Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2023, T. 509, № 1, стр. 120-124

Полярные озоновые аномалии формируются в период с конца зимы по весну внутри устойчивых крупномасштабных циклонов, стратосферных полярных вихрей, в результате протекания комплекса гетерогенных и фотохимических реакций с участием резервуаров хлора (хлороводорода и хлорнитрата) и полярных стратосферных облаков в качестве “поверхностей” для гетерогенных реакций [1–4]. Масштабы и интенсивность разрушения озона при формировании озоновой аномалии определяются устойчивостью полярного вихря в этот период и в предшествующие зимние месяцы [5, 6]. Полярные вихри ежегодно формируются в осенний период над зимним полушарием вследствие увеличения стратосферного меридионального температурного градиента и, как правило, разрушаются весной при уменьшении температурного градиента (арктический полярный вихрь эпизодически разрушается в конце зимы) [7, 8]. При этом обоснованным с точки зрения законов термодинамики является зимний пик интенсивности полярного вихря, обусловленный понижением температуры в полярной области во время полярной ночи [9]. В Южном полушарии, под влиянием сезонного хода температуры нижней субтропической стратосферы (в значительной степени определяющей стратосферный меридиональный температурный градиент), пик интенсивности полярного вихря, как правило, наблюдается в сентябре, одновременно с максимумом в температурном ходе в субтропиках [9]. Однако в последние 30 лет наблюдается выраженная тенденция смещения устойчивости антарктического полярного вихря в поздневесенний и раннелетний период, что приводит к удлинению периода существования антарктической озоновой дыры.

В работе для анализа динамики антарктического полярного вихря и площади озоновой дыры использовались ежечасные данные реанализа ERA5 [10] с горизонтальным разрешением 0.25° × × 0.25°: скорость зонального и меридионального ветра, геопотенциал и массовое отношение смеси озона на уровне 50 гПа, а также среднесуточные спутниковые данные NASA Goddard Space Flight Center (GSFC, http://ozonewatch.gsfc.nasa.gov) о площади озоновой дыры (область со значениями общего содержания озона ниже 220 ед. Д.) для региона 40°–90° ю.ш. за период с 1992 по 2021 г. Использовался метод оконтуривания вихря с помощью значений геопотенциала, определенных по максимальному градиенту температуры и максимальной скорости ветра [11, 12]. Геопотенциал зависит только от давления и температуры [13] и, таким образом, хорошо описывает динамику полярного вихря, поскольку внутри последнего наблюдается существенное понижение температуры и давления, а за его пределами – повышение. Кроме того, геопотенциал не претерпевает значительных сезонных изменений в период существования вихря и, соответственно, хорошо подходит для определения границ полярного вихря. По границе вихря наблюдается максимальный градиент температуры и, как правило, максимальные значения скорости ветра. Среднее значение геопотенциала Ф* в районе максимального градиента температуры по границе антарктического полярного вихря на уровне 50 гПа составляет Ф* = (19.30 ± 0.17) × 10⁴ м²/с² [11, 12]. Площадь вихря, средняя скорость ветра по границе вихря и среднее массовое отношение смеси озона внутри вихря рассчитывались, основываясь на том, что граница антарктического полярного вихря на уровне 50 гПа определяется значениями геопотенциала 19.3 × 10⁴ м²/с².

На рис. 1 приведены межгодовые изменения площади антарктического полярного вихря, средней скорости ветра по границе вихря и площади антарктической озоновой дыры, усредненные за 1–15 и 16–31 октября, 1–15 и 16–30 ноября, а также 1–15 декабря за последние 30 лет (1992–2021 гг.). На рис. 1 также приведены соответствующие каждому временному периоду линейные тренды и характеризующие их коэффициенты детерминации R² (чем ближе значение R² к 1, тем выше уровень значимости трендов). Из рассмотрения были исключены аномальные данные за 2002 и 2019 г., когда наблюдалось раннее разрушение вихря (в конце октября), сопровождающееся расщеплением в первом случае и сильным смещением во втором (регистрировались главное и минорное внезапные стратосферные потепления) [14, 15]. Антарктическая озоновая аномалия, как правило, существует с августа по ноябрь, достигая максимальных значений в сентябре–октябре. В октябре и первой половине ноября тренды изменений рассматриваемых характеристик не значимы (R² < 0.1, рис. 1). Во второй половине ноября и, особенно, в декабре данные более разряжены, вследствие эпизодически происходящего более раннего разрушения вихря, и имеют выраженный положительный тренд. На всех графиках рис. 1 выделены значения за 2006, 2015 и 2020 г., когда наблюдались наиболее масштабные озоновые аномалии [16, 17]. Между изменениями характеристик в 2006, 2015 и 2020 г. также прослеживается тенденция к поздневесеннему усилению полярного вихря, протекающему с увеличением площади озоновой дыры в поздневесенний и раннелетний период (рис. 1).

Рис. 1.

Временные изменения площади антарктического полярного вихря и средней скорости ветра по границе вихря на уровне 50 гПа, а также площади антарктической озоновой дыры в среднем за периоды 1–15 октября, 16–31 октября, 1–15 ноября, 16–30 ноября и 1–15 декабря с 1992 по 2021 г.

Для детального рассмотрения динамики антарктического полярного вихря в годы с наиболее масштабными озоновыми аномалиями на рис. 2 и 3 представлены изменения характеристик вихря и озоновой аномалии с июля по декабрь 2006, 2015 и 2020 г. На рис. 2 приведены внутригодовые изменения площади антарктического полярного вихря, средней скорости ветра по границе вихря и площади антарктической озоновой дыры в 2006, 2015 и 2020 г. по сравнению с 30-летними средними изменениями этих характеристик со среднеквадратичными отклонениями (СКО, ±1 σ). Максимальная площадь озоновой дыры в 2006 г. наблюдалась в сентябре, в 2015 г. – в октябре, в то время как в 2020 г. регистрировались рекордные значения площади озоновой дыры с середины ноября по декабрь за период с 1979 по 2021 г. Значительное увеличение площади антарктического полярного вихря в поздневесенний и раннелетний период также прослеживается в 2015 и 2020 г., в то время как в 2006 г. максимальная площадь вихря наблюдалась в августе (рис. 2). Кроме того, в 2020 г. наблюдалось необычное увеличение средней скорости ветра по границе вихря в течение всего периода существования полярного вихря. Фактически в динамике исследуемых характеристик на рис. 1 и в годы с наиболее сильным вихрем на рис. 2 прослеживается удлинение периода устойчивости антарктического полярного вихря в поздневесенний и раннелетний период (в 2006 г. пик интенсивности вихря наблюдался в сентябре, в 2015 г. – в октябре, в то время как в 2020 г. аномальная интенсивность регистрировалась в ноябре и декабре). Как отражение такой тенденции в 2020 г. антарктический полярный вихрь существовал до последней недели декабря, что является беспрецедентным фактом.

Рис. 2.

Внутригодовой ход площади антарктического полярного вихря, средней скорости ветра по границе вихря на уровне 50 гПа и площади антарктической озоновой дыры с июля по декабрь 2006, 2015 и 2020 г. на фоне средних значений за период с 1992 по 2021 г. с СКО (±1 σ).

Рис. 3.

Поля геопотенциала, скорости ветра и массового отношения смеси озона на уровне 50 гПа над Антарктикой в период с июля по декабрь 2006, 2015 и 2020 г.

Одной из динамических характеристик полярного вихря является наличие динамического барьера [12]. На рис. 3 приведены поля геопотенциала, скорости ветра и массового отношения смеси озона за 1-е и 15-е число с июля по декабрь 2006, 2015 и 2020 г., отражающие динамику полярного вихря в рассматриваемые годы. На полях геопотенциала соединены линией значения 19.3 × 10⁴ м²/с², характеризующие (согласно методу оконтуривания вихря) границы антарктического полярного вихря, а на полях скорости ветра – значения 20 м/с, отражающие наличие динамического барьера. Во все рассматриваемые годы наблюдался очень сильный полярный вихрь с глубоким разрушением озона в весенний период. В 2006 г. полярный вихрь был наиболее симметричным и масштабным в сентябре, в то время как с октября наблюдались его вытягивание и постепенное ослабление. В 2015 г. увеличилась устойчивость вихря в период с октября по ноябрь. В свою очередь в 2020 г. прослеживается увеличение устойчивости вихря в поздневесенний и раннелетний период, с начала ноября. На полях за 15 декабря 2020 г. (в отличие от 2006 и 2015 г.) полярный вихрь по-прежнему прослеживается и характеризуется наличием динамического барьера.

Таким образом, в работе с использованием метода оконтуривания вихрей показана тенденция удлинения периода устойчивости антарктического полярного вихря в нижней стратосфере в поздневесенний и раннелетний период, наблюдающаяся в течение последних 30 лет. Это проявляется как в динамике основных характеристик полярного вихря (площади вихря и средней скорости ветра по границе вихря), так и в площади антарктической озоновой дыры. Показано, что тенденция поздневесеннего усиления полярного вихря прослеживается и в годы с наиболее сильным вихрем: 2006, 2015 и 2020 г., отражаясь в увеличении площади озоновой дыры. В 2020 г. наблюдались аномально высокие значения средней скорости ветра по границе вихря в течение всего периода его существования и аномально высокие значения площади вихря с середины ноября. Антарктический полярный вихрь в 2020 г. существовал до последней недели декабря, что является беспрецедентным случаем. Тенденция удлинения периода устойчивости полярного вихря в нижней стратосфере отражается в динамике вихря в средней и верхней стратосфере несмотря на то, что ослабление вихря на этих высотах происходит раньше. Увеличение устойчивости антарктического полярного вихря в нижней стратосфере в поздневесенний период может происходить в условиях повышения температуры нижней субтропической стратосферы, как это наблюдалось в 1987, 1998, 1999, 2001, 2006, 2011 и 2015 г. [18].