О роли метана в процессах разрушения стратосферного озона над различными климатическими поясами Северного и Южного полушарий Земли

Озоновый слой является одним из важнейших компонентом геосферы, поглощающим поток коротковолновых составляющих солнечной радиации, губительных для любых наземных форм жизни. Поэтому изучение закономерностей изменчивости факторов, определяющих особенности его динамики, является актуальной проблемой ф...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2006
Автори:	Черкашина, Н.И., Холопцев, А.В.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Кримський науковий центр НАН України і МОН України 2006
Назва видання:	Культура народов Причерноморья
Теми:	Проблемы материальной культуры – ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ НАУКИ
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/36554
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	О роли метана в процессах разрушения стратосферного озона над различными климатическими поясами Северного и Южного полушарий Земли / Н.И. Черкашина, А.В. Холопцев // Культура народов Причерноморья. — 2006. — № 86. — С. 11-18. — Бібліогр.: 21 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-36554
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-365542012-07-27T12:08:26Z О роли метана в процессах разрушения стратосферного озона над различными климатическими поясами Северного и Южного полушарий Земли Черкашина, Н.И. Холопцев, А.В. Проблемы материальной культуры – ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ НАУКИ Озоновый слой является одним из важнейших компонентом геосферы, поглощающим поток коротковолновых составляющих солнечной радиации, губительных для любых наземных форм жизни. Поэтому изучение закономерностей изменчивости факторов, определяющих особенности его динамики, является актуальной проблемой физической географии. Озоновий шар є одним з найважливіших компонентом геосфери, поглинаючим потік короткохвильових складових сонячної радіації, згубних для будь-яких наземних форм життя. Тому вивчення закономірностей мінливості чинників, що визначають особливості його динаміки, є актуальною проблемою фізичної географії. 2006 Article О роли метана в процессах разрушения стратосферного озона над различными климатическими поясами Северного и Южного полушарий Земли / Н.И. Черкашина, А.В. Холопцев // Культура народов Причерноморья. — 2006. — № 86. — С. 11-18. — Бібліогр.: 21 назв. — рос. 1562-0808 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/36554 ru Культура народов Причерноморья Кримський науковий центр НАН України і МОН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Проблемы материальной культуры – ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ НАУКИ Проблемы материальной культуры – ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ НАУКИ
spellingShingle	Проблемы материальной культуры – ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ НАУКИ Проблемы материальной культуры – ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ НАУКИ Черкашина, Н.И. Холопцев, А.В. О роли метана в процессах разрушения стратосферного озона над различными климатическими поясами Северного и Южного полушарий Земли Культура народов Причерноморья
description	Озоновый слой является одним из важнейших компонентом геосферы, поглощающим поток коротковолновых составляющих солнечной радиации, губительных для любых наземных форм жизни. Поэтому изучение закономерностей изменчивости факторов, определяющих особенности его динамики, является актуальной проблемой физической географии.
format	Article
author	Черкашина, Н.И. Холопцев, А.В.
author_facet	Черкашина, Н.И. Холопцев, А.В.
author_sort	Черкашина, Н.И.
title	О роли метана в процессах разрушения стратосферного озона над различными климатическими поясами Северного и Южного полушарий Земли
title_short	О роли метана в процессах разрушения стратосферного озона над различными климатическими поясами Северного и Южного полушарий Земли
title_full	О роли метана в процессах разрушения стратосферного озона над различными климатическими поясами Северного и Южного полушарий Земли
title_fullStr	О роли метана в процессах разрушения стратосферного озона над различными климатическими поясами Северного и Южного полушарий Земли
title_full_unstemmed	О роли метана в процессах разрушения стратосферного озона над различными климатическими поясами Северного и Южного полушарий Земли
title_sort	о роли метана в процессах разрушения стратосферного озона над различными климатическими поясами северного и южного полушарий земли
publisher	Кримський науковий центр НАН України і МОН України
publishDate	2006
topic_facet	Проблемы материальной культуры – ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ НАУКИ
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/36554
citation_txt	О роли метана в процессах разрушения стратосферного озона над различными климатическими поясами Северного и Южного полушарий Земли / Н.И. Черкашина, А.В. Холопцев // Культура народов Причерноморья. — 2006. — № 86. — С. 11-18. — Бібліогр.: 21 назв. — рос.
series	Культура народов Причерноморья
work_keys_str_mv	AT čerkašinani orolimetanavprocessahrazrušeniâstratosfernogoozonanadrazličnymiklimatičeskimipoâsamisevernogoiûžnogopolušarijzemli AT holopcevav orolimetanavprocessahrazrušeniâstratosfernogoozonanadrazličnymiklimatičeskimipoâsamisevernogoiûžnogopolušarijzemli
first_indexed	2025-07-03T18:10:02Z
last_indexed	2025-07-03T18:10:02Z
_version_	1836650283143266304
fulltext	Проблемы материальной культуры – ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ НАУКИ 11 Черкашина Н.И., Холопцев А.В. О РОЛИ МЕТАНА В ПРОЦЕССАХ РАЗРУШЕНИЯ СТРАТОСФЕРНОГО ОЗОНА НАД РАЗЛИЧНЫМИ КЛИМАТИЧЕСКИМИ ПОЯСАМИ СЕВЕРНОГО И ЮЖНОГО ПОЛУШАРИЙ ЗЕМЛИ Введение Озоновый слой является одним из важнейших компонентом геосферы[1], поглощающим поток корот- коволновых составляющих солнечной радиации, губительных для любых наземных форм жизни. Поэтому изучение закономерностей изменчивости факторов, определяющих особенности его динамики, является ак- туальной проблемой физической географии. Важнейшей количественной характеристикой состояния озонового слоя является общее содержание озона (ОСО) [2]. Его снижение всего на 1% приводит к увеличению на 2% потока биологически активного ультрафиолета достигающего земной поверхности. Последнее приводит не только к снижению плодородия почв и снижению продуктивности большинства аэробов поверхностного слоя Мирового океана, но и влечет за собой рост заболеваемости людей такими опаснейшими онкологическими заболеваниями как меланома, саркома и др. Мониторинг ОСО над различными регионами планеты ведется с начала двадцатых годов ХХ века. В Украине эти наблюдения начались в Киеве, Одессе и Львове. Ныне они ведутся на всех метеорологических обсерваториях планеты. Установлено, что с начала 50 –х годов ХХ века до 1992 года ОСО в земной атмосфере над многими ре- гионами планеты сокращалось[3, 4]. Среднее значение ОСО в сегменте атмосферы между 60-ми паралле- лями Северного и Южного полушарий планеты достигло минимума в 1992 году. Далее проявилась проти- воположная тенденция[5,6] и ныне его значения возрастают. Причины этого явления до сих пор достоверно не установлены, а потому актуальной проблемой явля- ется их дальнейшее изучение с целью совершенствования методов долгосрочного прогнозирования дина- мики озонового слоя Земли. Постановка задачи Динамика ОСО определяется изменениями значений его баланса. Приходная часть этого баланса опре- деляется образованием озона в ходе фотохимических реакций цикла Чепмена[7]. Расходная его часть в ос- новном формируется такими слагаемыми как фотолиз озона под влиянием солнечной радиации с длинами волн менее 310 нм, а также химическое разрушение озона в ходе реакций хлорного [8], водородного и азот- ного циклов[7]. Интенсивность образования стратосферного озона в том или ином сегменте атмосферы определяется его средней освещенностью, зависящей от географической широты [9], а также долей в спектре солнечной радиации способных инициировать фотолиз молекул кислорода составляющих с длинами волн менее 240 нм, зависящей от состояния солнечной активности [10,11]. Поэтому интенсивность этого процесса изменя- ется как по широте, так в зависимости от времени. Интенсивность разрушения стратосферного озона над каждым регионом планеты зависит от интенсив- ности протекания в атмосфере над ним каждой из реакций, образующих расходную часть баланса ОСО. Последняя определяется как свойствами соответствующей реакции, так и значением потока в озоновый слой поддерживающего ее реагента. Скорость протекания каждой реакции определяется температурой озонового слоя, зависящей от интен- сивности поглощения в нем солнечной радиации, и потому изменяющейся в соответствии с изменением со- стояния солнечной активности[11]. Значения потока в озоновый слой соответствующего вещества опреде- ляется интенсивностью его образования у земной поверхности, а также интенсивностью его вертикального переноса в атмосфере (от земной поверхности в озоновый слой). Оба фактора динамики потока каждого из веществ разрушающих озоновый слой той или иной мере за- висят от температуры приземного слоя земной атмосферы. При этом характер этих зависимостей для раз- личных веществ различен, а для каждого вещества он зависит и от географического положения. Учитывая это очевидно, что соотношения между интенсивностями разрушения озона в ходе тех или иных реакций в различных климатических поясах планеты различны. В атмосфере над каждым поясом они по разному зависят от высоты над земной поверхностью и времени. Указанные закономерности для боль- шинства рассматриваемых реакций изучены недостаточно, что не позволяет прогнозировать динамику озо- нового слоя планеты при дальнейшем усилении парникового эффекта. Одним из важнейших [12] веществ, участвующих в водородном цикле разрушения озона, является ме- тан, поступающий в озоновый слой преимущественно с поверхности материков планеты[13]. Метан частично является продуктом жизнедеятельности метановых бактерий. Значительная часть его также образуется в результате термического крекинга предельных и непредельных углеводородов в недрах Земли. Продуктивность метановых бактерий при повышении температуры окружающей среды увеличивается. Интенсивность поступления метана в земную атмосферу существенно зависит от температуры земной по- верхности, а следовательно, и от всех факторов влияющих на нее, в том числе и от характеристик парнико- вого эффекта. Поэтому его потоки в атмосферу с участков земной поверхности, относящихся к различным климатическим поясам, могут существенно различаться. Особенностью метана, выделяющей его из числа прочих веществ разрушающих озоновый слой, являет- Черкашина Н.И., Холопцев А.В. О РОЛИ МЕТАНА В ПРОЦЕССАХ РАЗРУШЕНИЯ СТРАТОСФЕРНОГО ОЗОНА НАД РАЗЛИЧНЫМИ КЛИМАТИЧЕСКИМИ ПОЯСАМИ СЕВЕРНОГО И ЮЖНОГО ПОЛУШАРИЙ ЗЕМЛИ 12 ся то, что он сам является одним из сильнейших парниковых газов (потенциал глобального потепления 21[14]). В тропосфере и нижних слоях стратосферы относительная концентрация в воздухе метана практически не зависит от высоты[15], что свидетельствует об отсутствии значимого его химического взаимодействия с воздушной средой. В озоновом слое относительная концентрация метана снижается почти на порядок. В этом принимают участие его реакции с различными веществами, к числу которых относится и атомарный кислород[14, 15]. Потребление метаном атомарного кислорода сокращает его поток, участвующий в образовании новых молекул озона в ходе реакций цикла Чепмена. Другим фактором, существенно влияющим на разрушение озона, является образование в ходе реакции с атомарным кислородом гидроксила ОН, участвующего в цепной реакции, и ряда веществ, непосредствен- но разрушающих озон. Интенсивность некоторых из этих реакций тем больше, чем выше температура воз- духа в озоновом слое. Вследствие указанных причин значимость метана как фактора разрушения стратосферного озона на разных высотах и в различных климатических поясах планеты может быть различна и, к тому же, изменять- ся с течением времени. Закономерности этих изменений в настоящее время изучены недостаточно. Целью данной работы является изучение влияния на значимость метана как разрушителя стратосфер- ного озона факторов высоты над земной поверхностью, а также расположения рассматриваемого сегмента атмосферы над различными климатическими поясами Северного и Южного полушарий планеты. Методика и фактический материал Согласно современным представлениям о физико-географическом районировании [1, 16], в каждом по- лушарии планеты принято выделять следующие климатические пояса: - арктический (антарктический); - субарктический (субантарктический); - умеренный; - субтропический; - тропический; - субэкваториальный; - экваториальный. Арктический пояс охватывает районы близкие к северному полюсу и включает весь Арктический бас- сейн, а также большую часть Гренландии. Температура воздуха над регионами относящимися к этому поя- су в основном отрицательная, за исключением летних дней[1]. Осадков мало до 200-350 мм за год, но отно- сительная влажность велика и распространена сильная облачность. Субарктический пояс Северного полушария расположен к югу от Арктического пояса. Его южная гра- ница в Мировом океане определяется пределами распространения сезонных льдов и айсбергов. Она совпа- дает с полосой минимального атмосферного давления, проходящей через центры Исландского и Алеутско- го минимумов. К северу от этой полосы преобладают северо-восточные ветры от периферии арктической области повышенного давления. К югу преобладают западные и юго-западные ветры. Зимой в субарктическом поясе господствует арктический воздух, летом – умеренный. Поэтому в кон- тинентальных регионах рассматриваемого пояса очень велики сезонные колебания температуры. В них распространен климат тундры, сплошная многолетняя мерзлота почвы. К югу от субарктического расположен Умеренный пояс Северного полушария В нем и зимой и летом господствует умеренный воздух. Преобладает западный перенос. В умеренном поясе активна циклоническая деятельность, связанная как с арктическим, так и полярным фронтами, часты шторма. На материках зимой широко распространен устойчивый снежный покров. Лето в поясе теплое, со средними температурами июля от 12-14 до 28-29 градусов С, а зима холодная , со средними температурами января ниже 0. Северный субтропический пояс расположен к югу от умеренного. Зимой в поясе господствует умерен- ный воздух, летом - тропический. Южная граница пояса проходит через центры Азорского и Гавайского максимумов. К северу от нее преобладают Западные ветры, а к югу - неустойчивые северо-восточные вет- ры. Летом осадки почти отсутствуют. Значительны сезонные различия температуры и осадков. Зимой воз- можны снегопады. Еще ближе к экватору расположен Северный тропический пояс. В нем на протяжение всего года гос- подствует тропический воздух. В северной части пояса ветры северо- восточные неустойчивые, в южной части- устойчивые восточные ветры – пассаты. Для пояса характерна малая облачность и ничтожное коли- чество осадков Хорошо заметны сезонные изменения температуры воздуха, особенно на материках. На океанах встречаются тропические циклоны. Северный субэкваториальный пояс расположен к югу от северного тропического. В нем типична смена сухого тропического и влажного экваториального воздуха. Большую часть года господствуют пассаты, но летом возникает Ю-З муссон. Пояс в океанах фиксируется границами Северного Пассатного течения. По направлению к экватору облачность и количество осадков возрастают. Зима немного прохладнее лета, но отличается сухостью. На океанах возникают тропические циклоны. Непосредственно вдоль экватора расположен экваториальный пояс. В поясе на протяжение всего года господствует влажный экваториальный воздух. Жарко и влажно, густая облачность, слабые ветры, часты Проблемы материальной культуры – ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ НАУКИ 13 штили. . Сезонные колебания температуры малы[1]. Характеристики различных климатических поясов в Южном полушарии практически аналогичны, но расположение их границ, как видно из рис. 1, существенно отличается от расположения границ соответст- вующих поясов в Северном полушарии. В Южном полушарии все пояса простираются преимущественно в широтном направлении. Количественной характеристикой значимости метана в процессах разрушения озона в некотором сег- менте стратосферы на той или иной высоте над земной поверхностью может служить величина: Х= А/В, где А - среднегодовое значение количества молекул озона не образовавшихся (или разрушившихся) в результате поступления метана в этот сегмент в расчете на один кубический сантиметр его объема; В - среднегодовое значение количества атомов атомарного кислорода, образующихся на той же высоте в каждом кубическом сантиметре рассматриваемого сегмента в результате фотолиза молекул кислорода. Учитывая это, для достижения поставленной цели необходимо по отношению к сегментам озонового слоя над каждым из указанных климатических поясов планеты решить следующие задачи: - определить среднегодовое количество атомов кислорода, образующихся в одном кубическом санти- метре соответствующего сегмента при фотолизе молекул кислорода; - рассчитать среднегодовую убыль молекул озона в том же сегменте озонового слоя за одну секунду в результате его взаимодействия с молекулами метана, в расчете на один кубический сантиметр его объема; Количество атомов кислорода, образующихся на некоторой высоте h в том или ином сегменте озоново- го слоя, определяется его средней освещенностью Е(φ, h) в диапазоне длин волн, вызывающих фотолиз мо- лекул кислорода, являющейся функцией средней широты климатического пояса φ, а также частотой этой фотохимической реакции на этой высоте R(h) [18]. Для определения средней освещенности озонового слоя составляющими солнечной радиации с длина- ми волн менее 240 нм можно предположить, что в атмосфере выше озонового слоя существенных потерь их энергии на поглощение и рассеяние не происходит. Это допущение позволяет воспользоваться данными Фритца (1951) [19], характеризующими зависимость от географической широты и времени года среднеме- сячных значений средней освещенности горизонтальной поверхности на внешней границе земной атмосфе- ры. Известно, что в спектре солнечной радиации на входе в земную атмосферу суммарный поток рассмат- риваемых составляющих солнечной радиации в общем ее потоке составляет в среднем 3%[9,10]. Это позво- ляет простым умножением на 0.03 данных Фритца получить приближенную оценку значения средней ос- вещенности на верхней границе озонового слоя (за которую можно принять высоту 50 км) для любой ши- роты и любого месяца. В [18] приведена зависимость от высоты слоя над уровнем Мирового океана значений средней скоро- сти реакции фотолиза молекул кислорода, характерная в нем для марта, на широте 40N. Для нахождения значения средней скорости той же реакции в другой месяц, или другое время года, не- обходимо соответствующее значение этой скорости из [18] умножить на коэффициент равный отношению значения средней освещенности на верхней границе озонового слоя (по Фритцу) в требуемый месяц на тре- буемой широте к значению, имевшему место для марта и широты 40N. Полученные таким образом для требуемой высоты, широты и месяца значения скорости реакции, а также соответствующие значения количества молекул кислорода в этом слое атмосферы, использовались при расчете количества молекул кислорода распадающихся в нем на атомы. Для каждой высоты и широты по среднемесячным значениям рассчитывалось среднегодовое (как их среднее арифметическое). При расчете среднегодового значения количества молекул озона не образовавшихся (или разрушив- шихся) в результате поступления метана в тот или иной сегмент озонового слоя в расчете на один кубиче- ский сантиметр его объема использовался следующий подход. Известно[14, 15], что уменьшение содержания озона в каждой единице объема озонового слоя, обу- словленное поступлением в нее метана, обусловлено несколькими эффектами. Первый состоит в уменьшении количества атомов кислорода, способных образовывать озон ходе в ре- акций цикла Чепмена на величину равную количеству атомов прореагировавших с молекулами метана в ходе реакции: CH4 + 2O = CH3O + OH (1) Очевидно, что это количество в 2 раза больше среднего количества молекул метана, прореагировавших на данной высоте в рассматриваемом сегменте озонового слоя. Второй эффект заключается в непосредственном потреблении озона в ходе его взаимодействия с веще- ством, возникшим в ходе процесса (1), которое происходит в ходе реакции: СН3О +О3=СН2О +ОН +О2 (2) Среднее количество молекул озона, потребляемых в рассматриваемом объеме атмосферы, за секунду, в ходе этой реакции определяется количеством образовавшихся молекул СН3О (равным количеству прореа- гировавших молекул метана) и k1- частотой протекания реакции при температуре воздуха на соответст- вующей высоте [20] (2). Еще одной реакцией, приводящей к потреблению озона, является : СН2О +О3= СО2 + 2ОН (3) Нетрудно видеть, что среднее количество молекул озона, потребляемых в ходе этой реакции в том же объеме озонового слоя, определяется количеством СН2О образовавшегося в ходе реакции (2) и k2-частотой протекания реакции (3). Черкашина Н.И., Холопцев А.В. О РОЛИ МЕТАНА В ПРОЦЕССАХ РАЗРУШЕНИЯ СТРАТОСФЕРНОГО ОЗОНА НАД РАЗЛИЧНЫМИ КЛИМАТИЧЕСКИМИ ПОЯСАМИ СЕВЕРНОГО И ЮЖНОГО ПОЛУШАРИЙ ЗЕМЛИ 14 Таким образом, убыль озона в результате перечисленных эффектов Р , связана с количеством прореаги- ровавшего метана -λ соотношением: Р= λ (2+ k1+k1k2) (4) Кроме рассмотренных эффектов потребление озона в том же объеме возникает и в ходе следующей цепной реакции: О3+ОН= О2Н +О2 (5) О2Н+О3=ОН+2 О2 (6) При рассмотрении убыли озона, обусловленной взаимодействием с метаном, необходимо учитывать лишь то количество молекул ОН , которое образуется в результате реакций (1-3), равное λ (1+ k1+2k1k2). Среднее количество молекул озона Р1, потребляемых в единицу времени в ходе реакции (5), определя- ется количеством участвующих в реакции молекул ОН и частотой этой реакции k3: Р1= k3 λ (1+ k1+2k1k2) (7) Убыль озона в ходе реакции (6)- Р2 при этом может быть оценена как: Р2= k4 Р1 (8) где Р1 – частота реакции (6). Из приведенных соотношений видно, что среднегодовое значение количества молекул озона не образо- вавшихся (или разрушившихся) в результате поступления метана в некотором сегменте озонового слоя в расчете на один кубический сантиметр его объема , прямо пропорционально среднегодовому количеству прореагировавшего в этом сегменте метана: А=Σ (Рi+Р1i+Р2i)/Т (9) Где Т- количество секунд в году. Для определения зависимости этого количества от высоты над земной поверхностью использовался следующая методика. Исходными данными для определения количества молекул метана прореагировавших с атомарным ки- слородом на высоте Н [18] является общий реакционный поток [21] и изменение общего количества метана для указанной высоты[18]. Общее количество молекул метана вступающих в реакцию с атомарным кисло- родом для высоты Н : А1=С D/E (10) Где С- интенсивность реакции взаимодействия метана с атомарным кислородом, см3/молекула; D- изменение количества молекул метана на высоте Н , молекула/см3 ; Е- общая интенсивность реакционного потока метана , см3/молекула. Интервал варьирования по высоте составляет от 20 км до 50 км [18]. Как видим, количество молекул метана, вступающих в реакцию с атомарным кислородом на той или иной высоте в единицу времени, существенно зависит от количества его молекул, поступающих в единицу времени в озоновый слой. Аналогичный вывод справедлив и в отношении среднегодовых значений. Оценки удельных потоков метана в стратосферу над тем или иным климатическим поясом можно по- лучить, предполагая, что в пределах тропосферы его потери в ходе реакций с гидроксилом ОН, атомарным кислородом и другими веществами, являются пренебрежимо малыми. Подобное предположение соответст- вует представлениям [13,18], о том, что основные реагенты, обуславливающие потребление метана (гидро- ксилы ОН и атомарный кислород) образуются лишь в стратосфере в результате реакций фотолиза водяного пара и молекулярного кислорода. Основываясь на данном предположении, а также на данных [14] о распределении потоков метана в тропосферу из различных его источников, а также расположении этих источников на поверхности планеты, нетрудно оценить величины его удельных потоков в стратосферу из различных климатических поясов. Как следует из упомянутых данных, с поверхности океанов, а также криосферы, в тропосферу поступа- ет всего 4% суммарного потока метана, а закономерности распределения прочих его источников на суше в тех или иных климатических поясах Северного и Южного полушарий, дающих остальные 96%, приблизи- тельно одинаковы. В Северном полушарии суша занимает 39.4% площади его поверхности. Снежный покров в Северном полушарии занимает в среднем 36 млн. квадратных километров (или 14% его площади)[1]. В летний период криосфера Северного полушария сохраняется в виде плавучих льдов Северного Ледо- витого океана, покровных ледников Гренландии и горных ледников. При этом она занимает 7.7% площади полушария. Площадь суши, не покрытой криосферой, может составлять 35% площади полушария. Зимой она покрывает также поверхность материков в субарктическом и умеренном климатических поясах, рас- пространясь на 24% площади полушария. Площадь свободной от снега суши при этом составляет лишь 19% площади полушария. В Южном полушарии материки располагаются на 19% его площади, из которых около 10% приходится на покрытую льдом Антарктиду. Площадь суши не покрытой криосферой в полушарии летом составляет около 10%, а зимой, в период установления снежного покрова в регионах, лежащих в умеренном и субпо- лярном климатических поясах полушария, а также горах, -15.5% его общей поверхности. Нетрудно видеть, что площади свободных от снега и льда участков суши в Северном, а также Южном полушариях планеты в среднем за год составляют соответственно около 27% и 13% их площадей. Это по- зволяет утверждать, что поток в тропосферу метана из Северного полушария в среднем за год приблизи- тельно в 2 раза превосходит соответствующий поток из Южного полушария. Проблемы материальной культуры – ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ НАУКИ 15 Если допустить, что с одинаковых по площади участков поверхности свободной от снега и льда суши, расположенных в различных климатических поясах, потоки метана различаются несущественно, то средне- годовое значение количества молекул J метана в единице объема воздуха на высоте тропопаузы над тем или иным поясом может быть определено как: J = LS/G (11) где L среднегодовое число молекул метана в единице объема воздуха на высоте тропопаузы над уме- ренным климатическим поясом (по данным[16]); S – среднегодовое значение площади сводной от снега и льда суши в рассматриваемом климатическом поясе; G - среднегодовое значение суммы площадей криосферы и поверхности океанов в рассматриваемом климатическом поясе. Нетрудно видеть, что погрешности подобных оценок J во многом обусловлены использованием упомя- нутого выше допущения. Известно[13], что значительная часть метана является продуктом жизнедеятельности микроорганизмов, а их активность зависит от температуры. Поэтому не вызывает сомнений, что в экваториальном поясе с единицы площади суши метана выделяется больше, чем с единицы площади свободной от снега суши в арктическом или антарктическом поясе. Игнорирование этого очевидного факта обусловлено недостатком данных об интенсивности выделения метана в различных климатических поясах планеты. Оно приводит к тому, что получаемые таким способ оценки удельных потоков метана для Арктического и Субарктического климатического поясов оказываются завышенными, а Экваториального, Субэкваториального и Тропиче- ского заниженными. Полученные таким образом значения удельных потоков метана были использованы при расчете пара- метра его значимости Х как фактора разрушения озонового слоя. Результаты и их анализ В соответствии с рассмотренной методикой для каждого климатического пояса планеты были выпол- нены расчеты среднегодовых значений количеств молекул кислорода, подвергающихся фотолизу в единицу времени в единице объема атмосферы на различных высотах над земной поверхностью. Полученные при этом результаты приведены в таблице 2. Таблица 1. Среднегодовые значения количества молекул кислорода подвергающихся в фотолизу в секунду в единице объема атмосферы на различных высотах над различными климатическими поясами планеты (миллиарды )-В. Климатический пояс 20 км 25 км 30 км 35км 40км 45км 50км Арктический 0.15 0.37 1.90 3.52 16.47 16.04 8.01 Субарктический 0.17 0.43 2.20 4.07 18.35 18.20 9.30 Умеренный С 0.23 0.57 2.95 5.46 25.07 24.87 12.5 Субтропический С 0.27 0.71 3.54 6.57 29.14 28.91 15.5 Тропический С 0.29 0.77 3.91 7.24 31.56 31.31 16.85 Субэкваториальный С 0.30 0.83 4.19 7.72 32.22 31.96 18.10 Экваториальный 0.31 0.84 4.14 7.68 33.86 33.60 18.23 Субэкваториальный Ю 0.31 0.83 4.10 7.70 33.40 33.60 18.15 Тропический Ю 0.30 0.81 4.06 7.53 32.77 32.50 17.64 Субтропический Ю 0.29 0.75 3.83 7.11 31.77 31.56 16.40 Умеренный Ю 0.25 0.67 3.34 6.20 27.32 27.14 14.56 Субантарктический 0.21 0,53 2.85 5.64 21.83 22.15 12.38 Антарктический 0.16 0.42 2.13 4.15 17.92 19.73 10.00 Как видим из таблицы 1, наибольшие значения скорости фотолиза молекул кислорода отмечаются в атмосфере над экваториальным поясом, что соответствует современным представлениям о роли в этом процессе солнечной радиации и ее распределении в земной атмосфере. Из таблицы 1 видно также, что ско- рость фотолиза кислорода над всеми климатическими поясами достигает максимума на высоте около 40-45 км, где число молекул кислорода в воздухе еще достаточно велико, а поглощение еще не привело к сущест- венному снижению интенсивности потока коротковолновых составляющих солнечной радиации. В таблице 2 приведены оценки среднегодовой убыли числа молекул озона в результате его взаимодей- ствия с метаном на различных высотах над различными климатическими поясами планеты (в расчете на 1 кубический сантиметр сегмента озонового слоя над соответствующим климатическим поясом планеты в секунду). Как видно из таблицы 2, среднегодовые значения убыли количества молекул озона в результате его взаимодействия с метаном в том или ином слое существенно зависят от высоты над земной поверхностью, а также климатического пояса, над которым ведутся наблюдения. Над всеми климатическими поясами взаи- модействие с метаном приводит к наибольшему абсолютному уменьшению количества молекул озона (в расчете на один кубический сантиметр в секунду) на высоте 30 километров. На меридианальном разрезе от северного полюса до южного зависимость уменьшения количества озо- на при взаимодействии с метаном является асимметричной относительно экватора. Ее абсолютные мини- мумы на всех высотах приходятся на регионы Арктического и Антарктического климатического пояса, в которых ледово-снежный покров распространяется практически на всю сушу. Черкашина Н.И., Холопцев А.В. О РОЛИ МЕТАНА В ПРОЦЕССАХ РАЗРУШЕНИЯ СТРАТОСФЕРНОГО ОЗОНА НАД РАЗЛИЧНЫМИ КЛИМАТИЧЕСКИМИ ПОЯСАМИ СЕВЕРНОГО И ЮЖНОГО ПОЛУШАРИЙ ЗЕМЛИ 16 Таблица 2. Среднегодовые значения убыли количества молекул озона в результате его взаимодействия с метаном на различных высотах над различными климатическими поясами планеты (в расчете на 1 кубиче- ский сантиметр сегмента озонового слоя над соответствующим климатическим поясом планеты в секунду) (х 100000000)- А. Климатический пояс 20 км 25км 30км 35км 40км 45км 50 км Арктический 0.033 0.08 0.62 0.49 0.38 0.21 0.078 Субарктический 0.40 0.99 8.41 6.83 4.61 2.60 0.96 Умеренный С 0.77 1.91 16.2 13.18 8.84 5.00 1.84 Субтропический С 0.82 2.14 15.12 12.85 9.25 5.66 1.94 Тропический С 0.77 2.04 15.62 11.95 8.63 5.32 1.81 Субэкваториальный С 0.56 1.58 11.77 9.05 6.54 4.15 1.35 Экваториальный 0.19 0.51 3.86 3.03 2.19 1.34 0.45 Субэкваториальный Ю 0.57 1.51 11.73 9.21 6.55 3.96 1.35 Тропический Ю 0.38 1.03 7.82 6.17 4.45 2.47 0.91 Субтропический Ю 0.35 0.90 7.09 5.56 4.02 2.27 0.85 Умеренный Ю 0.24 0.53 6.34 3.16 3.66 2.04 0.48 Субантарктический 0.08 0.22 1.67 1.305 0.94 0.57 0.21 Антарктический 0.03 0.08 0.66 0.52 0.37 0.23 0.08 В стратосфере над Субарктическим и Субантарктическим поясами среднегодовые значения убыли ко- личества молекул озона в ходе рассматриваемого процесса на всех высотах возрастают. Наиболее сущест- венно это возрастание в Субарктическом поясе, поскольку в его регионах в летний период освобождаются от снега обширные пространства тундр, поставляющих в тропосферу значительные количества метана. Еще больше возрастает количество необразовавшихся, либо разрушившихся молекул озона на всех вы- сотах в стратосфере над Северным и Южным умеренными климатическими поясами. Причинами этого яв- ления служат сокращение средней продолжительности периода существования в этих поясах снежного по- крова, а также увеличение долей в их площадях, приходящихся на регионы суши. Площадь подобных ре- гионов в Северном полушарии существенно больше, чем в Южном полушарии, вследствие чего убыль ко- личества молекул озона над ними наиболее ощутима в Северном полушарии. На высоте 35 км значение убыли озона над регионами Северного умеренного пояса достигает абсолют- ного максимума на всем разрезе от полюса до полюса. На высотах ниже 30 км и выше 40 км максимальные значения уменьшения количества озона при взаи- модействии с метаном приходятся на сегмент стратосферы, соответствующий Северному субтропическому поясу. На высоте 35 км его абсолютный максимум наблюдается над Северным тропическим поясом. Над Северным субэкваториальным поясом (доля площади которого, приходящейся на континентальные регионы, существенно меньше) значения убыли количества молекул озона в ходе рассматриваемого про- цесса на всех высотах снижается. При этом над Южным субэкваториальным поясом ее значения на всех высотах превосходят уровни, характерные для прочих климатических поясов этого полушария, так как доля площадей подобных регионов в Южной Америке , Африке в общей площади климатического пояса сравни- тельно велика. Над регионами Экваториального пояса (являющихся в основном океаническими) убыль озона при взаимодействии с метаном существенно меньше, чем над Северным и Южным субтропическими поясами. В таблице 3 приведена зависимость параметра (Х) -значимости метана как фактора разрушения озона на разных высотах над различными климатическими зонами планеты . Таблица 3. Значимость метана как фактора разрушения озона над различными климатическими зонами планеты (Х). Климатический пояс 20км 25км 30км 35км 40км 45км 50 км Арктический 0.022 0.021 0.037 0.014 0.002 0.001 0.001 Субарктический 0.230 0.231 0.380 0.167 0.014 0.014 0.010 Умеренный С 0.334 0.335 0.549 0.241 0.035 0.020 0.014 Субтропический С 0.300 0.301 0.427 0.195 0.031 0.019 0.012 Тропический С 0.265 0.265 0.399 0.165 0.026 0.017 0.010 Субэкваториальный С 0.187 0.190 0.281 0.117 0.020 0.013 0.007 Экваториальный 0.061 0.060 0.093 0.039 0.006 0.004 0.002 Субэкваториальный Ю 0.184 0.182 0.286 0.119 0.019 0.011 0.007 Климатический пояс 20км 25км 30км 35км 40км 45км 50 км Тропический Ю 0.127 0.127 0.192 0.089 0.014 0.009 0.006 Субтропический Ю 0.120 0.120 0.189 0.082 0.013 0.008 0.005 Умеренный Ю 0.096 0.079 0.185 0.051 0.012 0.006 0.003 Субантарктический 0.039 0.041 0.058 0.023 0.004 0.003 0.002 Антарктический 0.018 0.021 0.031 0.012 0.002 0.001 0.001 Как видно из таблицы 3 значимость метана как фактора разрушения озона существенно зависит как от высоты слоя стратосферы над земной поверхностью, так и от климатического пояса над которым развива- ется это явление. Проблемы материальной культуры – ГЕОГРАФИЧЕСКИЕ НАУКИ 17 Абсолютного максимума значимость метана достигает над всеми климатическими поясами на высоте 30 км. На меридианальном разрезе наиболее высока значимость этого фактора над Северным умеренным климатическим поясом. Поскольку над ним на высотах до 30 км в результате взаимодействия с метаном разрушается более трети всего разрушающегося здесь озона (а на высоте 30 км -более половины) представ- ляется очевидным, что поступление метана является одним из главных факторов динамики соответствую- щего сегмента озонового слоя. Интересными особенностями рассматриваемых зависимостей являются весьма низкая значимость влияния метана на разрушение озонового слоя над Экваториальным, а также Арктическим, Субарктиче- ским, Субантарктическим, и Антарктическим климатическими поясами. Этот результат соответствует представлениям о том, что основными источниками метана являются наземные биологические (производи- тельности которых в океанических регионах, а также регионах с холодным климатом, в том числе Арктике и Антарктиде, сравнительно невелики). Он свидетельствует также о том, что над указанными регионами разрушение озонового слоя обусловлено влиянием хлорного или азотного циклов. Обсуждение полученных результатов Так как продуктивность популяций метановых бактерий – основных биологических производителей метана, существенно зависит от температуры окружающей среды, представляется установленным , что на динамику разрушения озонового слоя над Северным умеренным, Северным субтропическим, Северным тропическим, а также Северным и Южным субэкваториальными климатическими поясами существенное влияние способен оказывать парниковый эффект. Усиление парникового эффекта повышает температуру среды обитания метановых бактерий и количе- ство производимого ими метана. Последнее не только вызывает дальнейшее усиление парникового эффек- та, но и усиливает разрушение озонового слоя над указанными климатическими поясами. Поэтому даль- нейшее увеличение потока метана в тропосферу представляет значительную опасность. В последние годы выявлено[21] некоторое снижение суммарного потока метана в тропосферу, которое пока убедительных объяснений не нашло. Полученные результаты позволяют предполагать, что причиной этого явления может служить снижение общего содержания озона в стратосфере над климатическими поя- сами, где значимым фактором динамики озонового слоя является метан. Известно, что уменьшение общего содержания озона всего на 1% приводит к увеличению почти на 2 % потока биологически активных коротковолновых составляющих солнечной радиации, достигающих земной поверхности. Упомянутые составляющие угнетающе действуют на любых микроорганизмов, в том числе и на метановых бактерий, что снижает их продуктивность. Последнее позволяет предполагать, что к числу факторов, обуславливающих наблюдаемые в последние десятилетия изменения глобального климата может относиться и указанный природный процесс, регулирующий интенсивность парникового эффекта. В ре- зультате его действия динамика озонового слоя над упомянутыми выше климатическими поясами планеты, а также изменения природных выбросов метана с их поверхности процессами могут являться причинно связанными и взаимообусловленными. Справедливость этой гипотезы нуждается в последующих подтвер- ждениях. Выводы Таким образом установлено, что значимость метана как фактора разрушения озона в том или ином слое стратосферы существенно зависит как от его высоты над земной поверхностью, так и от климатического пояса над которым этот процесс наблюдается. Метан относится к числу главных факторов разрушения озонового слоя над Северным умеренным, Се- верным субтропическим, Северным тропическим, а также Северным и Южным субэкваториальным клима- тическими поясами. Наиболее существенным его влияние является на высотах менее 35 км (с максимумом на 30 км). В разрушении озонового слоя над Антарктидой и другими регионами планеты относящимися к Ан- тарктическому, Субантарктическому , Арктическому , Субарктическому и Экавториальному климатиче- ским поясам роль метана является менее значимой , а определяющими являются иные процессы (предпо- ложительно – реакции хлорного (а быть может и азотного ) циклов). Источники и литература 1. Физическая география материков и океанов. Учебник для географических специальностей университе- тов/ Ю.Г. Ермаков, Г.М. Игнатьев, Л.И.Куракова и др. Под общей редакцией А. М. Рябчикова – М. «Высшая школа», 1988 г., -592 с. 2. Гущин Г.П., Виноградова Н.Н. Суммарный озон в атмосфере. Л. «Гидрометеоиздат». 1983 г., -235с. 3. Logan J.A., Megretskaia I.A., Miller A.J., Tiao G.C., Chol D., Zhang L., Stolarski R.S., Loboro G.I., Hol- landsworth S.M., Bodeker G.F., Claude H., De Muer D., Kerr J.B., Tarasick D.W., Ottmans S.J., Johnson B., Schmidlin F., Staenelin J., Vcatte P., Urhino O.J. Trends in the vertical distribution of ozone: A comparison of two analyses of ozonesonde data. Geophys. Res. D. 1999. Vol. 104. N 21. P.26.373-26.399. (?). – РЖ, 2001 г., ¹ 8. 4. The ozone shield under closesurveillance. RID into: Magazine for Evropean Research. 2000.N 26. P. 30-33. – РЖ, 2001 г., № 11. 5. Озоновые дыры исчезают без помощи человека. Химия и жизнь -XXI век. 2001. ¹ 6. С. 4. 6. Newcherch M.J., Bushon Land, Cunnold Derek, Flynn LawrenceE., Godin Sophie, Frith Stacey Hollands- worrth, Hood Lon, Miller Alvin J., Oltmans Sam, Randel William, Reinsel Gregory, Stolarshi Richard, Wang Черкашина Н.И., Холопцев А.В. О РОЛИ МЕТАНА В ПРОЦЕССАХ РАЗРУШЕНИЯ СТРАТОСФЕРНОГО ОЗОНА НАД РАЗЛИЧНЫМИ КЛИМАТИЧЕСКИМИ ПОЯСАМИ СЕВЕРНОГО И ЮЖНОГО ПОЛУШАРИЙ ЗЕМЛИ 18 Ray, Yang Fun-Su, Zowodny Joseph M. Upper-stratospheric ozon trends 1979-1998. J. Geophys. Res. D. 2000. Vol.105. N 11. P.14625-14636. - РЖ за 2001 г., № 9. 7. Перов С.П., Хргиан А.Х. Современные проблемы атмосферного озона.-Л. «Гидрометеоиздат». 1980 г., - 287с. 8. Molina M.J. , Rowland F.S., Stratospheric sing for clorofluoromethanes; clorine atom catalysed destruction of ozone// Nature.-1974.-vol. 249,-p.810. 9. Иванов А. Введение в океанографию. Пер с французского Е. А. Плахина и Е. М. Шифриной. Под ред. Ю.Е. Очаковского и К.С.Шифрина. М.: «Мир», 1978 г. 574с. 10. Иванов-Холодный Г.С., Цусинов А.А. Коротковолновое излучение Солнца и его воздействие на верх- нюю атмосферу и ионосферу. В сб. «Исследование космического пространства». т.26 (Итоги науки и техники. ВИНИТИ), М. , 1987, с.80-154. 11. Иванов Е. В. Физика солнечной активности, 1983, М. «Наука» 160 стр. 12. Сывороткин В. Л. Глубинная дегазация Земли и глобальные катастрофы. М.: ООО «Геоинформцентр». 2002 г. 249с. 13. P. Bousquet, P. Ciais, J. B. Miller, E. J. Dlugokencky, D. A. Hauglustaine, C. Prigent, G. R. Van der Werf, P. Peylin, E.-G. Brunke, C. Carouge, R. L. Langenfelds, J. Lathière, F. Papa, M. Ramonet, M. Schmidt, L. P. Steele, S. C. Tyler and J. White. Contribution of anthropogenic and natural sources to atmospheric meth- ane variability // Nature. 2006. V. 443. P. 439-443 14. M.A.K. Khalil, R.A. Rasmunssen . Sources, Sinks and Seasonal Cycles of Atmospheric Methane. J. Geophis. Res. 88. 1983, 5131-5144 p. 15. P. Warneck . Chapter 4: Chemistry of the Troposphere the Methane Oxidation Cycle. Chemistry of the Natural Atmosphere, Sun-Diego Academic Press, 131-175, 1988. 16. Е. Н. Лукашова Основные закономерности природной зональности и ее провление на суше Земли. Вес- тник Московского университета. №6-1966 г., с 11-25. 17. Физико- географический атлас Мира// Гл. ред. С. И. Шуров. –М.: Изд-во ГУК СССР, 1967.- 298с. 18. C. J. Howard , R. Ravishankara NOAA Environmental Research Laboratory// Chemical Kinetics and Photo- chemical Data for Use in Stratospheric Modeling.- Number 12.-1997.р262-266. 19. G. Neumann, W.J. Pierson, Jr Principles of Physical Oceanography, Prentice –Hall, Inc. 1966. 20. D. L. Baulch, R. A. Cox Summary of Evaluated Kinetic and Photochemical Data for Atmospheric Chemistry, Inc. 2000.р4-48. 21. Jos Lelieyeld. Climate change: A nasty surprise in the greenhouse//Nature. 2006. v.443. p405-406.

О роли метана в процессах разрушения стратосферного озона над различными климатическими поясами Северного и Южного полушарий Земли

Репозитарії

Схожі ресурси