Санкт-Петербургский университетНаука
Озон под угрозой из космоса
Человеческая деятельность часто негативно отражается на состоянии озонового слоя. Но кроме нее есть и природные факторы, которые заставляют уменьшаться защитную оболочку Земли. Это, например, геомагнитная активность и смена времен года.
Солнце — основной источник энергии для большинства физических и химических процессов, происходящих на Земле. Солнечное излучение имеет как положительное влияние на жизнь нашей планеты (например, оно обеспечивает фотосинтез растений), так и отрицательное (в частности, провоцирует онкологические заболевания). Сам человек тоже влияет на окружающую среду. Такое воздействие называется антропогенным.
Сегодня в мире принимаются решения, направленные на уменьшение масштабов антропогенного воздействия: регулируются выбросы углекислого, парниковых и прочих газов. Самым ярким примером этого является Монреальский протокол 1989 года и его дополнения, которые ограничивают выбросы веществ, приводящих к разрушению озонового слоя. Например, хлорфторуглеродов, часто используемых как холодильные агенты. Хлорфторуглероды стабильны в нижней атмосфере, но при попадании в стратосферу (слой выше примерно 10–20 км) разрушаются под воздействием ультрафиолета, а высвободившийся хлор вступает в реакции, разрушающие озон. К моменту подписания протокола уже было отмечено критически низкое содержание озона вблизи Южного полюса Земли.
Влияние частиц
Озон является защитником всего живого на Земле, поскольку он поглощает жесткое ультрафиолетовое излучение Солнца. Уменьшение уровня озона приводит, в частности, к увеличению негативного воздействия солнечной радиации на живые организмы.
Основной слой озона располагается в стратосфере на высоте 20–30 километров. Его образование и разрушение связано с ультрафиолетовым излучением Солнца. Также существуют озоновые слои на высотах тропосферы (до 10 км) и высотах мезосферы (50–90 км).
Разрушение мезосферного озона в основном связано с процессами высыпаний в атмосферу энергичных частиц, приходящих от Солнца и магнитосферы Земли. Эти же процессы приводят к разрушению и стратосферного озона, но опосредованно.
Солнце — источник не только электромагнитного излучения, но и элементарных частиц (в основном протонов и электронов, называемых солнечным ветром), которые движутся в космическом пространстве и могут достигать земной магнитосферы. Высыпания энергичных частиц в атмосферу Земли могут быть связаны как с процессами на Солнце, так и с геомагнитными возмущениями магнитного поля Земли, которые тоже часто связаны с процессами на Солнце.
Частицы солнечного и космического происхождения, достигающие земной магнитосферы, могут в ней ускоряться и высыпаться в плотные слои атмосферы. Они несут энергию, достаточную для ионизации (приобретения отрицательного или положительного заряда) нейтральных молекул атмосферы. Ионизация запускает цепи химических реакций, некоторые из которых приводят к истощению запасов озона.
Таким образом, для сохранения озонового слоя в атмосфере важно не только регулировать антропогенное воздействие на окружающую среду, но и следить за процессами, происходящими на Солнце, и уметь оценивать их влияние при различных условиях.
В периоды геомагнитных возмущений ослабляется магнитное поле Земли, что приводит к увеличению количества частиц, достигающих земной атмосферы, например частиц из радиационных поясов Земли (радиационные пояса — это «резервуары» протонов и электронов, то есть магнитосферной плазмы). Мы исследовали воздействие энергичных электронов на мезосферу (озоновый слой и озоноразрушающие химические компоненты), учитывая сезонность эффектов.
Истощение мезосферного озона
Для исследования мы использовали данные о потоках высыпающихся энергичных электронов за 2003 год со спутника POES и аэростатные наблюдения за потоками высыпающихся энергичных электронов, предоставленные Физическим институтом имени П. Н. Лебедева РАН. Наблюдения за частицами проводились рядом с городом Апатиты (68° северной широты) с помощью аэростатов, на борту которых находились счетчики Гейгера.
По измеренной скорости счета (количеству отсчетов в единицу времени) были восстановлены данные о потоках высыпающихся электронов. По определенным критериям были выбраны для анализа 285 дней, в которые происходили высыпания энергичных электронов.
Для описания геомагнитной возмущенности мы использовали индекс общей планетарной геомагнитной активности — Kp-индекс. Он принимает значения от 1 до 9, где 1 — невозмущенная магнитосфера, 9 — сильная магнитная буря. Высыпания энергичных электронов были разделены по уровню фоновой геомагнитной активности на три группы: высокий (Kp > 5), умеренный (Kp от 3 до 5) и низкий (Kp < 3).
Получаемая зависимость образованных ионных пар от высоты с учетом спектров высыпающихся частиц и количества ионных пар, образуемых одной высыпающейся частицей на определенной высоте, называется функцией скорости ионообразования. Мы использовали функции скорости ионообразования как входные параметры для разработанной нами одномерной химико-климатической модели с интерактивной нейтральной и ионной химией. Модель включила в себя большое количество нейтральных и ионизированных газов и описывает все основные химические реакции в средней атмосфере в интервале высот 20–100 километров.
В результате исследования мы выяснили, что существует зависимость истощения мезосферного слоя озона от геомагнитной активности. Так, при высоком уровне геомагнитной активности количество мезосферного озона на высоте 80 километров уменьшается в среднем на 35 %, при умеренном уровне — в среднем на 15 %, при низком уровне геомагнитной активности — в среднем на 5 %. Пониженное содержание озона сохраняется на протяжении примерно 12 часов после высыпания электронов с энергиями от нескольких десятков килоэлектронвольт (кэВ).
Один электронвольт (эВ) равен энергии, необходимой для переноса элементарного заряда в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 вольт (В). Килоэлектронвольт (кэВ) — 1000 эВ.
В результате исследования мы показали, что высокая геомагнитная активность, приводящая к увеличению количества достигающих атмосферы энергичных электронов, провоцирует образование озоноразрушающих окислов азота и водорода, что приводит к истощению уровня высокоширотного мезосферного озона. Нами на примере 2003 года были получены средние численные оценки интенсивности таких процессов.
В ходе работы мы также проследили за зависимостью истощения запасов озона на высоте 80 километров от времени года и ионизации от высыпающихся энергичных электронов. Мы выявили, что летом мезосферный высокоширотный озон практически не разрушается от высыпающихся частиц вне зависимости от интенсивности ионизации, связанной с геомагнитной активностью. Весной и осенью истощение может достигать значений 20–25 % при интенсивных высыпаниях энергичных электронов. Зимой разрушение озона сильно зависит от ионизации: в течение наиболее интенсивных высыпаний энергичных электронов уровень озона может истощаться на 80 %.
Мезосферный озон оказывает слабое влияние на ультрафиолет. Большее воздействие оказывают окислы азота, которые в течение зимнего периода способны проникать в стратосферу и разрушать озон, способствуя росту уровня опасного ультрафиолета.
Важность данной работы состоит в оценке нашего понимания химических процессов в мезосфере и уточнения параметров высыпающихся энергичных частиц, что может быть сделано путем сравнения наших результатов с данными разнообразных измерений.
Краски неба
10–11 мая 2024 года была зарегистрирована сильная геомагнитная возмущенность, связанная с выбросами масс на Солнце, которая привела к высыпаниям энергичных частиц. Их можно было наблюдать в виде ярких полярных сияний, в том числе на средних широтах. Геомагнитная возмущенность была экстремальной: Kp достиг значения 9. Данное событие включало в себя высыпания как низкоэнергичных электронов с энергией от электронвольт до килоэлектронвольт (в основном зеленое сияние), так и более энергичных электронов и протонов (в основном фиолетовое, синее и красное сияние).
Конечно, цвет сияний зависит не только от интенсивности высыпаний энергичных частиц, но и от высотного распределения атмосферных газов. Например, ярко-красные или розовые сияния можно увидеть в виде верхней кромки сияний только во время сильной геомагнитной возмущенности. Они возникают благодаря излучению атомарного кислорода в возбужденном состоянии. Зеленый цвет сияний связан с возбуждением большого количества атомарного кислорода на более низких высотах и обычно вызывается высыпаниями электронов. Фиолетовые и синие сияния образуются из-за ионизации молекул азота на высотах около 100 километров и ниже. Чаще всего они связаны с высыпанием энергичных электронов и протонов.
Благодаря нашему исследованию мы можем предположить, что, несмотря на столь сильную интенсивность геомагнитных возмущений 10–11 мая 2024 года, приведшую к высыпаниям энергичных частиц, в течение суток над Санкт-Петербургом мезосферный озон мог истощиться не более чем на 20–25 %, поскольку весной величина истощения запасов мезосферного озона от высыпающихся электронов слабо зависит от входящей ионизации частиц.
Лаборатория исследований озонового слоя и верхней атмосферы СПбГУ
Была создана в 2021 году. Сотрудники лаборатории решают научные и образовательные проблемы, связанные со среднесрочным (до 1 месяца) и долгосрочным (до 200 лет) прогнозом развития озонового слоя под влиянием природных и антропогенных факторов, изменений климата и космической погоды. Подробнее о лаборатории
Более подробно про критерии отбора, которые использовали ученые в исследовании, можно прочитать в статье Energetic Electron Precipitation via Satellite and Balloon Observations: Their Role in Atmospheric Ionization в журнале Remote Sensing. DOI: https://doi.org/10.3390/ rs15133291
Детали работы описаны в статье Mesospheric Ozone Depletion Depending on Different Levels of Geomagnetic Disturbances and Seasons в журнале Atmosphere. DOI: https://doi. org/10.3390/ atmos14081205
Хочешь стать одним из более 100 000 пользователей, кто регулярно использует kiozk для получения новых знаний?
Не упусти главного с нашим telegram-каналом: https://kiozk.ru/s/voyrl