авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 ||

Исследование фотохимических процессов в мезосфере земли с помощью базовых динамических моделей

-- [ Страница 3 ] --

Четвертая глава посвящена развитию, на примере БДМ МФХС, методов применения базовых динамических моделей для восстановления по экспериментальным данным вертикальных распределений характеристик атмосферы, не измеряемых непосредственно, и применению этих методов для восстановления вертикальных распределений концентраций химических компонент мезосферы по результатам одновременных измерений распределений озона и гидроксила.

В § 4.1 изложены результаты применения блока алгебраических уравнений БДМ МФХС для обработки данных кампании CRISTA-MAHRSI. Во время проведения второй спутниковой кампании CRISTA – MAHRSI в период с 8 по 16 августа 1997 года были произведены одновременные измерения вертикальных распределений температуры, концентрации воздуха и двух химических компонент МФХС - OH и O3 - в широком диапазоне широт, высот и локальных значений времен [13-14]. Как уже отмечалось в первой главе (§ 1.5), этой информации оказывается достаточно, чтобы, используя уравнения для быстрых переменных БДМ МФХС, определять вертикальные распределения концентрации H, O, HOx и HO2. В данном параграфе в качестве примера представлена восстановленная дневная эволюция вертикального распределения концентраций этих компонент на 60-630N, 355-3600N.

В § 4.2 описана процедура восстановления вертикального распределения концентрации паров воды H2O(z), основанная на использовании системы дифференциальных уравнений БДМ МФХС. Данная процедура является итерационной. Исходной информацией для ее запуска являются две пары распределений {Oin(z), HOxin(z)} и {Oend(z), HOxend(z)}, которые предварительно восстановлены из данных CRISTA-MAHRSI, измеренных в течение одного светового дня (в моменты локального времени tin < 10 ч и tend > 12 ч) и отвечающих близким значениям горизонтальных координат (долготы и широты). Конечная цель процедуры восстановления H2O(z) заключается в отыскании такого профиля данного параметра МФХС, при котором распределения динамических переменных O(z) и HOx(z), получаемые в результате расчета конечно-временной эволюции БДМ с начальными условиями Oin(z) и HOxin(z) в момент времени tend оказываются максимально близки распределениям Oend(z) и HOxend(z). Предложенный подход протестирован на многочисленных модельных примерах с помощью полной модели МФХС. Данная модель выступала в роли «поставщика» предполагаемых экспериментальных данных. Показано, что восстановленные распределения концентрации паров воды хорошо воспроизводят исходные модельные («правильные») распределения как качественно, так и количественно вплоть до высот 85-87 км.

В § 4.3 изложены результаты применения указанной процедуры к данным CRISTA-MAHRSI. В этом параграфе представлены 4 профиля H2O(z), полученные из данных, измеренных 13.08.1997 и 15.08.1997 на (60-630N, 355-3600W), (63-650N, 225-2300W), (69-710N, 60-650W) и (66-680N, 141-1480W), и проведено их сравнение с данными спутниковых измерений HALOE. Отмечено, во-первых, что наличие двух максимумов в восстановленных распределениях H2O(z) на 73 и 81 км, как качественно, так и количественно хорошо соответствует результатам измерений HALOE. Во-вторых, ниже примерно 65-70 км восстановленные значения концентрации H2O оказываются заметно меньше, чем данные HALOE. Проведен анализ возможных причин данного несоответствия и на основании его результатов сделан вывод, что на этих высотах используемые для восстановления H2O(z) данные спутниковых измерений концентрации OH (MARHSI) занижены относительно их реальных значений.

В § 4.4 проведен критический анализ метода восстановления концентрации H2O по данным CRISTA-MAHRSI, предложенного в работе [15]. Данный метод основан на предположении о фотохимическом равновесии между концентрациями H2O и OH, которое, по мнению авторов [15], является хорошим приближением для описания соотношения между этими компонентами вплоть до высоты 86 км. В последующей работе [16] тот же подход был применен для восстановления пространственного распределения концентрации H2O на широтах 50-710N и анализа корреляций между возникновением полярных мезосферных облаков и степенью насыщенности воздуха водяными парами на высотах 80-86 км. В результате такого анализа было, в частности, получено, что полярные мезосферные облака могут существовать в условиях, когда восстановленные авторами работ [16] концентрации H2O были заметно меньше, чем концентрации насыщенного водяного пара.

В данном параграфе показано, что условие фотохимического равновесия между концентрациями H2O и OH является плохим приближением для восстановления концентрации H2O выше 75-80 км. Это означает, что весьма вероятной причиной полученных в работе [16] неожиданных результатов (возникновение полярных мезосферных облаков в ненасыщенном водой воздухе) может быть применение некорректного (для этих высот) метода восстановления концентрации H2O.

В § 4.5 данные кампании CRISTA–MAHRSI сравниваются с полученной в результате аналитического анализа алгебраических уравнений БДМ МФХС функциональной связью концентраций OH и O3. Показано, что в мезосфере и нижней термосфере справедливо предельное соотношение между значениями концентраций OH и O3, зависящее от высоты. Установлено, что данные CRISTA-MAHRSI удовлетворяют этому соотношению вплоть до высоты 87 км, а в вышележащей области имеется существенное расхождение между теорией и экспериментом.

В заключении приводятся положения, выносимые на защиту, дается список публикаций по теме диссертации и перечень цитируемой литературы.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Воздействие квазидвухсуточной атмосферной волны на двухсуточные фотохимические осцилляции в области мезопаузы приводит к формированию регулярного в горизонтальном направлении распределения концентраций МГС в верхней мезосфере с зональным волновым числом, близким к волновому числу атмосферной волны. Основным механизмом такого воздействия является периодический перенос малых газовых составляющих вертикальной компонентой скорости ветра в волне, приводящий к захвату фазы фотохимических осцилляций фазой осцилляций ветра в волне. Данный эффект является пороговым по амплитуде волны, причем в условиях мезопаузы пороговые значения амплитуды оказываются заметно меньше максимальных их зарегистрированных значений.

2. В атмосфере Земли может возбуждаться новый тип волн, представляющих собой фронты или импульсы фазы нелинейных фотохимических осцилляций концентраций малых газовых составляющих, распространяющихся вдоль широтного круга в области мезопаузы. Возникновение волн обусловлено особыми нелинейными свойствами мезосферной фотохимии и имеющим место в этой области атмосферы высоким уровнем волновой турбулентности. В случае осцилляций с периодами двое и четверо суток скорость распространения данных волн прямо пропорциональна величинам коэффициента горизонтальной турбулентной диффузии и градиента зональной неоднородности фазы суточных вариаций освещенности.

3. В реальных атмосферных условиях могут наблюдаться сложные нелинейные режимы поведения концентраций малых газовых составляющих верхней мезосферы (мультипериодические и хаотические осцилляции). Тип возникающих осцилляций существенно зависит от постоянной компоненты вертикального ветра, которая модифицирует нелинейно-динамические свойства мезосферной фотохимической системы и, в зависимости от величины и направления его скорости, может приводить как к подавлению нелинейных осцилляций концентраций малых газовых составляющих верхней мезосферы, так и к обогащению спектра режимов их поведения.

4. Базовая динамическая модель мезосферной фотохимической системы является эффективным инструментом для извлечения дополнительной информации о малых газовых составляющих мезосферы из доступных экспериментальных данных и позволяет значительно увеличить информативность результатов наблюдений. Применение данной модели к результатам одновременных измерений концентраций озона и гидроксила, проведенных в рамках спутниковых экспериментов CRISTA-MAHRSI, делает возможным восстановление вертикальных распределений концентраций еще четырех ключевых химических компонент мезосферы - атомарных кислорода и водорода, а также гидропероксида и паров воды.

5. В мезосфере и нижней термосфере справедливо предельное соотношение между значениями концентраций OH и O3, зависящее от высоты. Данные CRISTA-MAHRSI удовлетворяют этому соотношению вплоть до высоты 87 км, а в вышележащей области имеется существенное расхождение между теорией и экспериментом.

Список цитированной литературы

  1. Feigin A.M. and Konovalov I.B. On the possibility of complicated dynamic behavior of atmospheric photochemical systems: Instability of the Antarctic photochemistry during the ozone hole formation // J. Geophys. Res. 101, P. 26.023-26.038, 1996.
  2. Feigin A.M., Konovalov I.B., Molkov Ya.I. Towards understanding nonlinear nature of atmospheric photochemistry: Essential dynamic model of the mesospheric photochemical system // J. Geophys. Res., 103, 25447-25460, 1998.
  3. Konovalov I.B., Feigin A.M., Mukhina A.Y. Toward an understanding of the nonlinear nature of atmospheric photochemistry: Multiple equilibrium states in the high-latitude lower stratospheric photochemical system // J. Geophys. Res, 104, 8669-8689, 1999.
  4. Konovalov I.B., Feigin A.M. Towards an understanding of the non-linear nature of atmospheric photochemistry: origin of the complicated dynamic behavior of the mesospheric photochemical system // Nonlinear Processes in Geophysics, 7, 87-104, 2000.
  5. Фейгин А.М. Нелинейные динаимческие модели атмосферных фотохимических систем: методы построения и анализа (обзор) // Известия РАН. ФАО, 38, 513-554, 2002.
  6. Sonnemann G. and Fichtelmann B. Enforced oscillations and resonances due to internal non-linear processes of photochemical system in the atmosphere // Acta. Geod. Geophys. Mont. Hung., 22, 301–311, 1987.
  7. Fichtelmann B., Sonnemann G. Non-linear behaviour in the photochemistry of minor constituents in the upper mesosphere // Ann. Geophys. 10, 719-728, 1992.
  8. Sonnemann G. and Fichtelmann B. Subharmonics, cascades of period of doubling and chaotic behavior of photochemistry of the mesopause region // J. Geophys. Res., 101, 1193-1203, 1997.
  9. Sonnemann G., Feigin A.M., Molkov Ya.I. On the influence of diffusion upon the nonlinear behaviour of the photochemistry of the mesopause region // J. Geophys. Res., 104, 30591-30603, 1999.
  10. Sonnemann G., Feigin A.M. Non-linear behaviour of a reaction-diffusion system of the photochemistry within the mesopause region // Phys. Rev. E 59, 1719-1726, 1999.
  11. Sonnemann G., Feigin A.M. Non-linear response of the upper mesospheric photochemical system under action of diffusion // Adv. Space Res. 24, 557-560, 1999.
  12. Lubken F.J. Seasonal variation of turbulent energy dissipation rates at high latitudes as determined by in situ measurements of neutral density fluctuations // J. Geophys. Res. 102(D), 13441-13456, 1997.
  13. Grossmann K.U., Offermann D., Gusev O., Oberheide J., Riese M., Spang R. The CRISTA-2 mission // J. Geophys. Res. 2002. V. 107. art. no.-8173.
  14. Conway R.R., Summers M.E., Stevens M.H., Cardon J.G., Preusse P., Offermann D. Satellite observations of upper stratospheric and mesospheric OH: The HOx dilemma // Geophys. Res. Lett. 2000. V. 27. P. 2613-2616.
  15. Summers M.E., Conway R.R., Englert C.R., Siskind D.E., Stevens M.H., Russell J.M., Gordley L.L., McHugh M.J. Discovery of a water vapor layer in the Arctic summer mesosphere: Implications for polar mesospheric clouds // Geoph. Res. Lett. 2001. V. 28. P. 3601-3604.
  16. Stevens M.H., Conway R.R., Englert C.R., Summers M.E., Grossmann K.U., Gusev O.A. PMCs and the water frost point in the Arctic summer mesosphere // Geoph. Res. Lett. 2001. V. 28. P. 4449-4452.

Список публикаций автора по теме диссертации

  1. Куликов М.Ю., Фейгин А.М., Зоннеманн Г.Р. Восстановление по экспериментальным данным пространственно-временных зависимостей концентраций малых газовых составляющих, не измеряемых непосредственно // Труды 7-ой Всероссийской конференции "Малые примеси, атмосферное электричество и динамические процессы в атмосфере", Нижний Новгород, стр. 103-111, 2003.
  2. Куликов М.Ю. Влияние квазидвухсуточной атмосферной волны на пространственно – временную эволюцию малых газовых составляющих в районе мезопаузы // Труды 7-ой Всероссийской конференции "Малые примеси, атмосферное электричество и динамические процессы в атмосфере", Нижний Новгород, стр. 112-119, 2003.
  3. Куликов М.Ю., Фейгин А.М. Исследование динамических и фотохимических процессов в мезосфере – нижней термосфере // Труды совещания по программе фундаментальных исследований ОФН РАН "Физика атмосферы: электрические процессы, радиофизические методы исследований", стр. 30-32, 2003.
  4. Куликов М.Ю., Фейгин А.М. Реакционно-диффузионные волны в мезосферной фотохимической системе с учетом горизонтальной турбулентной диффузии // Тезисы 9-ой Всероссийской школы-семинара "Волны – 2004", Москва, 40, 2004.
  5. Куликов М.Ю., Фейгин А.М., Зоннеманн Г.Р. Определение вертикального распределения паров воды в мезосфере по одновременным измерениям распределений озона и гидроксила // Сборник тезисов 8-ой Всероссийской конференции молодых ученых «Состав атмосферы и электрические процессы», Москва, 39, 2004.
  6. Куликов М.Ю. Формирование когерентных пространственных структур в реакционно-диффузионной атмосферной системе под действием планетарной волны // Известия ВУЗов: Радиофизика, том 47, № 9, 739-752, 2004.
  7. Kulikov M.Yu., Feigin A.M., Sonnemann G.R. Retrieval of water vapor profile in the mesosphere from satellite ozone and hydroxyl measurements by the basic dynamic model of mesospheric photochemical system // Abstracts of 35th COSPAR Scientific Assembly, Paris, France, 18 - 25 July 2004. Paper-number: C2.1-0077-04.
  8. Куликов М.Ю., Фейгин А.М. Реакционно-диффузионные волны в мезосферной фотохимической системе с учетом горизонтальной турбулентной диффузии // Известия РАН. Серия физическая, том 68, № 12, 1796-1803, 2004.
  9. Kulikov M.Yu., Feigin A.M. Reactive-diffusion waves in the Earth’s mesosphere // EGU-2005, Vienna, 24-29 April 2005. Geophysical Research Abstracts, Vol. 7, P. 00720, 2005.
  10. Куликов М.Ю., Фейгин А.М., Рыскин В.Г. Исследование динамических и фотохимических процессов в мезосфере – нижней термосфере // Труды совещания по программе фундаментальных исследований ОФН РАН "Физика атмосферы: электрические процессы, радиофизические методы исследований", стр. 69-75, 2005.
  11. Kulikov M.Yu., Feigin A.M. Reactive-diffusion waves in the mesospheric photochemical system // Journal of Advanced Space Research, 35(11), 1992-1998, 2005.
  12. Kulikov M.Yu. The formation of spatially coherent structures in the reactive-diffusion atmospheric system by the planetary wave // Proceedings of International Symposium "Topical problems of nonlinear wave physics", 2-9 August, 2005, St.-Peterburg - Niznhy Novgorod, Plenary Talks, Workshops, 38-39, 2005.
  13. Kulikov M.Yu., Feigin A.M. Possible manifestation of chemical nonlinearity in the Earth’s atmosphere: reactive-diffusion waves in mesopause region // Proceedings of International Symposium "Topical problems of nonlinear wave physics", 2-9 August, 2005, St.-Peterburg-Niznhy Novgorod, NWP-3, 40-41, 2005.
  14. Kulikov M.Yu. Theoretical investigation of the influence of a quasi 2-day wave on nonlinear photochemical oscillations in the mesopause region // Препринт ИПФРАН № 696, 2006, 32 стр.
  15. Куликов М.Ю., Фейгин А.М., Зоннеманн Г.Р. Восстановление вертикальных распределений концентраций химических компонент мезосферы по результатам одновременных измерений распределений озона и гидроксила // Препринт ИПФ РАН № 699, 2006, 31 стр.
  16. Куликов М.Ю., Фейгин А.М. О корректности применения условия фотохимического равновесия концентрации гидроксила в мезосфере для восстановления распределения концентрации паров воды по данным спутниковых измерений озона и гидроксила // Тезисы докладов 10-ой Всероссийской конференции молодых ученых «Состав атмосферы и электрические процессы», Москва, 54, 2006.
  17. Фейгин А.М., Куликов М.Ю. Нелинейные динамические процессы в мезосфере: новые эффекты и возможности их регистрации // Тезисы докладов 10-ой Всероссийской конференции молодых ученых «Состав атмосферы и электрические процессы», Москва, 50, 2006.
  18. Куликов М.Ю., Фейгин А.М., Зоннеманн Г.Р. Восстановление вертикальных распределений концентраций химических компонент мезосферы по результатам одновременных измерений распределений озона и гидроксила // Известия ВУЗов: Радиофизика, том 49, № 9, 760-769, 2006.
  19. Куликов М.Ю., Гаштури А.П. Влияние вертикальной адвекции на нелинейно-динамические свойства фотохимии верхней мезосферы // Известия ВУЗов: Радиофизика, том 49, № 12, 1043-1050, 2006.
  20. Kulikov M.Yu. Theoretical investigation of the influence of a quasi 2-day wave on nonlinear photochemical oscillations in the mesopause region // Journal of Geophysical Research, 112, D02305, doi: 10.1029/2005JD006845, 2007.

Оглавление диссертации

Введение……………………………………………………………………... 3

  1. Мезосферная фотохимическая система, ее нелинейно-динамические свойства и базовая динамическая модель…………………………... 14
    1. Описание МФХС…………………………………………………. 14
    2. Нелинейно-динамические свойства МФХС

на высотах области мезопаузы…………………………………... 16

    1. Свойства субгармонических осцилляций

в районе мезопаузы………………………………………………. 21

    1. Метод построения базовых динамических моделей

атмосферных ФХС и описание БДМ МФХС …………………... 23

    1. Анализ корректности системы алгебраических

уравнений БДМ МФХС…………………………………………...28

  1. Воздействие квазидвухсуточной атмосферной волны

на фотохимические осцилляции с периодом двое суток…………... 31

    1. Квазидвухсуточная атмосферная волна………………………… 31
    2. Качественный анализ влияния КДВ на двухсуточные

осцилляции: выделение основных механизмов………………… 32

    1. Описание используемой модели………………………………… 37
    2. Влияние периодического вертикального переноса…………….. 40
    3. Влияние горизонтального переноса……………………………... 49
    4. О возможной роли фотохимических осцилляций

с периодом двое суток в механизме усиления летних КДВ…… 56

  1. Влияние вертикальной адвекции и горизонтальной турбулентной

диффузии на субгармонические режимы поведения

мезосферной фотохимической системы……………………………... 59

    1. Описание используемых моделей…………………………...…... 59
    2. Влияние вертикальной адвекции………………………………... 61
    3. Реакционно-диффузионные волны……………………………… 68
    4. Скорости реакционно-диффузионных волн……………………. 72
    5. Особенности механизма возникновения

реакционно-диффузионных волн в мезосферной

фотохимической системе………………………………………… 74

  1. Восстановление вертикальных распределений

концентраций химических компонент мезосферы по результатам

одновременных измерений распределений озона и гидроксила…. 79

    1. Восстановление концентраций H, HO2, HOx и O

из данных кампании CRISTA – MAHRSI………………………. 79

    1. Процедура восстановления концентрации паров воды………... 81
    2. Восстановление H2O(z) по данным CRISTA–MAHRSI………... 88
    3. О корректности применения условий фотохимического

равновесия концентрации гидроксила для восстановления

распределения концентрации паров воды…………………...…. 93

    1. Несоответствие теоретических представлений результатам

измерений на высотах выше 87 км……………………………… 101

    1. Приложение 1……………………………………………………... 104

Заключение………………………………………………………………….. 105

Список работ по теме диссертации………………………………………. 107

Список цитированной литературы………………………………………. 110



Pages:     | 1 | 2 ||
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.