СПОСОБ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ОБРАЗОВАНИЯ ОЗОНОВЫХ ДЫР Российский патент 2007 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к области метеорологии и может быть использовано для прогнозирования времени и места образования в стратосфере областей пониженным содержанием атмосферного озона - озоновых дыр.

Изобретение не имеет аналогов.

Целью изобретения является прогнозирование времени и области образования озоновых дыр в стратосфере.

Для достижения заявленной цели осуществляют систематическое наблюдение за солнечной активностью, состоянием стратосферы, магнитосферы и ионосферы, а область и время образования озоновой дыры в стратосфере устанавливают соответственно области и времени появления в озоновом слое стратосферы электрически заряженных ультрадисперсных аэрозольных частиц с концентрацией, равной или превышающей 10⁴ см^-3;

область и время образования озоновой дыры в стратосфере также устанавливают соответственно области и времени проникновения в озоновый слой стратосферы солнечных космических лучей в периоды повышенной солнечной активности.

Сущность изобретения основана на выявленном авторами механизме взаимодействия электрически заряженных аэрозольных частиц с молекулами озона.

Электрически заряженные аэрозольные частицы, образуемые как в результате нуклеации полярных молекул газа на ионах, так и в результате ионизации нейтральных аэрозольных частиц под воздействием потока солнечных космических лучей, активно захватывают из окружающего их пространства полярные молекулы различных веществ, в том числе и озона. Захват молекул озона аэрозольными частицами приводит к уменьшению локальной концентрации озона в области стратосферы с максимальным потоком солнечных космических лучей.

Известен механизм захвата полярных молекул электрически заряженными аэрозольными частицами (см. Пат. РФ 2175880, МКИ С2 7В01D 5/00). Механизм захвата полярных молекул заряженной аэрозольной частицей основан на притяжении ориентированных полярных молекул к заряженной аэрозольной частице в неоднородном электрическом поле. Ориентация полярных молекул происходит в электрическом поле вблизи заряженной аэрозольной частицы. Неоднородное электрическое поле создается либо точечным зарядом, либо зарядами, сосредоточенными на участках поверхности аэрозольной частицы, обладающих максимальной кривизной. Рассмотрим случай притяжения полярной молекулы к точечному заряду. Поле точечного заряда определяется как E=q/r², где q - элементарный заряд, r - расстояние от заряда до данной точки. На полярную молекулу с дипольным моментом μ, находящуюся в электрическом поле Е, действует сила F=-▿U, где U - потенциальная энергия диполя в электрическом поле: U=-μEcosθ, где θ - угол между вектором дипольного момента и электрическим полем (см. И.Е.Тамм. Основы теории электричества, М.: Наука, 1989, с.105). Вблизи заряженной аэрозольной частицы полярные молекулы ориентируются, и средняя величина cosθ определяется как <cosθ>=L(μE/kT), где L(x)=cthx-1/x - функция Ланжевена, k - постоянная Больцмана, Т - абсолютная температура. Учитывая, что при малых x: L(x)≈x/3, получим F≈(μ²/3kT)▿E². Таким образом сила притяжения полярных молекул пропорциональна градиенту квадрата электрического поля. Сила, действующая на диполь, значительно увеличивается при уменьшении радиуса кривизны острого выступа аэрозольной частицы, на которой сосредоточен электрический заряд, поскольку при этом возрастает градиент поля. Как показывают оценки, при радиусе кривизны фрагмента поверхности аэрозольной частицы, составляющем значение порядка 10^-7 см, описанный выше процесс в течение долей секунды обеспечивает захват полярных молекул из области, прилегающей к поверхности аэрозольной частицы.

Описанный механизм проверен авторами экспериментально в лабораторных условиях на полярных молекулах воды (см. Лапшин В.Б., Палей А.А., Яблоков М.Ю. Влияние электростатических зарядов на рассеивание тумана в газовом потоке. - Гос. океаногр. ин-т., М., деп. ВИНИТИ, №212-В2001, от 29.01.01, 2001, 14 с.).

Естественно, процесс конденсации воды на заряженных аэрозольных частицах происходит существенно более эффективно, чем конденсация озона, поскольку величина дипольного момента молекулы воды (1.86 дебай) заметно превосходит величину дипольного момента молекулы озона (0.53 дебай). То есть сила притяжения молекул воды к электрическому заряду превосходит силу притяжения молекул озона более чем в 10 раз. Особенностью конденсации озона является ее необратимость, поскольку молекулы озона обладают высокой реакционной способностью, и в частности, высоким окислительным потенциалом (см. С.Д.Разумовский. Кислород - элементарные формы и свойства, М.: Химия, 1979.) Попав на поверхность аэрозольной частицы, молекула озона вступает с ней в химическую реакцию и тем самым необратимо удаляется из газовой фазы.

Подтверждение описанного механизма конденсации полярных молекул можно также наблюдать и в естественных условиях. Наглядным тому примером является процесс конденсации атмосферных паров воды при выпадении росы. Капли росы образуются на острых кромках растительности. Причиной этому является тот факт, что Земля имеет отрицательный заряд и, соответственно, на острых кромках растительности сосредоточены электрические заряды, неоднородное электрическое поле которых притягивает к себе дипольные молекулы воды, что способствует конденсации водяного пара.

Таким образом, у авторов настоящего изобретения имеются все основания полагать, что образование озоновых дыр в стратосфере есть следствие взаимодействия электрически заряженных аэрозольных частиц с полярными молекулами озона. Электрически заряженные частицы в столь существенном объеме, чтобы повлиять на уровень концентрации озона в стратосфере на высоте 20-30 км, могут образоваться под воздействием корпускулярного потока солнечных космических лучей в период повышенной солнечной активности за счет механизма заряд-дипольной конденсации.

Факт уменьшения концентрации атмосферного озона при повышенной солнечной активности известен (см. Тертышников А.В. Оценки влияния солнечной активности на содержание атмосферного озона // Геомагнетизм и аэрономия. 2000. Т.40. №3. С.141-143.). Опустошение озонового слоя при солнечных вспышках может доходить в отдельных случаях до 10-20% (см. Физическая энциклопедия, т.4, изд. "Большая Российская энциклопедия", Москва, 1994, с.584). Известно также, что повышенная солнечная активность может приводить к образованию озоновых дыр (см. Shumilov O.I., Kasatkina E.A., Henriksen K., et al. (1995) Ozone miniholes initiated by energetic solar protons // J. Atmos. Terr. Phys. v.57, N 6: 665-671.), однако механизм этого явления до настоящего времени известен не был, и соответственно спрогнозировать озоновые дыры было невозможно.

В пользу предложенного механизма гибели озона на заряженных аэрозолях свидетельствует также факт значительного уменьшения концентрации озона при увеличении концентрации стратосферного аэрозоля при извержениях вулканов (см. Brasseur, G., Ozone depletion: Volcanic aerosols implicated // Nature, 359, 275-276, 1992). Тот факт, что стратосферные аэрозоли обладают преимущественно несферической формой и имеют участки с высоким радиусом кривизны, как видно из фотоснимков, имеющихся в литературе (см. Hamill P., Toon О.В. Polar stratospheric clouds and the ozone hole // Physics Today, 1991, v.44, N.12. p.34-42), также свидетельствует в пользу предложенного механизма гибели стратосферного озона.

Формирование озоновых дыр в стратосфере происходит по следующей схеме. В период солнечной активности к Земле движется мощный поток частиц, преимущественно протонов. Быстрые частицы вызывают дополнительную ионизацию ионосферы и стратосферы. Скорость ионизации при солнечных вспышках может достигать в стратосфере 10² см^-3с^-1 (см. З.Бауэр. Физика планетных ионосфер, М.: Мир, 1976, с.73). Стационарная концентрация ионов оценивается из уравнения ионного баланса: dn/dt=q-αn² (см. Атмосфера. Справочник. Гидрометеоиздат, Ленинград, 1991). Эта концентрация в стационарных условиях равна: n=(q/α)^1/2, где α - скорость рекомбинации, равная 10^-6-10^-7 см³/с (см. Смирнов Б.М. Ионы и возбужденные атомы в плазме. М.: Атомиздат, 1974, а также Мак-Даниэль И. Процессы столкновений в ионизованных газах. М.: Мир, 1967). Учитывая приведенные параметры, стационарная концентрация ионов при повышенной солнечной активности может превосходить 10⁴ см^-3. Повышение ионизации в стратосфере приводит к ускоренной конденсации на ионах полярных молекул, в том числе молекул озона. Повышенная ионизация происходит преимущественно в высоких широтах, поскольку частицы солнечных космических лучей отклоняются при движении в магнитном поле Земли (см. Дорман Л.И. Космические лучи в магнитном поле Земли. М.: Наука, 1971). Долгота области повышенной ионизации, возникающей при проникновении космических лучей в стратосферу, определяется положением Земли относительно Солнца в момент прихода к Земле солнечных космических лучей. При появлении заряженных аэрозольных частиц в слое стратосферного озона эти аэрозольные частицы, согласно описанной выше схеме, захватывают полярные молекулы озона, вследствие чего уменьшается его концентрация и формируется озоновая дыра. На место образования озоновой дыры влияет также и сжатие магнитосферы под воздействием ударной волны, распространяющейся в плазме солнечного ветра. Ударная волна образуется при вспышках на Солнце (см. Физическая энциклопедия, т.4, М.: изд. "Большая Российская энциклопедия", 1994, с.587).

Реализация предлагаемого способа может быть следующая.

С помощью специального оборудования, по известным методикам (см., например, Наблюдения и прогноз солнечной активности. // Сб. статей (ред. П.Мак-Интош, М.Драйер), М.: Мир, 1976) осуществляют систематическое наблюдение за Солнечной активностью. Периодичность наблюдения и объем собираемой информации определяются из условия требуемой точности прогноза и прогнозируемого периода ожидаемой солнечной активности. Одновременно, по известным методикам (см., например, Аппаратура для исследования внешней ионосферы. // Сб. статей (ред. Васильев Г.В, Кушнеревский Ю.В.), М.: ИЗМИРАН, 1980) осуществляют наблюдение за магнитосферой и ионосферой Земли. Объем информации о магнитосфере и ионосфере Земли определяется исходя из условий требования точности прогноза возникновения озоновой дыры. Также осуществляют оптическое зондирование атмосферы с целью обнаружения аэрозольных частиц в стратосфере.

Получив прогноз об ожидаемой солнечной активности по известным методикам (см., например, Витинский Ю.И. Цикличность и прогнозы солнечной активности. Ленинград, Наука, 1973) рассчитывают время проникновения солнечных космических лучей в стратосферу Земли. Для полученного момента времени определяют положение Земли относительно направления движения Солнечного потока. Методика определения положения Земли изложена в литературе, (см., например, Дубошин Г.Н. Небесная механика. М.: Наука, 1968). По данным параметров магнитосферы и ионосферы Земли и по прогнозируемому положению атмосферы Земли относительно направления движения солнечных космических лучей прогнозируют время и место возникновения электрически заряженных аэрозольных частиц в стратосфере и, соответственно, время и место образования озоновой дыры, чем и достигается цель предлагаемого изобретения.

Таким образом, предлагаемое техническое решение содержит новые отличительные признаки, использование которых в совокупности позволяет прогнозировать время и область образования озоновой дыры в стратосфере и достичь цели предлагаемого изобретения.

Изобретение может быть использовано для прогнозирования места и времени образования озоновых дыр. Сущность: обнаруживают с помощью зондирования атмосферы в озоновом слое электрически заряженные ультрадисперсные аэрозольные частицы. Устанавливают область образования озоновой дыры соответственно области появления этих частиц в озоновом слое с концентрацией, равной или превышающей 10⁴ см^-3. Время образования озоновой дыры прогнозируют по рассчитанному времени проникновения солнечных космических лучей в стратосферу Земли. Технический результат: прогнозирование времени и области образования озоновых дыр в стратосфере.

Способ прогнозирования образования озоновых дыр, заключающийся в обнаружении с помощью оптического зондирования атмосферы в озоновом слое электрически заряженных ультрадисперсных аэрозольных частиц и установлении области образования озоновой дыры соответственно области появления этих частиц в озоновом слое с концентрацией, равной или превышающей 10⁴ см^-3, при этом время образования озоновой дыры прогнозируют по рассчитанному времени проникновения солнечных космических лучей в стратосферу Земли.