Исследования атмосферного озона, окиси азота и интенсивности солнечной радиации у земной поверхности

Исследования состояния озоносферы и уровней приземного УФ-излучения в Антарктическом регионе представляют большой интерес, в связи как с известным феноменом Антарктической озоновой аномалии, так и с тем обстоятельством, что Антарктида в сочетании с окружающим ее водным пространством является своеобразной «климатической кухней», определяющей погоду в Южном, а также частично в Северном полушарии.

Раздел исследований атмосферы и земной поверхности Государственной программы изучения Антарктики своей долгосрочной целью ставит организацию комплексных спектрометрических измерений параметров атмосферы и подстилающей поверхности в прибрежной зоне Восточной Антарктики.

Мониторинг ОСО в периоды сезонных БАЭ проводился в местах их дислокаций приборами, описанными в разделе 2.1. Важной особенностью было то, что измерения проводились одновременно различными оптическими методами, что обеспечивало их взаимную проверку и позволило совершенствовать методику измерений.

На рис. 2.10 представлены основные результаты мониторинга ОСО, проведенного за время сезонных

2.2. Studies of the atmosphere ozone, nitrogen oxide, and solar radiation intensity at the ground surface

Studying the ozone layer state and the levels of surface UV radiation in the Antarctic region is of great interest as reflecting the well-known phenomenon of the Antarctic ozone anomalies as well as considering the fact that Antarctica along with the adjacent water area is a kind of «climate backroom» determining the weather in the southern and, partly, in the northern hemispheres.

A section of Optical Research of the Atmosphere and Earth's Surface of the Government Program of Antarctic studies aims at organizing complex spectro-metric observations of the atmosphere and the underlying surface in the Eastern Antarctic coastal zone.

TO monitoring was conducted during seasonal BAE in the points of their location with the instruments described in section 2.1. An important feature was that the measurements were performed simultaneously using different optical methods thus ensuring their mutual check and improving the measurement procedure.

Figure 2.10 shows the main TO monitoring results obtained during seasonal expeditions of 2006-2009

Рис. 2.10. Среднедневные значения ОСО, полученные наземным (М124-М - черные квадраты) и орбитальным (ОМІ - белые кружки) методами для антарктических станций «Молодежная» и «Гора Вечерняя

Fig. 2.10. Average daily ТО values obtained with the ground (M124-M - black squares) and orbital (OMI - white circles) methods for the Antarctic Stations «Molodezhnaya» and «Vechernyaya Hill»)

экспедиций 2006-2009 гг. с помощью озонометра М124-М. Измерения проведены методами «по прямому солнцу» и «из зенита атмосферы». Полученные результаты сопоставлены с данными орбитальных измерений (ОМІ).

Как видно из рис. 2.10, результаты наземных и орбитальных измерений за небольшим исключением достаточно хорошо согласуются между собой.

Необходимо отметить, что более 80% измерений были проведены при SZA >60°, а общее количество безоблачных дней не превышало 20%. Несмотря на это среднее отклонение результатов единичных измерений ОСО (М124-М) от соответствующих среднедневных значений для всех полученных рядов измерений не превысило 6%.

Это свидетельствует о воспроизводимости применяемых методик и их устойчивости к влиянию внешних условий.

В то же время применение озонометра М124, требующее постоянного присутствия оператора, в экстремальных условиях полярных экспедиций не всегда приемлемо. Гораздо более эффективными представляются полностью автономные, автоматизированные системы с минимальным количеством подвижных и настраиваемых деталей.

В качестве вариантов подобных автоматических систем мониторинга было предложено использовать спектрорадиометр «ПИОН-УФ-ІІ» и фильтровый радиометр «ПИОН-ФН». С этой целью в ННИЦ МО БГУ для них были разработаны специальные методики и программное обеспечение для определения ОСО. В качестве основы был использован метод измере-with the ozonometer М124-М. The measurements are realized employing «direct sun» and «solar zenith angle» techniques. The results are compared with the data of orbital measurements (OMI).

As can be seen from the Fig. 2.10, the results of ground-based and orbital measurements with a few exceptions are in a good agreement with each other.

Furthermore, one should mark that more than 80% of the measurements were accomplished at SZA >60°, and the total number of cloudless days did not go over 20%. Despite this, the mean deviation of the results of TO single measurements (M124-M) from the corresponding daily average values for all measurement series did not exceed 6%.

This demonstrates the reproducibility of the techniques employed and their resistance to the influence of external conditions.

At the same time, applying ozonometer M124, which requires constant operator presence, in the extreme conditions of polar expeditions is not always acceptable. Here fully independent automated systems with a minimum of moving units are believed as much more effective.

As a variant of those, one proposed to use the spectroradiometer «PION UV-lI» and the filter radiometer «PION-FN».To derive TO, special techniques and software were elaborated by the NOMREC specialists. As a basis for TO retrieval, the method, employing irradiance spectra and initially proposed by K. Stamnes [18], was used. Advancing the technique allowed to

GMT

DU

&эо

• 500
• 400
• 3oo
• 2Й0

WO

• 0
• 20.01.2012
• ?» daily mean
• • Ozone coumn

2M 5:00 8:00 11:00 14:00

Рис. 2.11. Результаты дневных измерений ОСО на станции «Молодежная»

Fig. 2.11. Results of ТО daily measurements at the «Molodezhnaya» station

Рис. 2.12. Экспериментальные среднедневные значения ОСО, на станции «Молодежная», 4-я БАЭ (2011-2012 г.) Fig. 2.12. Experimental ТО daily average values at the «Molodezhnaya» station, the 4^,h BAE (2011-2012)

ния ОСО по спектрам освещенности, предложенный К. Стамнесом [18]. Развитие методики позволило существенно расширить ее возможности и повысить точность за счет оперативного использования данных других видов мониторинга, в частности, характеристик облачности и аэрозолей, спектра альбедо подстилающей поверхности и т. п.

Результаты измерений ОСО, проведенных на антарктических станциях «Молодежная» и «Прогресс» спектрорадиометром «ПИОН-УФ-ІІ» с использованием модифицированного метода Стамнеса, представлены на рис. 2.11,2.12. Для сравнения на рисунках также приведены данные орбитальной системы ОМІ.

Анализ результатов, полученных в Антарктиде в период 2011-2015 гг., показал устойчивую работу методики в условиях больших зенитных углов солнца и высоких значений альбедо подстилающей поверхности.

significantly expand its capabilities and increase accuracy by operational use of data from other types of monitoring, in particular, the characteristics of clouds and aerosols, the spectrum of the underlying surface albedo, etc.

TO measurement results derived at the Antarctic Stations «Molodezhnaya» and «Progress» by the «PION UV-II» spectroradiometer with the modified Stamnes technique are shown in Figs. 2.11 and 2.12. For comparison, orbital data (OMI) are also given in the figures.

While analyzing the results obtained in Antarctica during the period of 2011 -2015, one may verify stable operation of the technique at large solar zenith angle and high values of the underlying surface albedo.

Рис. 2.13. Вариация УФ-индекса в период 5-й БАЭ (декабрь 2012г,- март 2013 г.), антарктическая станция «Молодежная»

Fig. 2.13 Variation ofUV index during 5'^h BAE (December 2012 - March 2013), the Antarctic Station «Molodezhnaya»

Рис. 2.14. Вариация УФ-индекса в период 6-й БАЭ-6 (декабрь 2013г,- март 2014 г.), антарктическая станция «Прогресс»

Fig. 2.14 Variation ofUV index during &^b BAE (December 2013 -March 2014), Antarctic Station «Progress»

Необходимо также отметить, что разработанная в ННИЦ МО БГУ методика определения ОСО по данным измерения спектров освещенности (СПЭО) прошла также длительный период испытаний в условиях Республики Беларусь - с 2002 г. она является базовой методикой измерения ОСО на Минской озонометрической станции и станциях мониторинга на оз. Нарочь и в Гомельском университете.

Мониторинг УФ-излучения. В период сезонных БАЭ мониторинг уровней и доз приземного УФ-из-лучения проводился, в основном, с использованием спектрорадиометра «ПИОН-УФ-ІІ». В экспедиции

2015-2016 гг. его функции выполняла автономная автоматизированная система на базе фильтрового фотометра «ПИОН-ФН».

На рис. 2.13 и 2.14 показаны сезонные изменения значений УФ-индекса, зарегистрированные в течение двух последовательных экспедиций 2012-2014 гг. -

5- й и 6-й БАЭ. Полученные зависимости типичны для всех БАЭ, проведенных в период с 2007 по 2015 гг.

Как видно из сопоставления рис. 2.13 и 2.14, значения УФ-индекса, зарегистрированные в период

6- й БАЭ (2013-2014 гг.) несколько ниже соответствующих значений, полученных в 2012-2013 гг. во время 5-й БАЭ, базировавшейся в районе станций «Молодежная» и «Гора Вечерняя». Тем не менее общая тенденция сезонной вариации значений УФ-индекса сохраняется, отражая закономерное изменение максимального зенитного угла Солнца, характерное для данного региона.

It should also be noted that the originated by NOMREC BSU procedure of determining the TO on irradiance spectra has undergone a long period of testing in the Republic of Belarus. Since 2002 it is used as the basic method for TO measurements at the Minsk Ozone Station as well as at the monitoring stations near Naroch lake and in Gomel University.

Monitoring of UV radiation. During the seasonal BAE, monitoring of dose and levels of surface UV radiation was conducted mainly using the «PION-UV» spectroradiometer. In the expedition of 2015-2016 this was assigned to an independent automated system on the basis of the filter photometer «PION-FN».

Figures 2.13 and 2.14 show the seasonal variations of UV index values revealed in two consecutive expeditions 5th BAE and 6th BAE of 2012-2014.The resulting dependencies are typical for all the BAEs covering the period from 2007 to 2015.

As can be seen from a comparison of Figs. 2.13 and 2.14, the values ofUV index registered during the 6th BAE (2013-2014) are slightly lower than those obtained in 2012-2013 during the seasonal expedition 5th BAE located in the area of the «Molodezhnaya» and «Vechernyaya Hill» Stations. Nevertheless, the general trend of seasonal variations of the UVI values remains indicating the regular change of the maximum solar zenith angle typical of the region.

Несмотря на сравнительно кратковременные периоды экспериментального мониторинга, ограниченные временем сезонных БАЭ, исследование уровней интенсивности и спектров приземного солнечного УФ-излучения в Антарктическом регионе представляет интерес в трех основных аспектах:

• 1. Измерение доз биологически активного УФ-облучения в районе БАЭ для оценки УФ-климата и обеспечения мер безопасности личного состава БАЭ;
• 2. Использование уникальных геофизических

и атмосферных условий полярного антарктического региона (высокие уровни и однородность спектра альбедо подстилающей поверхности в УФ-области, отсутствие влажности, отсутствие заметных приземных концентраций NO_? и т. д.) для верификации и корректировки моделей переноса излучения, используемых при разработке алгоритмов расчета параметров атмосферы по данным наземных и орбитальных наблюдений.

3. Разработка параметризации переноса коротковолнового излучения для мезомасштабных и климатических моделей атмосферных процессов.

С использованием результатов экспериментального наземного мониторинга в сочетании с данными орбитальных наблюдений специалистами ННИЦ МО БГУ проведен анализ сравнительной эффективности воздействия различных атмосферных и геофизических факторов на режим приземного ультрафиолетового солнечного излучения в прибрежной зоне Антарктиды. При этом особое внимание уделялось району базирования 6-й БАЭ, проходившей на Российской станции «Прогресс» в период с 23 декабря 2013 г. по 18 марта 2014 г.

Анализ проводился методом численного моделирования спектрального распределения плотности освещенности (СПЭО) земной поверхности «прямым» и «диффузно рассеянным атмосферой» излучением Солнца в диапазоне длин волн X = 290 ч- 450 нм. Модельные расчеты проводились с помощью программных модулей, разработанных на базе библиотеки libRadtran 2.0 [19].

Важно отметить, что при анализе комплексно использовались все имеющиеся в наличии данные экспериментального мониторинга, а также результаты численного моделирования мезомасштабных погодных процессов в системе WRF [20].

Методом численного моделирования исследовалось влияние основных геофизических и атмосферных факторов на спектры СПЭО в диапазоне длин волн X = 280 -г 450 нм, представляющие собой сумму спектров освещенности прямым и диффузно рассеянным вниз атмосферой излучением (direct + diffuse_ down), а также на его отдельные составляющие. Дополнительно исследовались спектры излучения диффузно рассеянного вверх (diffuse up) атмосферой

Despite the relatively short duration of the pilot monitoring as being limited by the time of the seasonal BAEs, examining intensity levels and spectra of surface solar UV radiation in the Antarctic region poses interest in three main aspects:

• 1. Measuring doses of biologically active UV radiation in the area ofthe BAE to assess UV climate and ensure security measures of the BAE personnel.
• 2. Using the unique geophysical and atmospheric conditions ofthe polar Antarctic region (high levels and uniformity of the spectrum of the underlying surface albedo in the UV region, lack of humidity, lack of significant NO₂ surface concentrations, etc.) to verify and adjust the radiative transfer models while elaborating computation algorithms ofthe atmosphere parameters based on ground and orbital observations.
• 3. Developing parametrizations ofthe short-wave radiation transfer for mesoscale and climatic models of atmospheric processes.

Using the results of experimental ground monitoring in combination with the data of orbital observations, the NOMREC experts have analyzed the comparative efficiency ofthe impact of different atmospheric and geophysical factors on the regime ofthe surface ultraviolet solar radiation in the coastal area of Antarctica. Particular attention has been given to the area of location ofthe 6th BAE at the Russian Station «Progress» in the period from December 23,2013 to March 18, 2014.

The analysis has been performed by the method of numerical simulation ofthe spectral irradiance in the wavelength range of X = 290-450 nm. Model calculations have been realized employing the software modules elaborated on the basis of libRadtran Library 2.0 [19].

It is important to note that while analyzing both all available data of experimental monitoring and results of numerical modeling of mesoscale weather processes in the WRF system have been used [20].

By the numerical simulation, one has investigated the influence of basic geophysical and atmospheric factors on the irradiance spectra in a wavelength range of X = 280-450 nm as the sum of irradiance spectra of direct and diffusely scattered down radiation by the atmosphere (direct + diffuse down). In addition, spectra ofthe radiation diffusely scattered up (diffuse up) by the atmosphere and the underlying surface have been studied. The latters are

• 11(000 •
• 10(000 J
• 9(000 -j 3(000 4
• 7(000 4 «ooo 4
• 5(000-
• 4(000 1
• 3(000 4
• 2(000 : ново 4

Ou-

43

SZA, і рад

Рис. 2.15. Зависимость интегралов спектров компонент СПЭО в диапазоне длин волн Л = 290 + 450 нм от зенитного угла Солнца (SZA) при условиях «чистой» атмосферы

Fig. 2.15. Dependence of the integrals of the components of the irradiance spectra in a wavelength range of A = 290-450 nm on the solar zenith angle (SZA) under conditions of the «clean» atmosphere

и подстилающей поверхностью. Последние спектры представляют интерес для спутниковых наблюдений методом «в надир».

Исследовались зависимости спектров СПЭО от солнечного зенитного угла, SZA; альбедо подстилающей поверхности; общего содержания озона в вертикальном столбе атмосферы, ОСО; общего содержания NO₂ в столбе атмосферы, ОСДОА; параметров атмосферных аэрозолей; параметров облачности. Для исследований были приняты условия максимально приближенные к атмосферным и геофизическим условиям района и времени проведения 6-й БАЭ.

На рис. 2.15 в качестве примера представлены результаты численного моделирования зависимости освещенности земной поверхности от зенитного угла Солнца (SZA) в условиях ясной погоды при отсутствии облачности и аэрозолей. Значения ОСО и альбедо поверхности соответствуют значениям, стандартным для исследуемого региона.

Важно отметить, что при высоких значениях альбедо уже при SZA -60° начинается превышение интенсивности диффузно рассеянной (вниз) компоненты над интенсивностью прямого излучения. Это достаточно хорошо видно из рис. 2.15, на котором представлены зависимости от SZA площадей под спектрами СПЭО различных компонент приземного солнечного излучения. Спектры проинтегрированы в диапазоне длин волн X = 290 ч- 450 нм. Все расчеты проведены с учетом поправок на «сферическую геометрию».

of interest to satellite observations by the «nadir» technique.

One has also treated dependencies of the irradiance spectra on the following parameters: solar zenith angle, SZA; albedo of the underlying surface; total ozone in a vertical column of the atmosphere, TO; NO₂ total amount in the atmospheric column, NO₂TA; parameters of atmospheric aerosols; cloud parameters. In the analysis, one has assumed the conditions being as close as possible to those of the 6^th BAE in terms of atmosphere and geophysical factors.

In Fig. 2.15, as an example, results of numerical modeling of the Earth's surface irradiance depending on the solar zenith angle (SZA) is presented for clear weather conditions in the absence of clouds and aerosols. The values of the TO and the underlying surface albedo correspond to the standard ones of the region.

One should mark that with the high albedo intensity of the diffusely scattered (down) component starts exceeding intensity of the direct radiation even at the SZA -60°. This is quite distinctively seen from Fig. 2.15 which shows the dependence of the irradiance spectra of various components of the surface solar radiation on SZA. Spectra are integrated over a wavelength range of X = 290-450 nm. All calculations have been performed assuming the corrections on the «spherical geometry».

После углов >70° начинается резкий рост отношений интегралов диффузных компонент к соответствующему интегралу прямого излучения, связанный с более резким падением сигнала прямого излучения.

Необходимо отметить, что в присутствии облачности и атмосферных аэрозолей ситуация «усугубляется» и доминирование рассеянных компонент становится еще более значительным.

Полученный результат однозначно свидетельствуете том, что при значительных SZA >60° и высоких альбедо подстилающей поверхности методы определения параметров атмосферы (например, ОСО), основанные на анализе спектров рассеянного солнечного излучения (Z, СПЭО) имеют значительные преимущества по сравнению с методами, ориентированными на исследование спектров прямого излучения (DS).

Мониторинг приземных концентраций озона. В соответствии с проведенным в последнее время анализом уровень тропосферного озона как минимум удвоился по сравнению с «доиндустриальной» эпохой. При этом, однако, следует признать, что в отличие от СО₂ и метана рост его гораздо труднее поддается количественной оценке. Это связано с тем, что, во-первых, поскольку озон - химически активный газ, он не сохраняется в кернах льда, и, следовательно, нет данных, доступных для анализа для периода, предшествующего началу его непосредственного экспериментального измерения. Во-вторых, озон подвергается сложным атмосферным реакциям образования и разрушения, в результате чего концентрация тропосферного озона может варьироваться в широком пределе в зависимости от места и времени наблюдения.

По оценкам некоторых исследователей (Janach, 1989; Staehelin, 1994; Marenco, 1994), уровень приземного озона до начала периода антропогенного воздействия находился в пределах 10-15 ppb. В настоящее время многие станции фонового наблюдения сообщают, что средний уровень приземного озона находится в диапазоне 30-40 ppb. Предполагается, что рост концентрации приземного озона может быть связан с увеличением выбросов в течение прошлого столетия его фотохимических прекурсоров.

Отсутствие полной ясности в определении механизмов образования локальных концентраций приземного озона, а также в оценке роли в их формировании динамических атмосферных процессов, резко повышают ценность экспериментального мониторинга этих концентраций. Особый интерес представляют регионы с ожидаемо низкой антропогенной нагрузкой, которые позволяют изучать образование фоновых концентраций приземного озона и их связь с естественными природными процессами.

After the angles >70°, one has revealed a sharp rise in ratio of the integrals of the diffuse components to the corresponding integral of the direct radiation associated with a more distinctive drop in a direct radiation signal.

It has to be noted that, in the presence of atmospheric clouds and aerosols, situation «aggravates» with domination of the scattered components becoming even more significant.

This result unambiguously indicates that at the significant SZA >60° and the high albedo of the underlying surface, the methods based on the analysis of the scattered solar radiation spectra (Z, irradiance) for determining the atmosphere parameters (e. g.TO) have significant advantages if compared to the techniques employing direct radiation spectra (DS).

Monitoring of the surface ozone concentrations reactions. The recently conducted analysis shows that the level of the tropospheric ozone has at least doubled the one of the «рге-industrial» era. At the same time, however, one has to recognize that, in contrast to CO₂ and methane, it appears to be much more difficult to evaluate the growth of the tropospheric ozone. This is due to the fact that, first, since the ozone is the reactive gas, it is not accumulated in the ice cores, and, consequently, no data are available for analysis of the period preceding the start of the ozone direct experimental measurement. Second, the ozone is affected by the complex atmospheric reactions of formation and destruction resulting in the high variation of the tropospheric ozone concentration depending on location and time of observation.

According to some researchers (Janach, 1989; Staehelin, 1994; Marenco, 1994), the level of the surface ozone preceding the period of human impact was within 10-15 ppb. Currently, many of the background monitoring stations report an average level of the surface ozone as that of 30-40 ppb. It is assumed that the growth of the surface ozone concentration may be referred to the increase in emissions of its photochemical precursors over the last century.

The lack of complete clarity in defining mechanisms of the formation of local concentrations of the surface ozone as well as in assessing the role of dynamic atmospheric processes in their formation greatly enhances the value of the experimental monitoring of these concentrations. Of particular interest are regions with expected low anthropogenic activities allowing to study the formation of the surface ozone background concentrations and their relation to natural processes.

Рис. 2.16. Временной ход концентрации приземного озона в период с 24.12.2011 г. по 12.03.2012 г. Fig. 2.16. The time course of the surface ozone concentration in the period from 24.12.2011 to 12.03.2012

Мониторинг приземных концентраций озона в районе БАЭ осуществлялся в 2011 -2012 гг. с использованием разработанного в ННИЦ МО БГУ газоанализатора на основе ППС.

Измерения осуществлялись в автоматическом режиме с интервалом 1 мин. Ход концентрации приземного озона, зарегистрированный в период с 24.12.2011 г. по 12.03.2012 г., представлен на рис. 2.16.

Средняя концентрация приземного озона за указанный период наблюдения составила 18 ppb. Максимальное значение - 22 ppb, минимальное -12 ppb. Эти значения соответствуют оценочным уровням «доантропогенного» периода. В то же время для обоснованных выводов, а тем более для обсуждения механизмов образования приземных концентраций озона, полученных данных пока недостаточно.

В целом прибор показал хорошую работоспособность в условиях Антарктиды. Его использование оказалось оправданным, а полученные данные продолжат ряд наблюдений, начатых в 2007 г.

В районе станции «Гора Вечерняя» получен результат, важный для изучения механизмов формирования приземных концентраций О₃ - зарегистрирован четкий суточных ход приземных концентраций озона, причем (в отличие от зависимостей, характерных для средних широт Северного полушария) днем концентрация озона падает, ночью увеличивается (рис. 2.17), что само по себе достаточно необычно.

Мониторинг двуокиси азота. Мониторинг общего содержания и вертикальных профилей концентрации NO₂, так же как и О₃, в атмосфере Антарктики представляет интерес вследствие отсутствия их при-

The monitoring of the surface ozone concentrations in the area of the BAE was realized in 2011-2012 using the gas analyzer on the basis of semiconductor sensor engineered by NOMREC specialists.

The measurements were carried out in the automated mode with intervals of 1 min. The course of the surface ozone concentration registered in the period from 24.12.2011 to 12.03.2012 is demonstrated in Fig. 2.16.

The average concentration of the surface ozone during the period of observation reached 18 ppb with a maximum of 22 ppb and a minimum of 12 ppb. These values correspond to estimated levels of the «рге-industrial» era. At the same time, the data obtained can be served neither for well-grounded conclusions nor for discussion of the formation mechanisms of the surface ozone concentrations.

In general, the instrument demonstrated a good performance in the conditions of Antarctica. The collected data will continue a series of observations started in 2007.

In the area of the station «Vechernyaya Hill», one has revealed a clear diurnal variation of the surface ozone concentrations which may be helpful in studying the mechanisms of the formation of the surface ozone concentrations. Here (unlike the dependencies typical for the mid-latitudes of the Northern Hemisphere) the concentration falls during daytime and rises at night (Fig. 2.17) which is quite unusual.

Nitrogen Dioxide Monitoring. Antarctica is viewed as a perfect place to maintain the monitoring of the total amount and vertical profiles of NO₂ and O₃ concentrations in the atmosphere due to lack of ground

Рис. 2.17. Суточные изменения концентрации приземного озона (база БАЭ, «Гора Вечерняя», сезон 2007-2008 гг.) Fig. 2.17. Diurnal variations of surface ozone concentration (BAE base, «Vechernyaya Hill», season of2007-2008)

земных (как правило, антропогенных) источников, поскольку высокие локальные концентрации этих газов могут затруднять интерпретацию стратосферных процессов их образования, переноса и разрушения. Особенно это важно для NO₂, приземные локальные концентрации которого в средних широтах могут на прядки превышать его стратосферное содержание.

Мониторинг NO₂ с помощью спектрографа изображения MARS-B с перестраиваемой геометрией визирования и обработкой по методике DOAS проходил в Восточной Антарктиде, в районе российской станции «Прогресс» (холмы Ларсеманна, 569’22', Е76’23') в ходе 59-й РАЗ 2013-2014 гг.

Данные измерений, полученные за период с 25.01.2014 г. по 28.02.2014 г., представлены на рис. 2.18. На рис. 2.18 показан временной ход значений дифференциальных наклонных содержаний (Differential Slant Column Densities, DSCD) NO₂ и O₃.

Анализа обработанных спектров показал, что DSCDs NO₂ и О₃ для разных углов возвышения практически совпадают. Это косвенно подтверждает предполагаемое априори отсутствие NO₂ и О₃ в нижней тропосфере. Результаты моделирования также показывают, что исследуемые примеси расположены на высотах больше б км. Таким образом, можно считать, что поведение измеренных значений DSCDs соответствует поглощению солнечного излучения только в стратосфере.

В то же время можно заметить различную зависимость DSCD у NO₂ и О₃ в течение дня, причем эта зависимость меняется в разные дни. Данные реанализа (reanalysis of Monitoring atmospheric composition and (usually anthropogeneous) sources, since the high local concentrations of these gases may hamper interpretation of stratospheric processes of their formation, transfer and destruction.This is especially important for NO₂ with the surface local concentrations sometimes exceeding the stratospheric ones by orders in the middle latitudes.

The NO₂ monitoring by means of the image spectrograph MARS-B employing adjustable geometry of observation and the MAX-DOAS technique for data processing was conducted in Eastern Antarctica, near the Russian station «Progress» (Larsemann Hills, 569’22', E76°23’) during the 59 ^{Russian Antarctic Expedition of 2013-2014.}

The measurement results obtained during the period from 25.01.2014 to 28.02.2014 are displayed in Fig. 2.18. Figure 2.18 depicts the time course of differential slant column densities (DSCD) of NO₂ and O₃.

Analysis of the processed spectra has shown that DSCDs of NO₂ and O₃ for different angles of elevation practically coincide. This indirectly confirms a priori supposed absence of NO₂ and O₃ in the lower troposphere. The simulation results also show that the trace gases are found at heights of more than 6 km. Thus, it can be inferred that the behavior of the measured values of DSCDs corresponds to the absorption of the solar radiation only in the stratosphere.

At the same time, one may see different DSCD dependence for NO₂ and O₃ during the day, and, what is typical of this dependence, it varies for days. Reanalysis data (reanalysis of Monitoring atmospheric

2 5CE’

„ гссЕ-ом g

? 150E*O2a

^E 10СЄОЗО

О 5 00€*019

» ooccow a

-5 ОСЕ *019

I 1

I. .1

iWvUvUWyuUUvuWU

i> > h, > у t К > fc, К

J?-' /? _л*? Л¹ 2$

a5> *5> a^C,V

Рис. 2.18. Результаты измерений DSCD N0₂ иО₃в Антарктиде Fig. 2.18. Measurement results of DSCD of NO. and 0_; in Antarctica

climate, МАСС) (рис. 2.19) качественно согласуются с проведенными измерениями: 14.01.2014 г. наблюдается уменьшение содержания двуокиси азота, увеличение общего содержания озона и подъем верхней границы озонового слоя.

Таким образом, в ходе сравнения экспериментальных данных с модельными расчетами, для данного конкретного случая, установлено, что уменьшение содержания диоксида азота в верхней атмосфере приводит к увеличению содержания озона. Этот важный результат носит фундаментальный характер - получено экспериментальное подтверждение взаимодействия двуокиси азота и озона в земной стратосфере.

Тем не менее, возможно, что преобразования NO₂ и О₃ являются более сложными из-за роли галогеносодержащих микропримесей. В то же время количество активных галогеносодержащих микропримесей зависит от содержания NO., и наличия полярных стратосферных облаков, что в совокупности влияет composition and climate, МАСС) (Fig. 2.19) are qualitatively consistent with measurements performed: on 14.01.2014, a decrease of nitrogen dioxide, gain of the total ozone and rise of the upper limit of the ozone layer are observed.

Thus, while comparing the experimental data to the model calculations, for this particular case, it has been found that reducing the amount of nitrogen dioxide in the upper atmosphere leads to the increase of ozone. This important result is of fundamental character - one has received experimental confirmation of the interaction of the nitrogen dioxide and ozone in the Earth's stratosphere.

Nevertheless, it is possible that NO₂ and O₃ transformations are more complex due to the role of the halogenated trace gases. At the same time, their number depends on the presence of NO₂ and polar stratospheric clouds which together affect the parameters of the ozone layer. So, for a better interpretation

Рис. 2. 7 9. Высотные профили распределения озона и оксидов азота по данным для пункта с координатами S69°30Е76°30' Fig. 2.19. Vertical ozone and nitrogen oxides profiles for the point with coordinates ofS69°30E76°30'

на параметры озонового слоя. Для лучшей интерпретации полученных экспериментальных данных необходимы дополнительные измерения.

Моделирование атмосферных процессов. Несмотря на сравнительно кратковременные периоды экспериментального мониторинга, ограниченные временем сезонных БАЭ, полученные данные позволяют провести валидацию численных моделей при их использовании для анализа атмосферных процессов данного региона.

В частности, мониторинг ОСО в Антарктическом регионе подтвердил, обнаруженное в результате многолетних наблюдений на Минской озонометрической станции ННИЦ МО БГУ, наличие устойчивой связи между состоянием озоносферы и региональными погодными условиями. Это свидетельствует о том, что для более точного прогноза необходимо использовать глобальные и региональные климатические модели, включающие в расчет параметры стратосферы.

of the experimental data, additional measurements are needed.

Modeling of atmospheric processes. Despite the relatively short duration of the pilot monitoring, being limited by the seasonal BAEs, data obtained allow to validate numerical models using for the analysis of atmospheric processes in the region.

In particular, the TO monitoring in the Antarctic region has confirmed previously detected (as a result of long-term observations at the Minsk Ozone Station of NOMREC BSU) presence of a stable connection between the state of the ozone layer and the regional weather conditions. This suggests that for a more accurate forecast one should use global and regional climate models involving parameters of the stratosphere in the calculation.

Так, например, в результате проведенных в ННИЦ МО БГУ работ по численному моделированию атмосферных процессов Южного полушария показано, что конфигурация стационарных атмосферных фронтов на уровне 100 mb практически соответствует форме и положению Антарктической озоновой дыры, что указывает на тесную взаимосвязь состояния озоносферы и циркуляционных процессов в атмосфере региона.

Thus, for example, as a result of NOMREC's activities on numerical modeling of atmospheric processes in the southern hemisphere it is shown that the configuration of stationary atmospheric fronts at 100 mb well conforms with the shape and location of the Antarctic ozone hole thereby indicating close relationship of the ozone layer state and the circulation processes in the atmosphere of the region.