Многолетняя изменчивость концентрации озона и аэрозоля в приземном слое атмосферы и прогноз ее изменения на основании предсказанного в 24 цикле уровня солнечной активности

Ряд данных , полученный в обсерватории Пик - дю - Миди , показывает , что с момента промышленной революции ( конец XIX в .) по настоящее время кон центрация озона повысилась в пять раз [Bojkov, 1995]. При этом бюджет озона в тропосфере возрос от 71 до 88 Тг [Lamarque et al., 2005]. Этот процесс продолжается и дальше [Marenco et al., 1995].

Вместе с тем , развернувшиеся во многих местах планеты исследования тропосферного озона пока зывают , что , по - видимому , в глобальном плане его концентрация близка к насыщению . Положитель ный тренд сохраняется , как правило , в городах , где имеются выбросы газов [Dollard et al., 1995; Sandroni et al., 1995; de Lceuw, 2000; Chou et al., 2006; Jenkin, 2008]. В большинстве же измерительных пунктов фиксируются изменения концентрации с периодич ностью от нескольких до десятков лет [Zanis et al., 1999; Harris et al., 2000; Gardner et al., 2000; Звягин цев и др ., 2000, 2005; Bronnimann et al., 2002; Girgzdi-ene, 2004; Libiseller et al., 2005; Ainsline et al., 2007; Derwent et al., 2007; Saliba et al., 2008;]. Причем , как показало сопоставление длинных рядов , характер их изменения для большинства мест одинаков [ Звягин цев , 2003; Oltmans et al., 2006].

Измерения концентрации озона и счетной кон центрации аэрозоля в приземном слое воздуха , вы полненные в районе Томска , выявили наличие по добных периодичностей и в этом регионе . Анализ периодичности изменения концентрации озона и аэрозоля показал , что она близка 11- летней [ Арши нова и др ., 1997; Аршинов и др ., 2000]. Подобные результаты получены и в работах [Chandra et al., 1999; Erbortseder et al., 2006].

Поиск возможных причин 11- летней периодич ности изменения концентрации аэрозоля был вы полнен в работе [ Аршинова и др ., 1997]. Рассмотре ны и отвергнуты гипотезы об антропогенной приро де тренда и о его поствулканическом ( Эль - Чичон и Пина - Тубо ) происхождении . Оказалось , что измене ние счетной концентрации лучше всего коррелирует с формами W , Е и С ( западная , восточная и мери диональная формы ) общей циркуляции , введенными

А . Л . Кацем , которые , как известно , определяются солнечной активностью [ Вительс , 1977].

С одной стороны , солнечная активность опреде ляет ход многих процессов живой и неживой приро ды на Земле [ Чижевский , 1973; Владимирский , Те - мурьянц , 2000]. С другой стороны , механизм пере дачи сигнала от Солнца в тропосферу Земли до сих пор не установлен . Более понятен лишь механизм воздействия на стратосферу [ Логинов , 1980, Labitz-ke et al., 2002]. Что касается тропосферы , то в работе подтверждаются корреляционные связи , но меха низм не обсуждается . Это касается , например , дав ления и циркуляции воздуха [ Смирнов , 1998; Вовк и др ., 1999; Coughlin et al., 2004; Егоров , 2005, 2008], а также ряда других параметров и компонентов .

В работе [ Аршинов и др ., 2002] были проанализи рованы возможные механизмы связи изменения кон центрации озона и аэрозоля с солнечной активностью . На основании многолетних экспериментов [Teramura, Sullivan, 1988, 1992, 1994] по воздействию ультра фиолетовой радиации на растительность авторы настоящей работы пришли к выводу , что 11- летняя периодичность обусловлена реакцией на вариации УФ - компонента солнечной радиации . На основании выявленной связи между солнечной активностью и концентрациями озона и аэрозоля была выведена эм пирическая зависимость с помощью кросскорреляци - онного анализа [Gardner, Dorling, 2000]. С использова нием этой зависимости и данных по прогнозу солнеч ной активности , сделанному в работах [ Панкратов и др ., 1998; Schatten e a., 1998], был смоделирован ход озона и аэрозоля в 23 цикле [ Аршинов и др ., 2002].

В данной статье рассматривается изменение кон центрации озона и аэрозоля за прошедший период и оправдываемость многолетнего прогноза . По данным предсказанных изменений солнечной активности дан прогноз на следующий 11- летний цикл .

Изменение концентрации озона и аэрозоля в последнем десятилетии

Напомним , что измерения озона и аэрозоля вы полняются в приземном слое воздуха в районе Том ского академгородка с помощью TOR- станции .

Описание ее имеется в работе [ Аршинов и др ., 1999]. Там же приведены характеристики приборов и временной график измерений .

На рис . 1 показаны среднегодовые значения концентрации приземного озона и счетной концен трации аэрозоля с диаметром частиц более 0.4 мкм . Видно , что с 1983 по 1989 г . счетная концентрация аэрозоля упала с 22 до 4 см ^–3, т . е . более чем в пять раз . В 1995 г . она восстановилась и даже превыси ла исходное значение , равное 24 см ^–3. Затем вновь начался процесс падения . Второй минимум (2 см ^–3) наблюдался в 1999 г . После этого счетная концен трация вновь начала возрастать и в 2004 г . превы сила 23 см ^–3, после чего зафиксирован , скорее все го , вторичный минимум (10 см ^–3). Таким образом , за рассмотренный 20- летний период концентрация частиц трижды возрастала при двух минимумах . В отличие от других малых примесей атмосферы ее изменения составляли даже не десятки процен тов , а кратное количество раз .

Рисунок 1 показывает , что концентрация озона за период измерений дважды достигала в макси мумах величины 40–45 мкг / м ³ и в 1999 г . опускалась до значений порядка 20 мкг / м ³, т . е . уменьшилась более чем в два раза . При этом наступления макси мумов и минимумов у озона и аэрозоля близки по времени . С учетом фотохимической природы образо вания обоих компонентов в атмосфере такой взаим ный ход представляется неслучайным .

Такие вариации среднегодовых значений кон центрации озона и аэрозоля вызывают обычно неко торое сомнение . Для проверки полученных резуль татов нами были обработаны данные мировой озо нометрической сети [WMO WDCGG, 2009], которые представлены на рис . 2. Поскольку концентрация озона существенно различается по регионам , сред негодовые значения были нормированы на мини мальное значение на каждой станции .

Видно , что район Томска по вариациям озона не является исключительным . Имеются станции с б ó льшими вариациями его концентрации . К сожале нию , подобных длинных рядов не удалось обнару жить для аэрозоля . Имеющиеся же данные по аэро зольной оптической толще не затрагивают процес сов в приземном слое . Они лучше отражают вулка ническую деятельность .

Рис . 1 . Многолетний ход концентрации озона и счет ной концентрации аэрозоля в приземном слое воздуха в районе Томска .

Сопоставление измеренных и прогнозируе мых концентраций

В связи с тем , что между экстремумами концен траций озона и аэрозоля имеется определенный сдвиг , проведем сопоставление прогнозируемых и фактических изменений отдельно ( рис . 3).

Видно ( рис . 3, а ), что фактические изменения концентрации озона на большом участке были зна чительно ниже прогнозируемых , а в минимуме ак тивности оказались выше . Для счетной концентра ции аэрозоля прогноз оправдался почти на 100 % ( рис . 3, б ).

Пока трудно комментировать такие совпадения и расхождения . Это был первый опыт анализа . Возможно , сказалось действие конкурирующих процессов . К ним относятся Эль - Ниньо [ Клименко , 1994; Ясаманов , 1993], Северо - Антлантическое [Kurida et al., 2008] и Арктическое [Huth et al., 2007] колебания , поствулканическое действие [ Ло гинов , 1984; Дроздов , 1994; Robock et al., 1992], неоднородность скорости вращения Земли или ор биты [ Завалишин , 2009; Слепцов - Шевлевич , 1998; Charvatova, 1997]. Конечно , эти факторы очень важны и могут воздействовать на глобальные ат мосферные процессы . В той или иной степени они связаны с солнечной активностью , которая являет ся основным источником энергии для атмосферы . Поэтому считается , что конкурирующие процессы будут « замывать » действие солнечной активности при отрицательной обратной связи , но солнечная энергия и ( ее вариации ) будут первичны в меха низме солнечно - земных связей .

Возможно также , что причиной отклонений явля ется необычно затянувшийся минимум солнечной ак тивности [ Фиолетов , 2009; Livingston et al., 2009].

Прогноз изменения среднегодовой концентра ции аэрозоля и озона в 24- м цикле солнечной ак тивности

В отличие от прогноза атмосферных процессов долговременный прогноз солнечной активности бо лее надежен . В работе [Echer et al., 2004; Uwamahoro, 2009] опубликованы два прогностиче ских результата .

Воспользовавшись этими данными и эмпириче ской зависимостью , установленной нами в работе [ Аршинов и др ., 2002], был составлен прогноз изме нения среднегодовых концентраций озона и аэрозо ля в 24- м цикле солнечной активности . Его парамет ры следующие .

Максимум концентрации озона должен наблю даться в 2014 г . со значением 37 мкг / м ³ по двум про гнозам , минимум концентрации – в 2020 г . Значение концентрации в минимуме по одному прогнозу со ставляет 16, по второму – 24 мкг / м ³.

Максимум концентрации аэрозоля должен на блюдаться в 2015 г . со значением 20.5 см ^–3 по двум прогнозам , минимум концентрации – в 2021 г . Зна чение концентрации в минимуме по одному прогно зу составляет 6 см ^–3, по второму – 8 см ^–3.

Поскольку мониторинг аэрозоля и озона про должается в районе Томска , дальнейшие измерения покажут , насколько оправдался данный прогноз .

—Tutuila (Cape Matatula)       Neumayer McMurdo Ushuaia Ushuaia Baring Head Funchal Lisboa / Gago Coutinho Toms

Рис . 2 . Многолетнее изменение концентрации озона по мировой сети озонометрических станций , нормированное на минимальное значение .

Рис . 3 . Сопоставление предсказанных и фактических многолетних изменений озона ( а ) и аэрозоля ( б ).

Работа выполнена при поддержке программ Пре зидиума РАН № 4, Отделения наук о Земле РАН № 5, междисциплинарных интеграционных проектов СО

РАН № 35, 70 и 131, грантов РФФИ № 11-05-00470, 11-05-00516, 11-05-93116 и 11-05-93118, госконтрактов Минобрнауки № 02.740.11.0674, 14.740.11.0204 и 11.519.11.5009.