Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 495, № 2, стр. 36-40

Истощение стратосферного озона над Арктикой в зимне-весенний период 2020 г. рассмотрено в работах [1, 2]. Оно описано как аномальное атмосферное явление в стратосфере над Арктикой, сопоставимое с антарктическими озоновыми дырами [1]. Согласно данным прибора Microwave Limb Sounder (MLS), установленного на спутнике Aura, содержание озона в Арктике весной 2020 г. было рекордно низким, причем каталитический цикл разрушения озона начался раньше, чем когда-либо за весь период наблюдений [2].

Напомним, что стратосферные полярные вихри представляют собой сезонные крупномасштабные циклоны, существующие с осени по весну [3–5]. Внутри вихря в стратосфере при экстремально низких температурах (ниже ‒78°С) формируются полярные стратосферные облака (ПСО), на поверхности и в объеме которых протекают гетерогенные реакции с высвобождением молекулярного хлора. При появлении солнечного излучения над полярным регионом молекулярный хлор фотодиссоциирует с образованием радикалов хлора, вступающих в каталитический цикл разрушения озона [6, 7]. При этом степень истощения стратосферного озона над полярной областью зависит от устойчивости полярного вихря в период с конца зимы по весну [8, 9]. Антарктические озоновые аномалии, как правило, формируются ежегодно и устойчиво существуют около четырех месяцев, с августа по ноябрь. В отличие от них, арктические озоновые аномалии образуются в среднем раз в три года и наблюдаются в период с января по апрель продолжительностью от нескольких дней до двух месяцев [9]. Лишь единственный раз за период наблюдений с 1979 по 2020 г. разрушение озона над Арктикой происходило в течение неполных четырех месяцев, с января по апрель 2020 г., что по продолжительности сопоставимо с антарктической озоновой дырой.

Для анализа динамики основных параметров этой озоновой аномалии мы использовали новый метод, позволяющий определить площадь арктического полярного вихря, скорость ветра у границы вихря, среднюю температуру и среднее массовое отношение смеси озона внутри вихря, основываясь на том, что граница арктического полярного вихря в нижней стратосфере на уровне 50 гПа (∼20 км) определяется значениями геопотенциала ∼19.5 × 10⁴ м²/с² [10]. Расчеты проводились на этой высоте с января 1979 г. по май 2020 г. (для временных периодов, когда полярный вихрь существовал) с использованием данных реанализа ERA5 [11], являющегося пятым поколением реанализов European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) и отличающегося высоким пространственным и временным разрешением. Скорость ветра определялась как квадратный корень из суммы квадратов значений зонального и меридионального ветра в каждой точке сетки по границе вихря. Поведение исследуемых параметров в зимне-весенний период 2020 г. сравнивалось с 42-летним климатическим средним за 1979–2020 гг., а так же динамикой этих параметров в 1997 и 2011 г., когда наблюдались наиболее крупные арктические озоновые аномалии за период с 1979 по 2019 г. [12].

Результаты расчетов представлены на рис. 1 и 2. На рис. 1 приведена динамика исследуемых параметров в зимне-весенний период с января по апрель 1997, 2011 и 2020 г. в сравнении с климатическими средними значениями. На рис. 2 изображены поля геопотенциала, скорости ветра и массового отношения смеси озона на уровне 50 гПа над Арктикой с 1 февраля по 25 апреля 1997, 2011 и 2020 г. с шагом ∼5 дней, по данным реанализа ERA5. Границы полярного вихря, характеризуемые значениями геопотенциала ∼19.5 × 10⁴ м²/с², выделены на рис. 2 контуром. На рис. 2 видно, что полярные вихри в 1997 и 2020 г. большую часть времени характеризовались значительной симметрией относительно полюса в отличие от вихря 2011 г.

Рис. 1.

Временной ход площади арктического полярного вихря, средней скорости ветра у границы полярного вихря, средней температуры внутри полярного вихря и среднего массового отношения смеси озона внутри полярного вихря на уровне 50 гПа с января по апрель 1997, 2011 и 2020 г. на фоне средних значений за 1979‒2020 г. со среднеквадратичными отклонениями (±1 σ).

Рис. 2.

Поля геопотенциала, скорости ветра и массового отношения смеси озона на уровне 50 гПа над Арктикой для выборочных дат в период с февраля по апрель 1997, 2011 и 2020 г.

В 2020 г. наблюдалось аномальное усиление полярного вихря в марте, при достаточно высоких скоростях в январе, феврале и апреле. В табл. 1 приведены значения средней скорости ветра у границы полярного вихря на уровне 50 гПа (ν) за период с января по апрель, а также среднее и максимальное значения за март. В 2020 г. регистрировалась максимальная за 42 года спутниковых наблюдений скорость ветра у границы полярного вихря в марте, а также в среднем за март, и в целом за период с января по апрель (табл. 1). В 1997 и 2011 г. скорость ветра у границы вихря была в целом ниже на 11.2 и 18.6% соответственно. В течение всех трех лет наблюдалось аномальное понижение температуры внутри вихря (рис. 1), способствующее формированию частиц ПСО и последующему протеканию реакций разрушения озона. В табл. 1 приведены значения среднего массового отношения смеси озона внутри вихря на уровне 50 гПа (ω) в среднем за период с января по апрель, а также среднее и минимальное значения за март. В 2020 г. регистрировались минимальные значения массового отношения смеси озона за весь период наблюдений в Арктике, с абсолютным минимумом, зарегистрированным в марте (табл. 1; рис. 1, 2), который был на 30% ниже предшествующего экстремума, наблюдавшегося в 2011 г. В 1997 г. полярный вихрь характеризовался большей площадью и более высокой скоростью по границе, чем в 2011 г., тем не менее, истощение озона в 2011 г. оказалось более глубоким, чем в 1997 г. (рис. 1, 2; табл. 1). В 2011 г. разрушение полярного вихря произошло в середине апреля, в 2020 г. – наблюдалось во второй половине апреля, а в 1997 г. – только к концу апреля (рис. 1, 2).

Таким образом, в данной работе с использованием нового метода представлены численные оценки скорости ветра по границе полярного вихря и массового отношения смеси озона внутри вихря на уровне 50 гПа, на основе данных реанализа ERA5. Граница арктического полярного вихря в нижней стратосфере определялась значениями геопотенциала ∼19.5 × 10⁴ м²/с². Это позволило более точно оконтурить арктические вихри, характеризующиеся большой изменчивостью. Степень истощения озона над полярной областью в значительной степени определяется динамикой стратосферного полярного вихря. Показано, что в 2020 г. в нижней стратосфере над Арктикой наблюдалось аномальное усиление арктического полярного вихря, превысившее предшествующий экстремум, зарегистрированный в 1997 г., на 5 м/с в среднем с января по апрель, а массовое отношение смеси озона в нижней стратосфере достигло беспрецедентно низких значений, на 30% ниже предшествующего экстремума, зарегистрированного в 2011 г. При этом озоновая аномалия 2020 г. по продолжительности (около четырех месяцев) вплотную приблизилась к антарктическим озоновым дырам.