ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 6, с. 789-802
УДК 551.510.41
МОДЕЛЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ СОЛНЕЧНЫХ ПРОТОННЫХ ВСПЫШЕК НА ИОННЫЙ И ГАЗОВЫЙ СОСТАВ МЕЗОСФЕРЫ
© 2009 г. Ю. Э. Озолин*, И. Л. Кароль*, Е. В. Розанов**, Т. А. Егорова**
^Главная геофизическая обсерватория им. А.И. Воейкова 194021 Санкт-Петербург, ул. Карбышева, 7
E-mail: karol@main.mgo.rssi.ru **Физико-метеорологическая обсерватория Мировой радиационный центр, Давос, Швейцария E-mail: e.rozanov@pmodwrc.ch Поступила в редакцию 01.10.2008 г., после доработки 28.01.2009 г.
Представлена одномерная ионно-фотохимическая модель газового состава атмосферы, описывающая образование D-слоя ионосферы. На основе этой модели проведены расчеты вертикальных профилей концентрации электронов и ионов в D-слое ионосферы, а также вертикальные распределения малых газовых составляющих атмосферы до высоты 86 км для невозмущенных условий и после мощной солнечной протонной вспышки (СПВ) в конце октября 2003 г. Расчеты показали, что СПВ приводят к значительному увеличению NOx в мезосфере полярных широт. В нижней мезосфере полярных шапок отношение смеси NOX возрастает на 20-50 млрд1, а в верхней на 100 млрд1 и более. Высокие уровни NOX в зонах образования могут сохраняться в течение нескольких недель, производя при этом долгосрочное, но сравнительно небольшое уменьшение озона в нижней мезосфере. Основное уменьшение озона вызвано краткосрочным возрастанием HOX после СПВ и также имеет кратковременный характер в условиях освещенной мезосферы. После СПВ в октябре 2003 г. модельные расчеты дают уменьшение концентрации озона на 40% в средней и верхней мезосфере на 75° S и на 70% на тех же высотах на 70° N. Результаты моделирования изменений NOX и O3 после СПВ в октябре 2003 г. хорошо согласуются с данными спутниковых измерений. Проведено сравнение изменений малых газов мезосферы после СПВ, рассчитанных по модели с параметризованными источниками HOX и NOX с изменениями, полученными в полной ионно-фотохимической модели. Довольно хорошее совпадение получается для изменений HOX, NOX и O3, а для ClO имеется заметное расхождение, особенно в нижней мезосфере. Так, на высоте около 60 км параметризованная фотохимическая модель вдвое занижает образование ClO после СПВ.
1. ВВЕДЕНИЕ
Изучение возможного воздействия мощных потоков высоко-энергетических частиц (главным образом протонов), образующихся в результате солнечных вспышек, на малые газовые составляющие атмосферы Земли проводилось с 70-х гг. XX века [1, 2]. При проникновении протонов в атмосферу Земли они сталкиваются с молекулами воздуха. В результате этих столкновений происходит ионизация молекул воздуха с высвобождением вторичных электронов, которые, обладая большой энергией, могут приводить к дальнейшей ионизации, диссоциативной ионизации, диссоциации и возбуждению газовых молекул. По мере проникновения протонов в атмосферу их энергия из-за столкновений с молекулами воздуха падает, и процесс ионизации прекращается. Так как Земля имеет собственное магнитное поле, то проникновение солнечных протонов в атмосферу Земли происходит главным образом в районах магнитных полюсов с геомагнитной широтой больше 60°. Повышенная ионизация и диссоци-
ация молекул воздуха в околополярных районах приводит к усиленному образованию радикалов НОх (Н, ОН, Н02) и Шх (К, N0, Ш2). Увеличение концентрации окислов водорода и азота, в свою очередь, вызывает уменьшение содержания озона и изменение концентрации других малых газов.
Изменение концентрации некоторых малых газов атмосферы после мощных солнечных протонных вспышек (СПВ) было подтверждено сопутствующими измерениями. Первоначально это были локальные ракетные и спутниковые измерения озона, например, [3-6], которые показали значительное уменьшение его концентрации в верхней стратосфере и нижней мезосфере. В дальнейшем ракетные и спутниковые измерения зафиксировали рост окислов азота после СПВ [7, 8]. Развитие техники спутниковых измерений в последние годы позволило также обнаружить увеличение в верхней стратосфере и нижней мезосфере концентрации таких малых газов, как НШ3, К205 и С10Ш2 [9]; С10 и Н0С1 [10]. Непосредственно измерено и увеличе-
ние в слое 40-80 км концентрации ОН после СПВ в январе 2005 г. [11].
Несмотря на то, что мощные СПВ происходят сравнительно редко, моделирование их воздействия на изменение газового состава верхней стратосферы и мезосферы является весьма важной задачей. Прежде всего, представляет интерес получение в моделях краткосрочных изменений концентрации малых газовых составляющих, совпадающих с данными измерений. Это позволяет судить о точности используемых при исследовании последствий СПВ фотохимических моделей. Кроме того, поскольку образующиеся после СПВ в атмосфере окислы азота в условиях полярной ночи имеют большое фотохимическое время жизни, возможны и долгосрочные изменения ряда малых газов в стратосфере и мезосфере. Учет таких долгосрочных изменений важен, например, при изучении трендов содержания озона. При моделировании долгосрочных изменений газового состава атмосферы актуальной становится параметризация источников газов, образующихся в результате ионизации молекул воздуха солнечными протонами и сопутствующими энергичными частицами.
Оценки возможного изменения концентрации малых газов атмосферы после солнечных протонных вспышек проводились с использованием моделей разной размерности, например, [12-21], в том числе и на основе глобального трехмерного моделирования. Следует отметить, что в этих моделях использовалось в параметризованном виде производство определенного числа окислов НОх и КОх на одну электрон-ионную пару. Для НОх это число в верхней стратосфере и нижней мезосфере берется равным двум, а на больших высотах начинает уменьшаться, спадая до нуля в верхней мезосфере. Высотные профили этого параметра для НОх приведены, например, в [22]. Число молекул КОх, образующихся на каждую ионную пару, обычно берется равным 1.25 в мезосфере и верхней стратосфере. В работе [22] предполагается, что образуется 0.7 молекул КО и 0.55 молекул К(48). Непосредственное образование после СПВ в результате ионной химии других малых газов атмосферы, таких как С1О, С1ОКО2, НОС1, НКО3, в параметризованных фотохимических моделях не учитывалось. Но сравнительно недавно появились оценки влияния СПВ на газовый состав атмосферы, выполненные и на основе совместного расчета изменений концентрации ионов и электрически нейтральных газов [11, 23, 24]. Основное внимание в этих работах уделено расчету образующихся после СПВ водородных радикалов и параметризации ионных источников НОх. Возможные изменения других важных малых газов, например, С1х(С1, С10) после СПВ в результате ионной химии в указанных работах не исследовались. Следует отметить, что модельные исследования процессов взаимосвязанных изменений нейтральных составляющих и ионов в О-слое ионосферы развивались еще с 80-х гг. хх века. Одна из первых
ионно-фотохимических моделей мезосферы и нижней термосферы представлена, например, в [25]. Использование совместной ионно-фотохими-ческой модели представляется перспективным для проверки и уточнения применяемой параметризации источников окислов азота и водорода и параметризации источников ряда других газов, образующихся после СПВ.
Целью данной работы является построение совместной модели газового и ионного состава мезосферы и верхней стратосферы, позволяющей, с одной стороны, проводить расчеты ионного состава D-слоя ионосферы, а с другой стороны, исследовать изменение малых нейтральных газовых составляющих атмосферы после СПВ. В главе 2 изложены основные положения разработанной авторами ионно-фотохимической модели и в главе 3 приведены некоторые результаты моделирования невозмущенного D-слоя ионосферы. В главе 4 представлены результаты непосредственного расчета с использованием данной модели изменений HOX, NOX и ClX после солнечной протонной вспышки в конце октября 2003 г.
2. КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИОННО-ФОТОХИМИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
Основой модели является ионно-фотохимиче-ский блок. В этом блоке рассчитывается концентрация электронов (e), учитывается 30 положительно
заряженных ионов: O+, O+, O+, N+, NO+, N+, H2O+,
H3O+, O+ ■ n2, O+ ■ H2O, H3O+ ■ OH, NO+ ■ H2O, NO+ ■ (H2O)2, NO+ ■ (H2O)3, NO+ ■ CO2, NO+ ■ N2, NO+ ■ H2O ■ CO2, NO+ ■ H2O ■ N2, NO+ ■ (H2O)2 ■ CO2, NO+ ■ (H2O)2 ■ N2, H+ ■ (H2O)2, H+ ■ (H2O)3, H+ ■ (H2O)4, H+ ■ (H2O)5, H+ ■ (H2O)6, H+ ■ (H2O)7, H3O+ ■ CO2, H3O+ ■ N2, H+ ■ (H2O)2 ■ CO2, H+ ■ (H2O)2 ■ N2; 12 отрицательных ионов: O-, Cl-, O2, OH-, ClO-, O-, NO2,
NO-, O4, CO3, CO4, HCO-, и 29 нейтральных по заряду газов: O(1D), O(3P), O3, O2(1Ag), N(2D), N(4S), NO, NO2, NO3, N2O5, HNO2, HNO3, N2O, H, OH, HO2, H2O2, H2, H2O, Cl, ClO, ClONO2, HCl, HOCl, CH4, CH3, CO, CO3, HCO3.
Процессы ионизации и диссоциации в слое D, включенные в модель, представлены в таблице. Скорость ионизации (производство электрон-ионной пары в единице объема в единицу времени) рассчитывалась на основе параметризации [26] следующих процессов: ионизация NO солнечной радиацией в линии Лайман а (121.6 нм); ионизация O2(1Ag) в UV области 102.7-111.8 нм; ионизация галактическими космическими лучами. Скорость ионизации атмосферы Q в результате СПВ задавалась при моделировании околополярных районов с геомагнитной широтой 60-90° N и 60-90° S по результатам обработки спутниковых измерений [18]. Скорость
Q(X) образования ионов (X) при соударении с протоном р или с энергичным (вторичным) электроном е* в реакциях 3-6 задавалась в долях от скорости ионизации, вызванной галактическими космическими лучами и солнечными протонами [26]. Кроме того, учитывалась диссоциация N из-за соударений с энергичными электронами (реакция 7), в результате которой на одну ионно-электронную пару производится примерно 0.8 молекул N [12].
В Приложении 1 приведены фотохимические реакции с участием ионов, включенные в модель (кроме реакций ион-ион рекомбинации). Среди этих реакций можно выделить следующие группы: 1) реакции между положительными ионами и нейтральными компонентами (№№ 1-66); 2) реакции захвата электронов нейтральными
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.