УДК 551.510.42
НАЗЕМНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ HF В СТРАТОСФЕРЕ ВБЛИЗИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГА (2009-2013 гг.) © 2014 г. А. В. Поляков, Ю. М. Тимофеев, Я. А. Виролайнен, А. В. Поберовский
Санкт-Петербургский государственный университет 198504 Санкт-Петербург, Петергоф, ул. Ульяновская, 1 E-mail: polyakov@troll.phys.spbu.ru Поступила в редакцию 15.10.2013 г., после доработки 10.01.2014 г.
Проанализированы результаты наземных спектроскопических измерений общего содержания фтористого водорода (ОС HF) в районе Санкт-Петербурга за 4 года измерений (2009—2013 гг.). Среднее значение ОС HF составляло 1.93 х 1015 см-2, а среднеквадратические вариации (естественная изменчивость) для всего ансамбля измерений около 20%. Данные измерений хорошо согласуются с измерениями на станциях сети NDACC (Бремен и Harestua) с учетом широтных отличий. Среднемесячные значения ОС HF демонстрируют сезонный ход с максимумами в конце зимы—начале весны и минимальными значениями в период ноябрь—январь. Изменчивость среднемесячных значений максимальна в зимне-весенний период. Сопоставление наземных измерений ОС HF со спутниковыми затменными измерениями прибора ACE-FTS показало, что наземные ОС на 12% меньше данных спутниковых измерений, а среднеквадратические различия зависят от используемой версии обработки спутниковых данных и составляют 13 и 16% для версий 2.2 и 3.0 соответственно. Рассчитанное отношение ОС HCl и HF существенно уменьшается в конце зимы—весной. Линейный тренд этого отношения 2.5% за год, хотя и недостаточно статистически обоснованный из-за краткости периода наблюдений, обусловлен как уменьшением содержания HCl в стратосфере, так и небольшим ростом ОС HF за рассмотренный период и согласуется с данными литературы.
Ключевые слова: газовые составляющие, атмосфера, антропогенное загрязнение, озоноразрушаю-щие газы, инфракрасная спектроскопия.
DOI: 10.7868/S0002351514060133
ВВЕДЕНИЕ
Фтористый водород возникает в стратосфере в основном как продукт фотодиссоциации фторо-водородных соединений антропогенного происхождения, и поэтому его содержание является удобным показателем антропогенного влияния на атмосферу [1]. HF не участвует интенсивно в фотохимии озона, но значительное время жизни в стратосфере (более 10 лет) позволяет использовать его как индикатор динамических процессов в атмосфере [2]. Отношение содержаний HCl/HF характеризует также интенсивность гетерогенных процессов на частицах полярных стратосферных облаков [2].
Присутствие в атмосфере HF впервые было зафиксировано в наземных спектроскопических измерениях в 1975 г. [3]. В дальнейшем регулярные измерения общего содержания (ОС) HF проводились различными научными группами, а в последние годы на станциях международной сети наблюдений NDACC (Network for the Detection of
Atmospheric Composition Change). Проводились также аэростатные и самолетные измерения вертикальных и широтных распределений содержания HF (см., например, [4]). Спутниковые измерения профилей HF были осуществлены с помощью прибора ATMOS [5], а в период с сентября 1991 по ноябрь 2005 гг. — прибора HALOE [6], что позволило создать глобальную климатологию содержания этого газа в земной стратосфере [7]. В настоящее время спутниковые измерения профилей HF осуществляются с помощью затменного метода аппаратурой ACE-FTS [8].
Наземные измерения на станциях NDACC позволили определять долговременные тренды ОС этого газа. В 70-80-х годах прошлого столетия наблюдался быстрый рост ОС HF, достигавший 10.9 ± 1.1% в год на станции Кит-Пик [9]. В дальнейшем увеличение содержания HF на этой станции происходило существенно медленнее — за период 1977—2001 гг. со скоростью 4.3 ± 0.15% в год [10]. Оценки тренда за период 1996—2009 гг. по из-
мерениям на станции Кируна (Швеция) дали увеличение ОС HF, близкое к нулю (0.65 ± 0.25% в год) [11]. Аналогичные данные были получены и в работе [12], где анализировались измерения на 17 станциях, расположенных от 80.05° N до 77.88° S.
В данной работе анализируются измерения ОС HF в течение четырех лет вблизи Санкт-Петербурга, в частности, его сезонные вариации, а также результаты сопоставлений проведенных измерений с наземными измерениями на ближайших станциях сети NDACC и спутниковыми измерениями. В предыдущей работе авторов аналогичные исследования охватывали два года измерений [13].
ДЕТАЛИ ИЗМЕРЕНИЙ И ИНТЕРПРЕТАЦИИ ДАННЫХ
Измерения ИК-спектров прямого солнечного излучения высокого спектрального разрешения выполнялись с помощью спектрального комплекса, созданного на физическом факультете СПбГУ на базе Фурье-спектрометра Bruker IFS125 [14], с января 2009 по апрель 2013 гг. В течение дня число измерений составляло от 1 до 15 спектров, чаще всего в течение дня число спектров составляло 5—6. В данной статье анализируются результаты определения среднедневных значений ОС HF.
Измерения солнечного излучения выполнялись с разностью хода 180 см-1 , использовались полученные с функцией аподизации Norton-Beer medium спектры, спектральное разрешение которых составило 0.008 см-1. Отношение сигнал/шум, определенное по шумовой дорожке "нулевого" сигнала, колебалось в пределах 400-1600, типичное значение около 1200. Для интерпретации измерений использовалась программа SFIT2 v. 3.92 в варианте, при котором первоначально восстанавливается вертикальный профиль содержания исследуемого газа, затем полученный профиль интегрируется для получения ОС. Это программное обеспечение используется на большинстве станций международной сети NDACC. При этом нами использовались рекомендованные на той же сети для получения ОС HF спектральные интервалы 4000.86-4001.10, 4038.81-4039.07, 4109.774110.07 см-1. Укажем также, что при интерпретации наземных измерений использовались данные о профиле температуры в атмосфере и (в качестве начального приближения при уточнении) о профиле отношения смеси водяного пара из данных радиозондирования метеостанции Воейково (26063 ULLI, расстояние до места спектральных измерений 50 км), дополненные выше потолка радиозондирования или при отсутствии измере-
ний данными спутника AQUA (приборы AIRS и AMSU-A) [15]. Из результатов моделирования по модели WACCM [16, 17], версия 6 для Санкт-Петербурга, взяты следующие профили: в качестве априорного профиля для HF использовался среднегодовой профиль, а в качестве начального приближения для мешающих газов, кроме уже упомянутого водяного пара, (CH4, O3) среднемесячные значения для соответствующего месяца.
Наши оценки случайной компоненты погрешности определения ОС, основанные как на расчетах матрицы ошибок при решении обратной задачи, так и (оценка снизу) изменчивости ОС в периоды стабильных состояния атмосферы и функционирования прибора, позволяют оценить ее величину в ~2-3%. Отметим, что исследование различных источников погрешностей определения ОС HF с помощью Фурье-спектрометров было осуществлено в работе [18]. По оценкам этой работы случайная компонента погрешностей измерений ОС (при близких значениях сигнал/шум) составляет 2.7%, а основной вклад в систематическую погрешность вносит погрешность задания интенсивности линии HF (4.3%). Аналогичные оценки в работе [19] дали общую случайную компоненту погрешности в 6% и систематическую погрешность в ~5% (в основном за счет погрешностей задания интенсивности линии поглощения HF). Оценки работы [20] дали случайную компоненту погрешности в 2%, а полную систематическую погрешность в 6%. Отметим, что небольшие вариации оценок погрешностей в различных работах обусловлены использованием различных спектральных интервалов, различиями в характеристиках аппаратуры, условиях измерений (зенитные углы Солнца и т.д.) и в состоянии атмосферы в моменты измерений. Другие детали измерений и интерпретации данных, остававшиеся неизменными в течение последних двух лет измерений, описаны в нашей работе [13].
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ ОС HF И ИХ АНАЛИЗ
Основные характеристики ансамбля спектров солнечного излучения и ОС HF приведены в таблице. В течение исследуемого периода общее число спектров солнечного излучения, принятых к обработке, составило 2110. На основе анализа этих спектров было получено 1832 ОС HF (ряд спектров не позволили получить приемлемые величины среднеквадратичных разностей между расчетными и измеренными спектрами и были отбракованы по этой или другим техническим причинам). Осреднение полученных значений
Сравнение ОС HF по данным наземных измерений в Петергофе и прибором ACE-FTS (для двух версий обработки — 2.2. и 3.0) в единицах 1015 см—2 и %
Версия ACE N Среднее Средняя Среднекв. Стандартное отклонение разности Амплитуда измечивости
Петергоф ACE разность разность Петергоф ACE
2.2 8 1.70 1.90 0.20 (12%) 0.22 (13%) 0.11 (6%) 0.13 (8%) 0.20 (11%)
3.0 7 1.83 2.06 0.23 (12%) 0.28 (16%) 0.20 (11%) 0.56 (30%) 0.48 (23%)
Примечание. N — число сопоставлений.
позволило получить среднедневные величины ОС HF для 303 дней в течение четырехлетнего периода. Из-за метеоусловий большая часть измерений была осуществлена в весеннее и летнее время. Имелись также значительные пропуски в измерениях, связанные с состоянием аппаратуры (например, немногим менее четырех месяцев с декабря 2010 по март 2011 гг.)
Среднее значение ОС HF составляло для окрестностей Санкт-Петербурга (2009—2013 гг.) 1.93 х 1015 см-2. Средняя изменчивость ОС в течение дня составляла 0.082 х 1015 см-2 или 4.3%. Эту величину можно считать оценкой сверху случайной погрешности измерений ОС. Среднеквадра-тические вариации (естественная изменчивость)
ОС HF для всего ансамбля измерений составляли 0.38 х 1015 см2 (около 20%).
На рис. 1 приведены результаты наземных спектроскопических измерений ОС HF в Петергофе за 4 года. Значения среднедневных ОС HF находятся в диапазоне 1.5—3.0 х 1015 см—2 с явно выраженным максимумом в январе—марте. В летнее время и осенью наблюдаются пониженные значения ОС HF. На этом же рисунке приведены доступные нам данные измерений станций NDACC Bremen (2009—2011 гг.) и Harestua (2009 и 2011 гг.). На станции Bremen (53.1° N) значения ОС HF ниже, чем в Петергофе (59.9° N) и Harestua (60.2° N) в соответствии с общим широ
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.