Основное предположение заключается в том, что при понижении температуры частицы ПСО не возникают сами, а образуются на основе существующего в стратосфере сульфатного аэрозоля в результате поглощения им паров азотной кислоты и водяного пара [10]. В результате образуется тернарный аэрозоль, состоящий из водяного пара, серной и азотной кислот [12]. Это предположение подтверждается результатами измерений, показывающими, что при низкой температуре в течение полярной ночи количество частиц в единице объема остается практически таким же, каким оно было до наступления полярной ночи, однако их размеры увеличиваются [16]. Количество аэрозольных частиц в единице объема можно оценить по результатам спутниковых измерений, например, в эксперименте SAGE-II [17]. Полученные в результате спутниковых измерений коэффициенты ослабления атмосферы в спектральном диапазоне 1 мкм использовались для оценки площади поверхности сульфатного аэрозоля на основании эмпирической формулы [17]:
= 425 k
0.68
k < 4 х 10-3;
Ssa = 1223k0'875, 4 х 10-3 < k < 2 х 10-2; (1)
Sa = 2000k,
k > 2 х 10-
где к — коэффициент ослабления атмосферы на длине волны 1 мкм.
Полученное по данным SAGE-II распределение площади поверхности сульфатного аэрозоля использовалось в химико-климатической модели для вычисления скоростей гетерогенных реакций на поверхности сульфатного аэрозоля в умеренных и тропических широтах. Эти же значения служили основой для вычисления параметров ПСО. Зная средний радиус частиц сульфатного аэрозоля rsa = 0.16 мкм [18], по площади поверхности можно определить количество частиц сульфатного аэрозоля
Na =
Ss
4nr„,
(2)
При уменьшении температуры нижней стратосферы происходит конденсация водяного пара на сульфатном аэрозоле, в результате чего, во-первых, увеличивается объем аэрозоля, и, во-вторых, уменьшается процентное содержание серной кислоты в аэрозоле. Для оценки изменения объема и состава
сульфатного аэрозоля использованы эмпирические соотношения, полученные на основании расчетов с термодинамической моделью [12] и устанавливающие связь между плотностью раствора серной кислоты в воде, температурой воздуха и молярной концентрацией серной кислоты:
р, = р0 + (123.64 - 5.6 х 104Т 2)т, -- (29.54 -1.81 х 10-4Т2)т!'5 +
(3)
+ (2.343 -1.487 х 10-3Т -1.324 х 10-5Т V;,
где р0 — плотность чистой воды, равная 1000 кг/м3, Т — температура, ш, — молярная концентрация серной кислоты. Значение молярной концентрации оценивается из ее соотношения с молярной долей серной кислоты в водном растворе:
т, = 55.51-
Л
1 - /,
(4)
где молярная фракция серной кислоты £ связана с парциальным давлением водяного пара рк и температурой эмпирическим соотношением [12]:
+
1п(р„) = 47.004 + (2724.2/Т - 21.66)+ (5171 - 15732/Т)) - 6969/Т - 4.61831п(Т).
(5)
По вычисленной молярной фракции серной кислоты в растворе можно получить относительное содержание Н^04:
т< 0.09812
1 + т, 0.09812
Откуда можно оценить объем сул
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.