14 просмотров

Где весной возникают «озоновые дыры»

Что такое Антарктическая озоновая дыра?

В предыдущих 10 главах этого онлайн-учебника по стратосферному озону мы подготовили основу для обсуждения потерь антарктического озона и ответа на этот вопрос. В главе 1 был представлен стратосферный озон и было краткое предварительное обсуждение озоновой дыры. Глава 2 дала нам общий обзор атмосферы — ее состава, температурной структуры и общих моделей ветровой циркуляции. В главе 3 мы познакомились с несколькими способами измерения озона и с тем, что показывают различные записи. Главы 4, 5 и 6 посвящены основам радиационной физики, фотохимическим процессам и динамическим движениям стратосферы соответственно. В главе 7 обсуждались различные методы измерения озона с помощью реальных приборов, используемых сегодня. В главах 8 и 9 подробно описаны изменчивость и тенденции в стратосферном озоне. В главе 10 изучалось загрязнение стратосферы различными газами в стратосфере, включая оксиды азота.

Все эти главы в совокупности обеспечили научную основу и теоретическую основу для понимания того, как и почему происходит истощение стратосферного озона. Это истощение вызвано искусственными химическими соединениями, хлорфторуглеродами или CFC, разработанными в этом столетии.Истощение стратосферного озона наиболее ярко проявляется во внезапной сезонной потере озона над Антарктидой. Количество озона упадет вдвое за несколько недель. Эта большая потеря озона называется «антарктической озоновой дырой». Антарктическая озоновая дыра, пожалуй, самая важная экологическая проблема, стоящая сегодня перед миром, является темой этой главы.

Статья в тему:  Как появляются дыры в озоновом слое

В этой главе исследуются данные, подтверждающие наши знания об антарктической озоновой дыре. Также рассматриваются особые атмосферные факторы, способствующие образованию озоновой дыры, в контексте современных научных теорий ее образования. В конце главы мы также рассмотрим тенденции в последних данных по арктическому региону, чтобы увидеть, существуют ли какие-либо доказательства подобных резких сезонных потерь озона в этом регионе.

1.1 Цели главы

Когда вы закончите чтение этого обсуждения, вы сможете

  • понять научные данные с самолетов, наземных станций и спутников, которые привели к нашим текущим знаниям об антарктической озоновой дыре
  • связать сезонное развитие южной полярной озоновой дыры с динамическими процессами в атмосфере южного полушария
  • понять горизонтальную и вертикальную структуру озоновых дыр, а также связанные с ними циклические колебания уровня озона
  • понять основы полярных стратосферных облаков и гетерогенную химическую теорию образования антарктической озоновой дыры на основе текущих данных
  • понять последние тенденции в уровнях озона в Арктике.

1.2 Общий обзор антарктической озоновой дыры: открытие, наблюдения и теория

Антарктическая озоновая дыра — это область экстремальных потерь озона, которая ежегодно появляется с 1970-х годов. Количество озона над Антарктидой резко падает в течение нескольких недель. «Дыра» начинает развиваться каждый август и достигает кульминации к началу октября, что соответствует приходу весны в южном полушарии, и впоследствии исчезает к началу декабря.Общее количество озона в этот период падает до 50% внутри отверстия. Поскольку у нас есть записи об озоне Антарктиды, относящиеся к концу 1950-х годов, мы можем сравнить количество озона за один и тот же период тогда и сейчас. И снова мы обнаруживаем, что количество озона в этот период уменьшается примерно наполовину по сравнению с количеством, измеренным в то же время года совсем недавно, в начале 1970-х годов. Наблюдения, проведенные в антарктическом регионе с самолетов, земли и спутников, показали, что озоновая дыра возникает из-за повышенного содержания хлора и брома в стратосфере в сочетании с специфической метеорологией зимы в южном полушарии.

Статья в тему:  Какая деятельность человека вызывает дыры в озоновом слое

Открытие антарктической озоновой дыры в середине 1980-х годов стало большим сюрпризом для ученых-атмосферников, которые до этого думали, что понимают физические и фотохимические процессы, управляющие стратосферным озоном. Исследования, проведенные еще в 1983 году, позволили создать разумные компьютерные модели озона в отношении наблюдаемых измерений. Объявление 1985 года о больших весенних потерях общего озона над Антарктидой в период с 1975 по 1984 год ошеломило научное сообщество, занимающееся изучением атмосферы. Количество озона уменьшилось между измерениями, проведенными в конце 1950-х и начале 1960-х годов, с более чем 300 единиц Добсона до 200 единиц Добсона.

Почему и как это происходило, стало предметом интенсивных исследований. Ранее было признано, что резкое падение содержания озона, вероятно, было результатом сочетания экстремально низких температур над Антарктидой внутри области полярного вихря (см. главу 6) и повышения уровня хлора.

Измерения прибором TOMS на борту спутника Nimbus-7 показали, что истощение озона во время весны в южном полушарии происходило на всем антарктическом континенте с центром на Южном полюсе. Из-за внешнего вида этого антарктического региона с низким содержанием озона это явление быстро окрестили «антарктической озоновой дырой».

Были предложены различные теории для объяснения существования «дыры». К ним относятся динамическая теория, теория оксида азота и теория гетерогенной химии. Динамическая теория предполагала, что атмосферная циркуляция над Антарктидой изменилась таким образом, что воздух из тропосферы, где мало озона, переносится в полярную нижнюю стратосферу, отсюда и наблюдаемые сокращения. Теория оксида азота предполагала, что повышенные уровни NOx, вызванные фотохимическими эффектами периода пика солнечных пятен в 1979 году, были ответственны за разрушение большего количества озона. Теория гетерогенной химии предполагала, что реакции происходили на поверхности мельчайших частиц облаков, которые образуются в чрезвычайно холодных условиях антарктической зимней стратосферы. «Поверхности», образованные облачными частицами, известные как полярные стратосферные облака (PSC), изменяли химический состав полярной стратосферы. (См. Раздел 5.1 этой главы для получения более подробной информации о PSC.) Соединения, образующиеся в результате реакций на этих PSC, позволили нереакционноспособным соединениям, содержащим хлор, стать реактивными соединениями. Эти реакционноспособные соединения хлора каталитически разрушают озон с чрезвычайно высокой скоростью, подробности которой подробно обсуждаются в главе 5. Помимо соединений хлора, в каталитическом разрушении озона участвуют также соединения брома.

Статья в тему:  Как люди определили озоновые дыры НАСА

Измерения над Антарктидой показали, что теория гетерогенной химии верна. Потеря антарктического озона была вызвана гетерогенными реакциями соединений хлора на поверхности полярных стратосферных облаков. Как только хлор высвобождается в результате этих гетерогенных реакций, слабые уровни солнечного света инициируют и поддерживают каталитическую фотохимию потери озона. Соединения хлора в основном искусственного происхождения: хлорфторуглероды (ХФУ), о которых мы говорили в главе 1.Это были безопасные инертные соединения, разработанные в конце 1920-х годов для охлаждения и аэрозольных пропеллентов. ХФУ получили широкое распространение во всем мире с момента их создания. Измерение чрезвычайно высоких уровней моноксида хлора над Антарктидой было «дымящимся пистолетом», который предоставил ясное доказательство того, что ХФУ были виновниками этих потерь озона.

Ответ на вопрос, почему температуры внутри стратосферы над Антарктидой становятся такими низкими, а не где-либо еще, и позволяют формироваться PSC, связан с уникальной моделью циркуляции там. Во-первых, вам нужен солнечный свет (фактически ультрафиолетовый свет), чтобы нагреть стратосферу. Поскольку антарктическая стратосфера темна во время полярной ночи, полярная стратосфера не нагревается Солнцем. Антарктическая стратосфера охлаждается, излучая в космос ИК-излучение, точно так же, как элемент электроплиты, который остывает от раскаленного докрасна после того, как вы выключите плиту. Во-вторых, погодные системы в стратосфере согревают полярные регионы. Зимой на юге эти стратосферные погодные системы очень слабы, и антарктическую стратосферу нечему нагревать. Следовательно, из-за ИК-охлаждения и слабых погодных систем полярная стратосфера становится очень и очень холодной.

Статья в тему:  Как клоринг влияет на озоновые дыры

Второй аспект этих очень низких температур — это то, что мы обсуждали в предыдущих главах, — струйный поток полярной ночи (см. главу 6). Струя полярной ночи представляет собой ленту быстрых ветров, которая развивается вблизи края полярной ночи и низких температур. Скорость ветра достигает 100 миль в час или больше на высоте 70 000 футов. Эта струя является результатом тех же двух процессов, которые дают нам очень холодную полярную область, слабые погодные системы и инфракрасное охлаждение. Мы также склонны думать об этой струе как о «вихре» воздуха, который закручивается с запада на восток вокруг Южного полюса. Струя также действует как барьер для переноса воздуха между южным полярным регионом и южными средними широтами.

Реакции, необходимые для потери озона, в конечном итоге также включают солнечный свет, поэтому необходимо, чтобы солнечный свет был, а также экстремально низкие температуры с полярными стратосферными облаками (ПСО). Такие условия существуют в течение нескольких недель в году в сентябре и начале октября. в начале южной весны. К декабрю условия становятся слишком теплыми для ПСО, а также разрушается сильный полярный вихрь, поскольку перепады температур становятся меньше. Потепление весной и разрушение полярного вихря останавливают быстрые реакции разрушения озонового слоя, которые происходят через гетерогенную химию.

1.3 Обзор каждого раздела этой главы

В этой главе более подробно рассматриваются темы, связанные с потерей полярного стратосферного озона. Мы начнем с наблюдений за озоном и ранних теорий существования антарктической озоновой дыры (раздел 2). Наблюдения за антарктическим озоном и открытие явления сезонной озоновой дыры — наша первая тема для обсуждения (раздел 2.1). Далее мы обратимся к теориям существования этой антарктической озоновой дыры (раздел 2.2). К ним относятся динамическая теория (2.2.1), теория окиси азота (2.2.2) и теория гетерогенной химии (2.2.3).

Статья в тему:  Как озоновые дыры влияют на интенсивность ультрафиолета

В следующем разделе (3) объясняются аспекты антарктического полярного вихря, условия, в которых возникает озоновая дыра. Аспекты включают циркуляцию ветра вокруг вихря (3.1); температуры внутри вихря (3.2); потенциальная завихренность и то, как она используется для идентификации полярного вихря (3.3); процессы радиационного нагрева и охлаждения внутри вихря (3.4); транспорт воздушных посылок внутри вихря (3.5).

Затем мы обратимся к структуре и динамике антарктической озоновой дыры (раздел 4). Сюда входит обсуждение горизонтальной (4.1) и вертикальной (4.2) структуры поля озона; годовой или сезонный цикл озона над Антарктидой (4.3); распад озоновой дыры (4.4); и резюме (4.5).

Наша следующая тема касается теории озоновых дыр (раздел 5) с акцентом на аспекты теории гетерогенной химии, изложенные ранее. Ключевым компонентом, необходимым для протекания реакций потери озона, являются полярные стратосферные облака (5.1). Далее мы рассмотрим ключевые гетерогенные реакции (5.2) и реальные реакции каталитических потерь озона (5.3). Эволюция озоновой дыры в течение сезона — наша следующая тема (5.4).

Это подводит нас к теме арктического озона и поиску любой возможной дыры в нем (раздел 6). Мы рассмотрим арктические данные с 1988 по 1995 год (6.1) и с 1996 по 1998 год (6.2). Мы исследуем различия между арктической и антарктической стратосферой, чтобы найти причины различий в количестве озона в этих двух местах (6.3). Вот вопрос: почему над Арктикой нет озоновой дыры? Мы заканчиваем раздел рассмотрением будущих перспектив арктического озона (6.4) и феномена антарктической озоновой дыры (6.5) в контексте ожидаемого изменения содержания хлора в атмосфере и изменений температуры, вызванных атмосферным парниковым эффектом, оба из которых связаны к деятельности человека.

Статья в тему:  Почему по всей Австралии образовались гигантские дыры в озоновом слое

Затем мы обобщаем необходимые условия и шаги, связанные с озоновой дырой, и предлагаем вопросы для повторения, которые вы можете использовать в классе.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x