Состояние озоновой дыра над Антарктидой на 2013 год

Содержание

Введение……………………………………………………………………….… 2

1    Значение озонового слоя в атмосфере……………………………...........…4

1.1 Единицы измерения и распределение О₃ в атмосфере………………….…9

1.2 Спутниковые методы измерения озона…………………………………... 10

2    Распределение озона в воздушных массах…………………………..........12

2.1 Особенности распределения общего содержания озона в циклонах и антициклонах…………………………………………………………………....16

2.2 Результаты исследований ОСО и тропических циклонов………….........18

2.3 Физический механизм климатических изменений…………………….....20

3   Особенности поля ОСО и циркуляции в нижней стратосфере……….......20

4   Состояние озоновой дыра над Антарктидой на 2013 год………………...23

4.1 Что было сделано в области защиты озонового слоя…………………….25

4.2 Факты говорят сами за себя………………………………………………..26

Заключение……………………………………………………………………...28 

Введение

Атмосферный озон играет важную роль для всего живого на планете, образуя озоновый слой в стратосфере он защищает растения и животных от жёсткого ультрафиолетового излучения.

Озон - это газ голубоватого цвета с характерным запахом, очень сильный окислитель. Молекулярная формула озона О₃. Он тяжелее кислорода и нашего привычного воздуха. Озон располагается на высоте 20-55 км. Этот слой называется озоносферой. Озон имеет глубокую полосу поглощения в диапазоне 270 – 330 нм.

Если все количество озона  в озоносфере привести к приземным условиям (давление 1013 гПа, температура 200^oС), то толщина слоя озона составит около 3мм. Толщину такого приведенного слоя озона используют в качестве меры содержания общего его количества в атмосфере. Единица содержания озона в атмосфере – 1 добсон (1 е.Д. =10^-3 см). Нормальное содержание озона – около 300 е.Д.

Содержание озона в  атмосфере Земли характеризуется  довольно большой изменчивостью  в пространстве и во времени. На фоне этих короткопериодных «шумов» необходимо выявлять обусловленные природными факторами и антропогенным загрязнением длительные тренды изменения содержания озона, составляющие 1—2 % за 10 лет. Эта  задача может быть решена только путем  накопления и статистического анализа  длительных рядов измерений, выполненных  в различных пунктах земного  шара высокочувствительными стабильными  приборами по единой методике. По общему содержанию озона такие ряды накапливаются  на многих станциях мировой озонометрической сети, созданной в период подготовки Международного геофизического года (1957—1959 гг.). Самый длинный ряд наблюдений, начиная с 1926 г., накоплен на станции Ароза в Швейцарии. Резкое увеличение количества данных об общем содержании озона и его пространственно временной изменчивости произошло в 70е годы после создания спутниковой системы наблюдений озона. Так, спутниковый спектрометр TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) ежедневно осуществляет более 180 000 измерений на освещенной Солнцем поверхности Земли.

Общее содержание озона характеризует  в основном влияние озона на биосферу, поскольку оно определяет интенсивность  достигающего поверхности Земли  биологически активного ультрафиолетового  излучения Солнца. На термический режим стратосферы, определяющий ее динамику, циркуляцию и, в конечном счете, климат Земли, сильное влияние оказывает вертикальное распределение (профиль) озона. Поэтому организация мониторинга изменений вертикального распределения озона не менее важна, чем контроль трендов его общего содержания. Однако стратосфера является трудно достижимой областью, поэтому более или менее регулярные измерения вертикального распределения озона начались лишь в конце 40х годов вследствие быстрого развития аэростатных, ракетных и спутниковых методов исследования атмосферы.

В течение почти полувека, до начала широкого использования аэростатной  и ракетной техники, измерения концентрации озона проводились оптическими  методами, не утратившими значения и в настоящее время благодаря  уникальным оптическим свойствам озона. Озон имеет исключительно сильные  полосы поглощения в ближней ультрафиолетовой области спектра. Главная полоса поглощения озона — полоса Хартли занимает диапазон длин волн от 220 до 290 нм. К ней примыкает область  более слабых полос Хёггинса, простирающаяся от 300 до 360 нм. В этой области на фоне довольно слабого континуума наблюдаются достаточно резкие минимумы и максимумы, которые используются для измерения содержания озона по ослаблению излучения внеземных источников света — Солнца, Луны, звезд. В красной части спектра расположена слабая полоса поглощения Шаппюи, простирающаяся от 440 до 850 нм.

Для измерения концентрации озона по поглощению инфракрасного  излучения Земли и Солнца обычно используется полоса 9,59 мкм, которая  находится в центре длинноволнового  окна прозрачности атмосферы 8—13 мкм. Эта полоса поглощения озона состоит  из большого числа линий, и ее тонкую структуру экспериментально разрешить  не удается. Другие полосы поглощения озона в инфракрасной области  или перекрываются более сильными полосами поглощения Н2О и С02, или  имеют малую интенсивность.

1 Значение озонового  слоя в атмосфере

В схеме радиационного  баланса системы Солнце-атмосфера  это поверхность Земли – космос, определяющей энергетические процессы в атмосфере, озону отведена существенная роль.

Озон обладает способностью сильно поглощать УФ излучение Солнца. Главная полоса поглощения перекрывает  диапазон от 200 до 300нм. Кроме того, озон имеет ряд колебательно вращательных полос поглощения – в инфракрасной части спектра, наиболее сильной  из которой является полоса, соответствующая 9,57 мкм. Эти оптические свойства озона определяют его активную роль в радиационном балансе Земли. Поглощая ультрафиолетовую радиацию, озон определяет его тепловой режим атмосферы на высотах 30-60 км, вносит соответствующие изменения в спектр, коротковолнового излучения, приходящего к поверхности Земли, и в баланс длинноволнового излучения в атмосфере.

Когда речь идёт об озоне  и других радиационных – активных газах необходимо учитывать их малое  содержание в атмосфере. Из истории  климата Земли известно, что состав атмосферы никогда не был изменённым и особенно по содержанию малых газов. Его эволюция соответствовала происходившим  геологическим, биологическим и  фотохимическим процессами. Эволюция происходила и происходит в масштабах  тысяч и миллионов лет, и в этом плане она не так беспокоит современное человечество, однако растущее вмешательство человека в естественные процессы меняет представление о характере и скорости эволюции состава атмосферы.

Так возрастающий выброс CO₂ в атмосферу ставит вопрос о возможном изменении климата, а выброс некоторых химически активных соединений ставит вопрос о возможном изменении концентрации атмосферных газов, содержащихся в относительно малых количествах, но являющихся радиационно-активными. Количество озона в атмосфере относительно невелико (толщина приведенного слоя около 0.3 см). [8]

Проблема озона и его  влияние на климат и на человека сложным образом связана с  процессами образованиями и разрушениями озона в результате фотохимических реакций, с процессами переноса перемешивания  озона, радиационными процессами в  атмосферу и с процессами циркуляции.

Озоновый слой на самом  деле не является слоем. Озон распределён  практически по всей атмосфере. Но не совсем равномерно:

Рисунок 1 – распределение  озона по высоте в атмосфере.

 Озоновый слой расположен на высоте 25-30 км от поверхности земли и находится в состоянии динамического равновесия, когда процессы синтеза и разложения озона компенсируют друг друга. Стратосферный озон поглощает жесткую УФ радиацию Солнца и этим защищает всё живое на Земле. Озон также поглощает ИК излучение Земли, следствием чего является разогрев стратосферы и рост температуры с высотой в этой области. Так возникает температурная инверсия, ограничивающая перенос воздушных масс и процессы формирования погоды за пределами тропосферы. Истощение  озонового слоя вызвано действием озоноразрушающих веществ, попадающих в стратосферу. Это техногенные газы, прежде всего хлорфторуглероды (ХФУ) – стойкие химические соединения, которые могут диффундировать к озоновом слою десятки лет.

ХФУ перемещаются за озоновый слой и поглощают УФ – излучение. В результате фотохимических реакций  выделяется атомарный хлор, катализирующий последующие цепные реакции с  участием озона. При этом один атом хлора может уничтожить до 10 тыс. молекул озона. Помимо ХФУ существенное влияние на запасы  озона в стратосфере оказывают выбросы сверхзвуковой авиации, содержащие такие озоноразрушающие вещества, как окислы азота. Один запуск, например, космического корабля типа <Шатл>  приводит к ликвидации 10 млн. тонн озона. С 60-х годов началось массовое производство фреонов, и в атмосфере накопилось большое количество озоноразрушающих веществ, которые, не разлагаясь будут в течении десятилетий диффундировать к озоновому слою, продолжая  его разрушение. Поэтому (по мнению некоторых ученых) необходимо переходить к активным методам, позволяющим восстанавливать запасы озона.

Эти методы основаны на использовании  электромагнитного и лазерного  излучений, электрических зарядов, которые способствуют образованию  озона в результате фотодиссоциации кислорода.

Данные Росгидромета показали, что до настоящего времени озоноразрушающие вещества (хлорфторуглероды) не сыграли определяющей роли в наблюдаемой межгодовой изменчивости общего содержания озона, происходящей под влиянием естественных факторов.

Влияние толщины озонового  слоя на здоровье населения: по данным ООН. Сокращение озонового слоя всего на 1% приводит к появлению у людей 100тыс. новых случаев котаракты и 10тыс. случаев рака кожи. Последствия убыли озона могут быть угрожающими, они могут привести к более чем 3 млн. смертельных случаев от рака кожи до 2030 года и 19 млн. – до 2060 года.

Число глазных заболеваний (котаракты) может увеличиваться на 130 млн. до 2060 года; примерно 50% из них придётся на долю развивающихся стран. Число этих заболеваний растёт. В США за 7 лет количество случаев заболевания одним из опасных видов рака кожи (меланомой) возросло на 3-7%.

Кроме увеличения заболеваемости, существует множество других трудно учитываемых воздействий на здоровье человека и животных (например, снижение иммунитета), на урожаи с/х культур, на водные экосистемы.

Толщину озонового слоя над  территорией Омской области ежедневно  определяют сотрудники гидрометеорологической станции Омск (ОГМСК Омск), расположенной  на опытных полях СИБНИИСХоза.

Норма по содержанию озона  определяется по данным за 20-летний период наблюдений. Обычно отклонения среднегодового значения толщины озонового слоя по сравнению со среднемноголетним, рассчитанным за 20 лет, над Омской областью не превышает 5% в ту или иную сторону. Опасное значение толщины озонового слоя, особенно в летний период, когда люди носят лёгкую одежду или загорают случается очень редко, последний раз было 4-5 лет назад.

Монреальский протокол по веществам, разрушающим озоновый слой – международный протокол к Венской конвенции об охране озонового слоя 1985 года, разработанный с целью защиты озонового слоя с помощью снятия с производства некоторых химических веществ, которые разрушают озоновый слой. Протокол был подготовлен к подписанию 16 сентября 1987 года и вступил в силу 1 января 1989 года. После этого последовала первая встреча в Хельсинки в мае 1989 года. С тех пор протокол подвергался пересмотру семь раз: (Лондон), 1991 (Найроби), 1992 (Копенгаген), 1993 (Бангкок), 1995 (вена), 1997 (Монреаль) и 1999 (Пекин). Если страны, подписавшие протокол, будут его придерживаться и в будущем, то можно надеяться, что озоновый слой восстановится к 2050 году. Генеральный секретарь ООН (1997-2006) Кофи Аннан сказал, что “возможно”, единственным очень успешным международным соглашением можно считать “Монреальский протокол”.

СССР подписал Монреальский протокол в 1987 году. В 1991 году Россия, Украина и Белоруссия подтвердили свою правопреемственность этому решению.

По состоянию на декабрь 2009 года 196 государств-членов ООН ратифицировал  первоначальную версию Монреальского протокола. Не все страны ратифицировали каждую последующую поправку. Только 161 страна подписала Пекинскую поправку.

В середине 1980-х гг. озоновый слой начал интенсивно истощаться. Причиной этому явились, по мнению нескольких ученых, некоторые галогенированные углеводороды, широко применяемые в промышленности, попадающие в атмосферу Земли. С целью международного противодействия разрушению озонового слоя был разработан Монреальский протокол. Он предусматривает для каждой группы галогенированных углеводородов определённый срок, в течение которого она должна быть снята с производства и исключена из использования.

1. Единицы измерения и распределение О3 в атмосфере

Роль озона в качестве климатического фактора зависит  от общего количсетва и вертикального распределния в атмосфере. При этом под общим количеством понимают толщину его слоя (Х) в сантиметрах, приведённого к нормальному давлению и температуре. Величину (Х)=0,001 см называют единицей Добсона (Д.е). общее содержание озона определяет, в частности, количество биологически активной УФ – радиации, достигающей поверхности Земли.

В тропической зоне между 30 ю.ш. и 30 с.ш. (Х) в общем невелико, мало зависит от широты и времени года и в среднем равно 266 Д.е.

К широте 50-60 среднее годовое  Х возрастает до 356 Д.е., в северном полушарии и до 340 Д.е. в южном.

Величина Х в умеренных  и полярных широтах достигает  обычно довольно крутого максимума  весной, в марте – апреле в  северном полушарии и в сентябре – ноябре в южном. Летом и осенью в обоих полушариях наблюдается  пологий, растянутый минимум озона. Такой годовой ход Х отличается от хода притока радиации и вызванных  ею фотохимических процессов. Весенний максимум резче в северном полушарии, где в апреле среднее Х=446 Д.е. на широтах 70-90, а длящиеся по нескольку  дней повышения – “волны” озона при холодных вторжениях – могут увеличивать Х до 690 Д.е.Среднее годовое количество озона в атмосфере по данным за 1957-1975 гг. составляет 296 Д.е., то есть в атмосфере имеется в среднем 3,29*10⁹ тонн озона. Из них около 46% приходится на тропический пояс Земли. В тропосфере содержится 1,16*10⁸ тонн озона (около 3,5% его общей массы), а в ее тропическом поясе 0,6*10⁹ тонн озона.

Иногда наблюдают периоды  с экстремально высокими (и низкими) значениями Х продолжительностью от 2 до 3 дней месяца и более. Ряд случаев когда средние месячные Х были очень высоки и превышали 480 Д.е., отмечался в Канаде, северо-восточных районах Сибири и на побережье Охотского моря, что свидетельствует о существованиях “местных полюсов озона”.

В сибирском полюсе озона, смещенном далеко к северо-востоку  от центра сибирского антициклона, среднемесячные значения Х повышаются до 570 Д.е. и  более, особенно при адвекции воздуха  с северо-запада в нижней тропосфере.

Более кратковременные и  резкие изменения Х – (повышения  до 660 Д.е.), которые обычно длятся от 2 до 4 суток, как это наблюдалось  в Восточной Сибири (1975г. Якутск, 1974г. Нагаево), связаны в основном с быстроменяющимися формами движения атмосферы, увлекающего почти весь слой озона, сосредоточенный в нижней и средней стратосфере.

Географическое распределение  областей низких значений Х и условия  их появления по данным наземной сети изучать трудно. Лишь развитие спутниковых  методов измерения озона открыло  тут новые возможности. Эти области, несомненно связаны с тропическим поясом. Например, наименьшее Х=191 Д.е. было отмечено на острове Ган близ экватора и лишь немного большим значение наблюдалось в Кулькутте (196 Д.е.) и на Маунт-Эбу 201 Д.е.

2. Спутниковые методы измерения озона

Решение обратной задачи оптики атмосферы используется и при  определении вертикального распределения  озона со спутников. Наиболее распространен  метод определения вертикального  распределения озона по измерениям рассеянного «назад» ультрафиолетового  излучения Солнца. Первые экспериментальные измерения были проведены в 1965—1966 гг. почти одновременно в СССР и в США.

Рисунок 1 – Наблюдение за содержанием озона со спутника

В упомянутых выше экспериментальных  спутниковых измерениях использовались данные для одной длины волны. На спутнике США измерения проводились  на длине волны 284,0 нм, что позволило  оценить содержание озона выше 40—50 км. На советских спутниках устанавливались  двойные диффракционные монохроматоры, осуществляющие примерно за 1 мин непрерывные измерения спектра рассеянного излучения в 1965 г. в области 225— 307 нм, а в 1966 г. в области 250—330 нм. Измерения при Х = = 295 нм позволяли оценивать характер широтно-долготных вариаций количества озона выше 30 км.

Большой объем данных о  вертикальном распределении озона  выше максимума (примерно 25 км) был получен  при обработке результатов измерений  интенсивности рассеянного излучения  Солнца в диапазоне 250—295 нм со спутника OGO4, запущенного в сентябре 1967 г. и работавшего до января 1969 г. Одновременно со спутниковыми измерениями осуществлялись пуски ракет с описанными выше оптическими озонозондами, что позволило осуществить калибровку. Обработка измерений производилась методом, близким к «короткому методу обращения», включающим определение матрицы поглощения для 40 уровней стандартного распределения озона, оценку приборных погрешностей и приборного шума. Затем использовались данные наблюдений на 140 длинах волн, что приводило к четырехкратно переопределенной системе.

2 Распределение  озона в воздушных массах

Озон, несмотря на малое его  содержание в атмосфере, играет существенную роль во многих физических и химических процессах в атмосфере. Его суммарное  количество принято измерять толщиной слоя газообразного озона, приведённого к нормальным условиям (P₀=1013,25 гПа, Т₀=288,15 К).

В качестве единицы общего (суммарное) содержания озона используется 1 атмосферо-см (атм-см) – слой озона толщиной 1 см при нормальных условиях. В некоторых случаях используют в качестве единицы 1 миллиатмосферо-см (матм-см), причем 1 атм-см=10³ матм-см.

Озон является наиболее важной в энергетическом отношении составной частью воздуха стратосферы. Вертикальное и горизонтальное распределение температуры в стратосфере, структура ее полей давления и ветра самым тесным образом связаны с атмосферным озоном. Благодаря своему консервативному свойству, поскольку озон сравнительно медленно разрушается при поступлении в нижнюю стратосферу и тропосферу, данные о его распределении используются в ряде случаев для изучения циркуляции и турбулентности  в стратосфере и тропосфере. Озон путём поглощения ограничивает коротковолновый конец солнечного спектра (короче 290нм), при наличии которого органическая жизнь на Земле в ее современном виде была бы невозможной.

Уже в нижней стратосфере  концентрация озона вредна для здоровья и человека. Повышенная концентрация озона вызывает порчу резины и  др. конструкционных материалов, что необходимо учитывать, допустим высокие полёты. Была установлена связь между температурой воздуха на разных высотах и общим содержанием озона. Оказалось, что для тропосферных уровней коэффициенты корреляции между температурой и общим содержанием озона отрицательны и имеют наибольшие абсолютное значение для средней тропосферы.

В стратосфере, наоборот, связь  между температурой и общим количеством  озона положительна и несколько  менее тесная, чем для тропосферных уровней.

Таблица 1 – Коэфициент корреляции между общим содержанием озна и температурой на различных высотах.

Поскольку температура воздуха  является одной из важнейших характеристик  воздушной массы и общим содержанием  озона в ней.

Наибольшие различия содержания озона наблюдаются в весенние месяцы, когда наиболее значителен контраст в общем количестве озона  между высокими и низкими широтами.

Рисунок 2 – Средние за день значения общего содержания озона (Х) в различных воздушных массах 1975 – 1976гг. (1- ·, 2-X, 3-º )

В зоне струйного течения  отмечается специфическое распределение  общего содержания озона: на циклонической периферии количества озона больше среднего для данного места и времени года, а антициклонической – меньше. В результате этого эффекта горизонтальный градиент общего содержания озона в зонально фиентированном струнойм течении в 2-10 раз больше среднего для данного периода времени его меридионального градиента.  В случае широтного направления струйных течений горизонтальный градиент общего содержания озона в пределах струйного течения в среднем равен 9,0 матм-см на 1^о меридиан, что в 4-6 раз больше нормального меридионального градиента общего содержания озона в умеренных широтах.

Рисунок 3 – Распределение  отклонений общего содержания озона  от средней месячной нормы относительно оси струйного течения для  зональных (1) и меридианальных (2) струйных течений.

 Причиной увеличения общего содержания озона в зоне струйного течения и повышения его горизонтальных градиентов, являются особенности горизонтального макротурбулентного обмена в нижней стратосфере на различных перифериях струйного течения. Струйное течение является своеобразным барьером по отношению к озону, находящемуся в воздушных массах, располагается на его перифериях.

Таблица 2 – Средние отклонения от нормы общего содержания озона (матм–см) на различных перифериях струйного течения в зависимости от его интенсивности.

2.1 Особенности распределения общего содержания озона в циклонах и антициклонах

Анализ озонометрических и синоптических материалов показывает, что общее содержание озона в циклонах больше, чем в антициклонах. В циклонах оно в среднем в умеренных и высоких широтах равно 0,341 атм-см, т.е. в циклонах на 7% больше эти различия, скорее всего, связаны с тем, что в холодном воздухе, поступающем из более высоких широт, содержание озона больше чем в тёплом.

Условием возникновения циклона является адвекция холодного воздуха в его тыловой части, превышающая адвекцию тепла в передней части. С этими процессами, очевидно, связано увеличение содержания озона. Антициклон развивается в случае интенсивной адвекции тепла в его тыловой части, и превышающей адвекцию холода в передней части. Поэтому в целом общее содержание озона в антициклоне становится меньше среднего значения.

Отклонения среднесуточного  общего содержания озона от среднего за декаду, в циклонах чаще положительные, а в антициклонах - отрицательные, причем – в разных частях циклонов и антициклонов отклонения различны.

В тыловой части циклона  средние значения отклонения положительны, а в передней – отрицательны, причем положительные отклонения чаще больше по значению, чем отрицательные  и занимают большую площадь циклона. В антициклонах, наоборот, в тыловой части средние значения отклонений от средних декадных величин общего содержания озона положительных, а в передней части – отрицательны.

Таблица 3 – Средние отклонения общего содержания озона в разных частях циклонов и антициклонов в пределах 35-70^о с.ш. по данным 13 станций (атм-см).

Отклонения содержания атмосферного озона в циклонах и антициклонах имеют годовой ход. Максимум отклонений в циклонах приходится на весну (точнее, по средним месячным данным на февраль-март), а антициклонах – на зиму (январь-февраль).

Таблица 4 – Средние отклонения от средних сезонных значений общего содержания озона в циклонах и  антициклонах (атм-см).

Поскольку межсуточная изменчивость ОСО тесно связана с аналогичной  характеристикой давления на уровне моря, то можно предположить наличие связи между образованием циклонов и антициклонов и изменением общего содержания озона.

2.2 Результаты исследований ОСО и тропических циклонов.

В тропической зоне наблюдаются  значительные межсуточные вариации среднедневных значений ОСО. На медленные  изменения (сезонный ход) накладываются  довольно большие по амплитуде возмущения.  Кроме отдельных максимумов могут продолжительное время (до 10 суток) отмечаться повышенные содержания озона. Превышение среднемесячных значений ОСО в течение продолжительного периода связано с преобладанием меридиональной циркуляции , с влиянием на пункты наблюдения холодных фронтов, с проникновением в тропики воздушных масс умеренных широт с большим содержанием озона умеренных широт с большим содержанием озона, чем в тропических воздушных массах.

Наиболее существенные возмущения наблюдаются при смене типа крупномасштабной циркуляции. Это подтверждают измерения ОСО, проведённые на Кубе в разных пунктах, удалённых друг от друга на 300-500км. Измерения показывают последние явления отдельных максимумов ОСО в этих пунктах. Появление максимума ОСО обычно на сутки – несколько суток предшествовало прохождению холодного фронта, когда похолодание на больших высотах,  а значит и увеличение содержания озона, началось раньше, чем у поверхности земли.

Как было замечено при исследованиях  на Кубе, при образовании из тропической  депрессии урагана за несколько  дней до этого наблюдается увеличение ОСО в среднем 5-8 % по сравнению  с фоновым содержанием. При затухании ТД такого увеличения содержания не наблюдалось. Анализ синоптических ситуаций показал, что увеличение ОСО было связано, в большей степени, с вторжением холодного, более богатого озоном воздуха умеренных широт. Такое вторжение способствует развитию облачного скопления и превращению его в тропический циклон.

Таблица 5 – Расстояние от пункта наблюдения до центра образующегося  тропического циклона