Понеділок, 04 січня 2021 р., День Тита і Леони

  • Останні статті
  • Громадські науки
  • Наука про життя
  • Нежива наука
  • Астрономія
  • Конкуренція

Приховані зв'язки зі зміною клімату

Ультрафіолетове випромінювання та озоновий шар

У навчальних фільмах, лекціях та дискусіях у багатьох випадках виникає запитання, чи зміни вмісту озону та УФ-випромінювання спричинені зміною клімату чи можуть бути пов’язані з цим. Без детального пояснення як ствердна, так і негативна відповідь вводять в оману тих, хто не займається темою щодня. Автор нашої статті - співробітник відділу дистанційного зондування Головної обсерваторії Дьєрджа Марцелла Національної метеорологічної служби, який представляє останні вітчизняні та міжнародні вимірювання, аналіз даних та результати розрахунків моделей, чому немає простої відповіді на це питання .

Як і Земля, зв’язаний, обертається газовий оболонка навколо планет із твердою корою - тобто атмосферою - ускладнює інакше «мирну» та просту променисту енергію навколо планети. Планетарні атмосфери є надзвичайно складними фізичними системами, тому їх енергія також досить складна. У Сонячній системі, крім атмосфери нашої Землі, три небесні тіла мають таку ж стабільну, постійну і відносно щільну атмосферу: Венера, Марс і найбільший Місяць Сатурна, Титан. Завдяки своїй близькості і завдяки цьому вони досить добре вивчили атмосфери Венери та Марса особливо відомі, хоча сюрпризи все ще можуть привернути увагу експертів. Ці дві атмосфери можна дуже добре використовувати як лабораторію, щоб краще зрозуміти роботу планетарних атмосфер, оскільки вони представляють дві крайності порівняно з нашою Землею: атмосфера Венери набагато щільніша, а Марса набагато рідше.

Короткохвильове електромагнітне випромінювання від центральної зірки є джерелом енергії для планети. Якщо на планеті немає атмосфери, енергія дуже проста: надходить випромінювання нагріває поверхню, утворюється стабільна температура поверхні, і вона випромінює в дальньому інфрачервоному діапазоні відповідно до цієї температури (тобто у відповідному розподілі довжин хвиль). У тому випадку, коли на планеті є атмосфера, ситуація ускладнюється настільки, що залежить від щільності та хімічного складу атмосфери.

наука

Хоча озон міститься в атмосфері від земної поверхні до найвищих шарів, завдяки механізму його утворення існує висотний діапазон, де є особливо високий рівень озону, це зазвичай називають озоновим шаром. Ультрафіолетове випромінювання, яке ініціює озоноутворюючі реакції, потрапляє під озоновий шар лише незначно, УФ-В вже можна виміряти в невеликих (але дуже важливих) кількостях на земній поверхні, і більшість УФ-А проходить через атмосферу.

Гази, що складають атмосферу, поглинають частину випромінювання, що потрапляє в неї. Радіація також розсіюється (тобто відхиляється від початкового напрямку руху), з одного боку, молекулами газу, а з іншого - хмарами та аерозолями, які також є абсорбентами.

Як результат, кількість випромінювання, яке з часом потрапляє на поверхню, дуже ускладнене. Поверхня випромінює довгохвильове (інфрачервоне) випромінювання, відповідне утвореній температурі, але частина його поглинається газами атмосфери в інфрачервоному діапазоні, і атмосфера випромінює його вгору і назад на поверхню. В результаті цього досить складного механізму надлишок тепла затримується всередині системи порівняно з атмосферним станом. Таким чином, вимірювана зовні "відчутна" температура на планеті буде вищою, ніж вона була б без присутності атмосфери - це називається парниковим ефектом. Для Землі ця різниця становить близько 30 градусів Цельсія. Через надзвичайно щільну атмосферу на Венері це значення становить близько 500 градусів Цельсія, тоді як на рідкісній атмосфері Марса воно становить лише 6-7 градусів Цельсія.

Мінімум енергії

Кожна фізична система у Всесвіті повинна відповідати принципу прагнення до мінімуму енергії. Для атмосфери планет з твердою поверхнею найпростішою формою вивільнення енергії є охолодження до «порожнього, холодного» простору, тобто випромінювання в космос найбільшого довгохвильового випромінювання. Це випромінювання довгохвильового випромінювання складається з двох компонентів: випромінювання, що випромінюється атмосферою, і випромінювання, що випромінюється земною поверхнею. Атмосферу, мабуть, найкраще оптимізувати, регулюючи вміст водяної пари. Водяна пара є найбільш значущим поглинаючим випромінювання газом в інфрачервоному діапазоні, у великій кількості в атмосфері, і може бути “добре мобілізованою” в процесах. Таким чином, атмосфера «працює» для встановлення якнайнижчого вмісту водяної пари, в результаті чого якомога більше довгохвильового випромінювання, що випромінюється земною поверхнею, проходить через атмосферу в космос. Кожен процес складної системи механізмів атмосфери служить цій меті. Процеси та явища, які ми переживаємо тут на землі як «погода» (вітер, утворення хмар, циклони, опади, грози тощо), прояви роботи атмосфери на цьому.

Спрощене схематичне зображення передачі випромінювання атмосфери.

F0 - короткохвильове випромінювання, що надходить у систему ззовні, частина якого відбивається від атмосфери, а F - кількість випромінювання, поглиненого хмарами та атмосферними забруднювачами та аерозолями в атмосфері. Таким чином, різниця між F0 і F виходить на поверхню. Поверхня планети випромінює довгохвильове випромінювання розміром SG, з якого гази в атмосфері поглинають (поглинають) кількість AA, а кількість ST проходить через атмосферу. Сама атмосфера випромінює, збільшуючи кількість ЄС і зменшуючи кількість ЕД. Таким чином, загальне довгохвильове випромінювання, яке випромінює планета, буде сумою ST і EU (це називається “OLR” в англійському терміні Outgoing Longwave Radiation:? Outgoing Longwave Radiation).

Але існує також можливість управління на короткохвильовій стороні. І тут водяна пара, мабуть, є основним інструментом. Якщо вихідне довгохвильове випромінювання починає зменшуватися, ви можете збалансувати його, оскільки дохід на короткохвильовій стороні збільшується. Це можна зробити, наприклад, збільшивши кількість аерозолів, що поглинаються короткохвильовою хвилею, коли змінюються умови, щоб відновити рівність.

Стабільний клімат

Енергетично температура поверхні планет визначається трьома важливими факторами: енергією, поглиненою випромінюванням центральної зірки (Сонця на нашій Землі), геотермальної енергії, що генерується всередині планети і досягає її поверхні, а також складом атмосфера. У випадку із Землею все свідчить про те, що геотермальна енергія не порівнянна з енергією, що надходить від Сонця, тому вона незначна.

Умовою існування стабільного клімату є те, що сума енергії, що утримується атмосферою (поглинається, залишається в атмосфері) і поверхневої геотермальної енергії повинна дорівнювати енергії, що залишається в космосі, тобто випромінюваному довгохвильовому випромінюванню . Це на перший погляд простий, але насправді неймовірно складний процес. У довгостроковій перспективі надходить короткохвильове випромінювання залежить від еволюційного процесу центральної зірки та зміни небесно-механічних параметрів, що описують циркуляцію та осьове обертання планети, а також зміни властивостей короткохвильового відбиття атмосфери планети. Геотермальна енергія визначається зміною процесів виробництва енергії всередині планети з часом, вихідна енергія визначається властивостями інфрачервоного випромінювання та властивостями інфрачервоного поглинання поверхні планети (тобто зміною концентрації парникових газів).

Вони повинні в довгостроковій перспективі регулюватися системою, і, крім того, внутрішні обставини змінюються. Наприклад, зміна сусіднього рослинного покриву на більшій площі (скажімо, посадка досі не оброблюваної площі) змінює альбедо (здатність відображати короткохвильове випромінювання) цієї області, тобто відбите випромінювання (короткохвильове випромінювання, що залишається в атмосфері). Отже, система повинна регулювати себе, і в результаті цих «тонких налаштувань» окремі фізичні параметри змінюються повільно, фізичні властивості всієї системи дещо змінюються. Ми сприймаємо цей процес як зміну клімату. Водночас перше означає, що зміна клімату є необхідним процесом у всіх планетарних атмосферах.

Поза фіалкою

Озон відіграє вирішальну роль у формуванні земного життя, оскільки життя змогло втекти на сушу до того часу, коли озоновий щит сформувався навколо Землі і захищав живі організми від УФ-випромінювання, яке їх руйнувало.

Зміни середньорічних показників загального вмісту озону над Будапештом у період між 1969 і 2016 роками на основі обробки набору даних вимірювань сонячного спектрофотометричного озону Національної метеорологічної служби

Набір даних високоточної сонячної спектрофотометричної вимірювання озону Національної метеорологічної служби, який показує зміну середньорічних середніх показників вмісту озону, свідчить про те, що виснаження озону припинилося в середині 1990-х років і почалося невелике збільшення. З цього логічно випливає, що УФ-випромінювання зменшується. У лабораторії це все одно сталося б.

Однак у природній земній атмосфері, незважаючи на збільшення озону, ми спостерігаємо незначне збільшення ультрафіолетового випромінювання. В атмосфері, хоча, звичайно, в ній панують однакові фізичні закони, механізм дії не такий простий, оскільки це дуже складна фізична система, тому будь-яка довільна фізична величина визначається багатьма факторами. На кількість випромінювання, що досягає земної поверхні, впливає здатність атмосфери пропускати випромінювання, що залежить головним чином від кількості забруднювачів атмосфери, кількості та типу хмари та кількості газів, що складають атмосферу. Оскільки остання є постійною, а хмара є дуже мінливою в короткостроковій перспективі, в довгостроковій перспективі немає тенденції, тому перша є визначальним фактором. Оскільки модернізація промисловості та впровадження природоохоронних технологій зменшують кількість забруднювачів атмосфери, здатність атмосфери пропускати випромінювання зростає. На основі обробки наборів даних вимірювань можна сказати, що УФ-ефект ефекту пропускання випромінювання атмосфери надмірно компенсує УФ-зменшувальний ефект збільшення вмісту озону, тому ми спостерігаємо незначне збільшення УФ-випромінювання, незважаючи на збільшення озону.

Опалення та охолодження

Озон є значним абсорбентом не тільки в ультрафіолетовому діапазоні, але і в інфрачервоному діапазоні, тому він є важливою частиною передачі випромінювання двома шляхами, що є рушійною силою енергії атмосфери. Як вже згадувалося, озон створюється з кисню в результаті фотохімічної реакції, яка вимагає енергії найкоротшого діапазону УФ-випромінювання, УФ-С випромінювання (випромінювання з меншою енергією, тобто УФ-В, УФ-А, видиме світло тощо). не може ініціювати цю реакцію).

По мірі того, як сонячні фотони УФ-С рухаються по атмосфері, вони виснажуються, оскільки їх поступово «використовують» для утворення озону та ініціювання різних процесів фотоіонізації, тоді як все більше і більше молекул кисню доступно. У межах певного діапазону висот, незважаючи на те, що вже існує багато молекул кисню, кількість фотонів UV-C вже дуже мало. Отже, в атмосфері є шар, де умови є оптимальними для процесу: достатня кількість фотонів УФ-С все ще є, а молекул кисню вже достатньо. Це діапазон висот приблизно від 15 до 25 кілометрів, де утворення озону є найбільш ефективним, і тому тут знаходиться значна частка вмісту озону в певній повітряній колоні. Оскільки озон є значним поглиначем радіації, він нагріває атмосферу в цьому діапазоні висот. Ось чому зниження температури від поверхні над землею в стратосфері зростає, і стратосфера перебуває при більш високій температурі, ніж це було б за відсутності озону. Таким чином, озон пов’язаний із зміною клімату двояко.

Щорічні обсяги ультрафіолетового випромінювання, виміряні на п'яти вітчизняних вимірювальних станціях OMSZ у період з 1995 по 2016 рік

З одного боку, якщо кількість значно зменшується протягом більш тривалого (кліматичного) часового масштабу, розподіл температури стратосфери за висотою змінюється. Це також модифікує велику наземну циркуляцію, тобто впливає на значну технологічну систему в атмосфері в довгостроковій перспективі, саме тому система повинна вносити невеликі модифікації, і ми сприймемо це як зміну клімату. Ми не знаємо точно, скільки спричинило руйнування озону, яке тривало близько 3,5 десятиліть, оскільки величина ефекту, а також його залежність від можливих інших наслідків із подібними наслідками, може бути оцінена лише з великою енергетичною невизначеністю.

Також не можна точно сказати, чи достатньо цього періоду для кліматично стабільних змін температурного профілю. Крім того, важливо згадати, що руйнування озонового шару припинилось і навіть розпочалась регенерація озонового щита, але значення до збурення може бути досягнуто десь у другій половині нашого століття, згідно з модельними розрахунками. Отже, кількість озону, яка раніше була стабільною у довгостроковій перспективі, все ще відсутня в атмосфері, тобто виснаження озону існує вже більше п’яти десятиліть, хоча за останні два десятиліття воно набагато м’якше. Знову ж таки, його охолоджуючий ефект не може бути точно оцінений навіть за допомогою найточніших обчислювальних моделей, які можуть обробляти якомога більше фізичних величин та процесів впливу. Однак в останні десятиліття в стратосфері спостерігається невелике похолодання, що може бути завдяки цьому, або, принаймні, цей процес може зробити значний внесок.

Зворотні ефекти

Повністю ускладнює картину той факт, що цей окреслений ефект спрацьовує навпаки. Оскільки нижчі температури сприяють розвитку умов, які, швидше за все, спричинять реакції, що руйнують озоновий шар, стратосферне охолодження збільшує шанси розвитку низького рівня озону. Як результат, концентрації озону, нижчі за норму, будуть частіше відбуватися у певному місці, і, отже, кількість озону буде мати тенденцію до зниження в кліматичному масштабі.

Озон також відіграє роль на стороні довгохвильового випромінювання, оскільки він є інфрачервоним абсорбентом, тобто парниковим газом. Його кількість впливає на пропускання довгохвильового випромінювання, яке, як уже зазначалося раніше, має вирішальне значення в процесі розсіювання енергії в атмосфері, при формуванні вихідного довгохвильового випромінювання. Таким чином, не можна нехтувати його роллю у можливих змінах клімату.

Іншим важливим питанням є те, чи можуть довгострокові зміни стану атмосфери вплинути на кількість озону? Звичайно, так, оскільки, наприклад, кількість молекул каталізатора, що беруть участь в озоноутворюючій реакції, може змінюватися настільки, що це вже впливає на ефективність реакції і, отже, на кількість утвореного озону. Але таким же чином кількість речовин, що беруть участь у реакції руйнування озонового шару або навіть динамічні процеси стратосфери, може дещо змінитися, що також впливає на концентрацію озону.

Різні сонячні лічильники на випробувальній платформі Всесвітнього центру сонячного випромінювання

Раніше для визначення того, чи можна повністю пояснити виснаження озону ефектами озоноруйнівних речовин, використовували складні хіміко-динамічні моделі. Ну, результати показали, що всі можливі ефекти, вважаючи ефективність кожної реакції максимальною, в кращому випадку цим можна пояснити лише 60-70 відсотків. Тобто, якщо розрахунки правильні, то природні зміни без зовнішніх впливів, які ми називаємо внутрішньою автономією кліматичної системи, відіграють дуже значну роль і насправді є не що інше, як ефект необхідних кліматичних змін.

Прецизійні спектрофотометри, що вимірюють сонячне випромінювання з високою роздільною здатністю хвилі на вимірювальній вежі сонячного випромінювання Головної обсерваторії Дьєрджа Марчелла ОМСЗ

На зміну клімату також може вплинути дуже дивовижне і важко пояснимо безперервне літнє руйнування озонового шару, яке ми спостерігаємо над Будапештом з початку регенерації озону. Дані показують, що середнє відхилення озону було позитивним лише за 9 місяців із 80 досліджуваних місяців, і за винятком 2 місяців, позитивне відхилення було незначним. А середні показники за весь літній період свідчать про виснаження озону в кожному році. Причиною цього може бути те, що в останні роки приплив середземноморських повітряних мас над Угорщиною почастішав у літній період, що, в основному, може бути пов'язано зі зміною клімату. Середній широтний розподіл озону в результаті озоноутворювальних та озоноруйнівних реакцій та системи стратосферних потоків показує картину того, що середній вміст озону збільшується від Екватора до полюсів. Це означає, що середземноморські повітряні маси мають менший вміст озону, ніж зазвичай, тому їх частіший приплив зменшує вміст озону в атмосфері над нами.

Дуже важко сказати, наскільки ефекти цих явищ відчуваються в кількості УФ-випромінювання, виміряного на земній поверхні, оскільки його слід відокремлювати від ефектів (таких, як кількість аерозолів, що впливають на передачу випромінювання), які знову не є незалежно від уже описаних процесів.