Известия РАН. Физика атмосферы и океана, 2022, T. 58, № 5, стр. 601-614

1. ПРЕДЫСТОРИЯ ВОПРОСА

Проблема охлаждения и оседания средней и верхней атмосферы возникла в конце ХХ столетия, и интенсивно обсуждается до сего дня. Первые свидетельства ее актуальности были получены в ходе изучения пространственной структуры ионосферного поглощения радиоволн, которое контролируется электронной концентрацией (Ne) в области D ионосферы. В свою очередь, она зависит от содержания атомарного кислорода и окиси азота на высотах 80–95 км. Эксперименты проводились в период пребывания НИС “Академик Курчатов| в Индийском океане с 20.03 по 26.06.1976. Они показали, что в течение всего периода нахождения НИС в акватории Персидского залива (21.05–6.06) величина поглощения в утренние часы была аномально низка, вплоть до нулевых значений при зенитном угле Солнца χ ≥ 70° и повышалась до нормальных, фоновых значений только к полудню – рис. 1. Эффект объяснялся нахождением НИС в зоне интенсивной нефтедобычи и непрерывных выбросов в атмосферу больших масс поллютантов [1].

Рис. 1.

На левой панели показаны величины поглощения L (в дБ) на частоте 2.8 МГц за период проведения измерений на НИС. Жирным точкам соответствуют L при дополуденных зенитных углах Солнца χ = 50°, 60° и 70°, пустым кружочкам – L в полдень. На правой панели показаны значения Ne при χ = 60°: 1 – фоновые (полученные вне зоны Залива), 2 – аномальные. Кривая 3 соответствует ночным значениям Ne.

Первый прогноз реакции средней и верхней атмосферы на гипотетическое двукратное увеличение или уменьшение содержания СО₂ был представлен в модели [2]. Согласно ей, подобные гипотетические колебания [СО₂] приводили к отклонениям содержания О₂, О и N₂ от фоновых значений на ±20–50%, выше 90 км. Однако моделирование реакции ионосферы на столь сильные вариации содержания СО₂, привел к выводу, что вариации ее ключевых характеристик – критических частот слоев foE (h = 90–130 км) и foF2 (h = = 200–400 км) не должны были превышать погрешности измерений, и быть заметными только в высотах максимумов (hm) этих слоев: hmE должна была понизиться на 2,5 км, а hmF2 – на 17 км [3].

Экспериментальная проверка этих оценок, осуществленная на базе данных станций вертикального зондирования ионосферы (ВЗ) в Юлиусру, Пуатье и Слау за период с 1957 по 1990 гг. [4], подтвердила выводы [3]. Она не выявила каких-либо заметных изменений в частотах foE и foF2, не связанных с циклическими вариациями солнечной активности и с геомагнитной возмущенностью. Не обнаружила она и заметных изменений в параметре hmE, но засвидетельствовала понижение высоты hmF2 на ~8 км за 34 года мониторинга. Принимая во внимание, что за тот же период наблюдений концентрация СО₂ в атмосфере возросла лишь с 316 до 360 ppm, полученный вывод как будто подтвердил прогноз [2, 3].

Подход, предпринятый к изучению многолетних вариаций foE и foF2 на ст. Москва, не связанных с циклическими вариациями солнечной активности и с геомагнитной возмущенностью, напротив, обнаружил, что, во-первых, величины трендов в 3–5 раз превышают погрешности измерений, во-вторых, знак тренда foF2 меняется с сезоном: в период летнего солнцестояния он отрицателен, в равноденствие – положителен. В трендах foE никаких сезонных особенностей замечено не было [5].

Противоречия между выводами данной работы и результатами, предсказанными в работе [3], указывали на существование антропогенных факторов, не учтенных в работе [2], но влияющих на состояние ионосферы гораздо заметнее, нежели колебания [СО₂]. Проверка этого предположения была предпринята в работе [6]. Сравнивались многолетние тренды foE станций Москва (λ = 37.5° Е), Свердловск (λ = 58.6° Е), Томск (λ = 84.9° Е), Алма-Ата (λ = 76.9° Е) и уровни многолетних индустриальных загрязнений приземных слоев воздуха в четырех регионах бывшего СССР: Европейская зона (λ = 30–50° Е), Урал (λ = 50–70° Е), Западная Сибирь (λ = 70–100° Е), Средняя Азия (λ = 50–80° Е) [7]. Была выявлена четкая корреляция между величинами трендов δfoE на указанных станциях и техногенным загрязнением природной среды в соответствующих им регионах – рис. 2.

Рис. 2.

Среднегодовые многолетние изменения f_oE: I – Москва, II – Свердловск, III – Томск, IV – Алма-Ата и суммарный выброс в атмосферу поллютантов в отдельных регионах:  1 – Европейская зона, 2 – Урал,  3 –Западная Сибирь, 4 – Средняя Азия [7].

В работе [8] обсуждались каналы аэрономии, которые могли способствовать многолетнему росту foE в Москве. Было высказано предположение, что он, вероятнее всего, явился следствием падения [О₂] на ~60% на высотах 110–120 км над Восточноевропейским регионом в период с 1945 по 1993 гг. А в работах [9, 10] впервые было заявлено о том, что климат верхней атмосферы и ионосферы действительно подвержен изменениям, связанным, в том числе, с антропогенной деятельностью.

Возникший интерес к данной проблематике среди отечественных и зарубежных специалистов инициировал первое Международное рабочее совещание “Охлаждение и оседание средней и верхней атмосферы. Москва, 1998 г.”, посвященное обсуждению имевшихся у специалистов результатов длительных рядов наблюдений. Среди них особый интерес вызвали данные ракетных измерений температуры страто-мезосферы (Е.В. Лысенко); оценок трендов температуры мезопаузы и термосферы по эмиссиям гидроксила (R.P. Lowe), гидроксила и атомного кислорода (А.И. Семенов); радиофизическим методам (J. Taubenheim et al), (A. Ebel, U. Berger) и (Г.В. Гивишвили, Л.Н. Лещенко); трендам характеристик ветрового режима нижней термосферы (Ю.И. Портнягин и Е.Г. Мерзляков); оценок тренда общего содержания озона (Е.С. Казимировский и др) и высоты нижней ионосферы (Я. Лаштовичка): электронной концентрации в области D (А.Д. Данилов и Н.В. Смирнова), в слое F1 (Л.А. Щепкин и др.) и в слое F2 (А.В. Михайлов).

В выводах совещания подчеркивалось, что представленные результаты измерений свидетельствовали о существенных неизвестных ранее глобальных изменениях характеристик средней и верхней атмосферы, которые не были отражены ни в одной из известных эмпирических моделей (MSIS-90, CIRA-86, IRI-95) и не находили на тот момент адекватного объяснения [11]. Проблемы, озвученные в ходе Совещания, были столь неожиданны, что вызвали определенный скепсис в их достоверности у некоторой части исследователей.

Скептики посчитали концепцию “охлаждения и оседания средней и верхней атмосферы” ошибочной на том основании, что: а) данные по температурам в мезосфере, полученные из наблюдений атмосферных эмиссий и ракетных пусков, были признаны сильно завышенными; б) интерпретация трендов foE, якобы, была ложной, хотя сам знак тренда был указан правильно! Это дало основание [12] сформулировать альтернативную, “правильную” концепцию “охлаждения и оседания средней и верхней атмосферы”, которая без изменения названия стала “признанной мировой научной литературой” [13].

Однако, в конечном счете выяснилось, что выводы о трендах температуры в мезосфере, полученные ранее, верны. Результаты радиометрических измерений на спутнике TIMED за период 2002–2012 гг. показали, что отрицательный тренд температуры мезосферы составляет 3 К за десятилетие [14]. Ракетные измерения температуры для периода 1964–1988 гг. в средних и низких широтах свидетельствовали об отрицательном тренде температуры в пределах 6.5–3.5 К за декаду [15]. Всего лишь двукратная или даже меньшая разница в результатах может быть объяснима как несовпадением по времени между двумя циклами измерений, так и различием методик. Так или иначе, она не критична и не принципиальна.

Что же касается объяснения тренда foE, до сих пор прежнее заключение [8] о том, что долговременный рост foE, обусловлен резким падением содержания молекулярного кислорода на высотах, превышающих уровень турбопаузы (104–106 км), не было опровергнуто. Расширение временного окна измерений методом ВЗ в Москве до 74 лет и развитие нового метода интерпретации данных [16], основанного на совместном анализе спутниковых измерений потока рентгеновского излучения во время вспышек на Солнце и данных ВЗ, позволили подтвердить высказанную гипотезу о ключевой роли [О₂] в трендах характеристик слоя Е ионосферы.

Таким образом, вывод обзора, посвященного результатам последнего (10-го) симпозиума по данной проблеме, констатировал следующее: “…проблема (и очень серьезная) заключается в том, что все расчеты в указанных (теоретических) моделях сделаны для случая удвоения количества СО₂ в атмосфере. Но на сегодня рост СО₂, как уже указывалось выше, не достиг еще и 30%. А, следовательно, никакого количественного согласия нет – оседание атмосферы (в данном случае – уменьшение плотности) идет гораздо быстрее, чем дают “классические” модели. Это – первая из самых больших проблем всей ситуации с долговременными трендами в термосфере” [17]. Таким образом, во-первых все проводившиеся измерения нейтральных и заряженных компонент средней и верхней атмосферы в течение всего периода изучения проблемы повторяли, корректировали либо уточняли выявленные ранее знаки и величины трендов [11], а во-вторых проблема причины возникновения трендов далека от своего решения.

2. РЕАКЦИЯ foE НА СОЛНЕЧНЫЕ ВСПЫШКИ

2.1. Технология оценки реакции foE на вспышки

В качестве примера, поясняющего указанный метод оценки воздействия вспышки на foЕ рассмотрим событие, зарегистрированное на ст. Москва 26.10.2014 г. в ~11:00 UT. В данном случае интенсивность потока рентгеновского излучения в максимальной фазе вспышки возросла относительно фонового уровня на 2 порядка величины от 2 × 10^–6 до 2 × 10^–4 Вт м^–2. – рис. 3а. Реакция D- и Е-областей ионосферы показана на рис. 3б.

Рис. 3.

Пример воздействия рентгеновской солнечной вспышки на E-слой ионосферы 26 октября 2014 г.: а – вариации потока рентгеновского излучения в диапазоне 1–8 Å (J_1–8); б – суточный ход foE по данным ст. Москва: заполненные кружочки – в день вспышки; пустые кружочки – в спокойных условиях. Ромбики – минимальная частота отражений fmin.

Баланс ионизации в слое E описывается уравнением:

(1)

$dNe{\text{/}}dt = q--\alpha N{{e}^{2}},$

(2)

$Ne = 1.24 \times {{10}^{4}}{{(foE)}^{2}},$

где α – эффективный коэффициент рекомбинации электронов, q – скорость ионообразования. Ионизация в слое E происходит, главным образом, благодаря солнечной радиации в двух спектральных диапазонах: ультрафиолетовом (977–1037 Å) и рентгеновском (8–165 Å), так что q = q_u + + q_х , где индексы “u” и “х” означают ультрафиолетовое и рентгеновское излучение, соответственно. Рентгеновское излучение ионизирует все газовые компоненты верхней атмосферы, включая – N₂, О₂ и О. Тем не менее, в невозмущенных условиях оно обеспечивает только 10–20% от общей ионизации слоя [16]. И основная роль в генезисе нормального слоя Е принадлежит ультрафиолетовой радиации, взаимодействующей только с О₂. При этом:

(3)

${{q}_{х}}{\text{/}}{{q}_{u}} = ({{q}_{х}}{\text{/}}q){\text{/}}(1 - {{q}_{х}}{\text{/}}q),$

(4)

${{q}_{х}}{\text{/}}q = {{\left\{ {{{{\left[ {fo{{E}^{{\text{В}}}}{\text{/}}foE} \right]}}^{4}}--1} \right\}} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left\{ {{{{\left[ {fo{{E}^{{\text{В}}}}{\text{/}}foE} \right]}}^{4}}--1} \right\}} {\left\{ {{{{\left[ {J_{{1 - 8}}^{{\text{В}}}{\text{/}}{{J}_{{1 - 8}}}} \right]}}^{{0.25}}}--1} \right\}}}} \right. \kern-0em} {\left\{ {{{{\left[ {J_{{1 - 8}}^{{\text{В}}}{\text{/}}{{J}_{{1 - 8}}}} \right]}}^{{0.25}}}--1} \right\}}},$

где foE соответствует невозмущенным условиям, foE^В – моменту вспышки, $J_{{1 - 8}}^{{\text{В}}}$ и J_1–8 интенсивности рентгеновского излучения в диапазоне 1–8 Å во время вспышки и в спокойных условиях. (Так как q_х/q_u ≈ q_х/q, соотношение скоростей ионизации рентгеновским и ультрафиолетовым излучением в дальнейшем будет отображаться в виде либо q_х/q_u, либо q_х/q).

Поскольку ультрафиолетовое излучение взаимодействует только с молекулярным кислородом, а рентгеновское – со всеми нейтральными компонентами атмосферы, отношение q_x/q или (q_х/q_u) характеризует газовый состав атмосферы на высотах слоя Е в момент вспышки, фиксируя его нормальный для тех или иных гелиогеофизических условий фон. Следовательно, располагая длительными рядами наблюдений q_х/q, можно судить не только о сезонных вариациях газового состава нижней термосферы, но также о его циклических и долговременных изменениях.

2.3. Зависимость q_x/q от солнечной активности

На рис. 4 показаны результаты оценок параметра q_x/q в Москве (1969–2015 гг.) и Японии (1969–1994 гг.), рассчитанные по формуле (4). Из него видно, что, во-первых, в обоих регионах абсолютные значения отношения q_x/q близки друг другу. Во-вторых, общей особенностью в них является очевидная зависимость от солнечной активности (СА), которую можно выразить формулой:

(5)

${{q}_{x}}{\text{/}}q = {{({{q}_{x}}{\text{/}}q)}_{0}} + \delta {{{\text{F}}}_{{10.7}}},$

где (q_x/q)₀ относится к началу того или иного солнечного цикла, δ – коэффициент линейной зависимости q_x/q от F_10.7. При этом начальные значения q_x/q для каждого цикла СА – (q_x/q)₀ возрастают от цикла к циклу в обоих регионах. Этот факт указывает на наличие дополнительного фактора, помимо СА, влияющего на отношение (q_x/q)₀.

Рис. 4.

Динамика изменений (q_x/q)₀: Москва (темные кружочки), Япония (светлые).

2.4. Зависимость q_x/q от сезона

Для анализа зависимости q_x/q от сезона их среднемесячные значения приводились к среднему уровню солнечной активности для всех случаев регистрации вспышек. Так как вспышечные явления редко наблюдаются в периоды низкой солнечной активности (рис. 3), этот уровень соответствовал F_10.7 = 170. Анализ показал, что сезонные вариации (q_x/q)₁₇₀ как в Москве, так и в Японии не только близки друг другу, но, и это главное, они невелики – рис. 5. Исключение составляет аномально низкое значение (q_x/q)₁₇₀ в январе для Москвы. Это отклонение, вероятно, объясняется малым количеством регистрации вспышек, обусловленным особенностями развития зимнего слоя Е на широтах Москвы.

Рис. 5.

Сезонные вариации отношения (q_x/q)₁₇₀: в Москве – темные кружочки, в Японии – светлые треугольники.

2.5. Широтная и долготная зависимости q_x/q

Чтобы исключить возможное влияние циклических вариаций на широтно-долготную структуру распределения параметра q_x/q, рассматривались данные измерений, соответствующие максимальной фазе одного цикла солнечной активности. Наиболее оптимальный в этом смысле период пришелся на четырехлетие (1979–1982 гг. со средним значением F_10.7 = 208). Усредненные за 4 года наблюдений значения q_x/q на всех пунктах измерений показаны на рис. 6. Из него можно видеть, что тенденция к росту q_x/q с ростом широты выражена столь слабо, что не выходит за пределы ±4.2%.

Рис. 6.

Широтный ход экспериментальных значений q_x/q, усредненных по данным Москвы и Японии в период весеннего равноденствия – темные треугольники. Светлые кружочки – широтная зависимость величины 0.1η, определенного для высот 105–115 км 15 марта 1981 г. и координат станций из табл. 1 по модели MSIS [18].

Так как на солнечное излучение в линиях 977 Å и 1026 Å реагирует исключительно О₂, скорость ионизации q_u, обусловленная этим источником, так или иначе зависит от его концентрации, и q_u пропорционально (∞) [О₂]. В то же время q_x ∞ ∞ {[N₂] + [О₂] + [О]}, поскольку рентгеновское излучение взаимодействует со всеми атмосферными компонентами. Следовательно, q_х/q_u ≈ ≈ q_x/q ∞ η ={[N₂] + [О₂] + [О]}/[О₂], и таким образом q_x/q ∞ η. Отношение η для тех или иных гелиогеофизических условий находится из эмпирических моделей атмосферы, подобных, в частности, модели MSIS [18].

Согласно модели MSIS [18] широтный ход величины 0.1 η в пределах указанных границ также мало заметен. Следовательно, нет причин ожидать обнаружения каких-либо заметных особенностей и в пространственном распределении параметра η. Кроме того, как эмпирические q_x/q, так и модельные значения 0.1η не обнаруживают и значимых долготных эффектов. Для регионов, отстоящих друг от друга на 8 часовых поясов, многолетние вариации отношения (q_x/q)₁₇₀ практически одинаковы.

2.6. Общая оценка многолетнего тренда q_x/q

Так как отношение q_x/q лишь в малой степени зависит от сезона, а также от координат пункта наблюдения, но коррелирует с солнечной активностью и возрастает от цикла к циклу СА, общую динамику многолетней изменчивости среднегодовых значений q_x/q можно описать выражением, определенным по данным наблюдений в период с 1969 по 1994 гг. формулами – для Москвы:

(6)

${{({{q}_{x}}{\text{/}}q)}_{{\text{М}}}}(t) = 0.068 \times {\text{Год}} + 0.0012{{{\text{F}}}_{{10.7}}} - 13.343,$

и для Японии:

(7)

${{({{q}_{x}}{\text{/}}q)}_{{\text{Я}}}}(t) = 0.0076 \times {\text{Год}} + 0.0012{{{\text{F}}}_{{10.7}}} - 14.934,$

где “Год” отсчитывается с 1969.

На рис. 7 (а, б) представлены временные вариации экспериментальных (среднегодовых) отношений (q_x/q)_Э, и их расчетные оценки (q_x/q)_Р, найденные по формулам (6, 7). Как можно видеть из рис. 7б, в Японии имело почти полное совпадение значений (q_x/q)_Э и (q_x/q)_Р. В Москве после 2003 г. расхождение между экспериментальными и расчетными значениями q_x/q было довольно велико. Это может объясняться двумя причинами. Во-первых, заметным снижением солнечной активности и крайне редкими случаями наблюдений вспышек. Во-вторых, возможным изменением спектра ионизирующего излучения Солнца, сопровождающим общее падение его активности, наблюдающееся в 23 и 24 циклах. Так или иначе, вопрос остается открытым.

Рис. 7.

Экспериментальные значения q_x/q (светлые фигуры), расчетные (темные фигуры), найденные по формулам (6,7): а – для Москвы, б – для Японии. Сплошные кривые – общие для обоих регионов, рассчитана по формуле (6). Сплошные прямые — линейные тренды экспериментальных значений (q_x/q)_Э в обоих регионах.

Сходство значений (q_x/q)_Р, определенных по среднегодовым значениям F_10.7 для Москвы и Японии позволяет представить обобщенную формулу многолетнего тренда q_x/q, характеризующего общую динамику изменчивости этого параметра. В пределах средних широт северного полушария она принимает вид:

(8)

${{q}_{x}}{\text{/}}q(t) = 0.0072 \times {\text{Год}} + 0.0012{{{\text{F}}}_{{10.7}}} - 14.139.$

3. ПОДТВЕРЖДЕНИЕ ВЫВОДА О РЕЗКОМ ПАДЕНИИ СОДЕРЖАНИЯ О₂ В НИЖНЕЙ ТЕРМОСФЕРЕ, ПРОИСХОДЯЩИМ В ПОСЛЕДНИЕ ДЕСЯТИЛЕТИЯ

Результаты расширения временного диапазона измерений и включения в них данных высоты максимума слоя Е (фактически – действующей высоты h'E), представлены на рис. 8 среднегодовыми значениями h'E и (foE)₁₂₃, приведенными к среднему за весь рассматриваемый период значению F_10.7 = 123. (Разрывы в данных h'E обусловлены не только техническими причинами, но также условиями их архивации. Для удобства сопоставления вариаций h'E и (foE)₁₂₃, последние также показаны фрагментарно).

Рис. 8.

Межгодовые вариации среднегодовых значений (foE)₁₂₃ и h'E, а также их линейные тренды для трех временных периодов и в целом для всего периода наблюдений 1946–2017 гг.

Из него можно видеть, что в целом за 74 лет наблюдений линейный тренд среднегодовой частоты (foE)₁₂₃ был положителен, но мал, составив +1.13 × 10^–3 МГц/год. В конечном счете это привело к увеличению (foE)₁₂₃ не более, чем на 0.1 МГц. Тогда как понижение h'E (соответственно hmE) составило 3.5 км.

Чтобы уточнить реальную скорость убыли кислорода в верхней атмосфере, необходимо уточнить механизмы, формирующие высотный профиль электронной концентрации. В квазиравновесных условиях, в течение 2–4 часов вблизи локального полудня из уравнения (1) следует:

Спутниковые измерения потоков рентгеновского излучения начались в 1969 г. За период с 1969 г. по 2017 гг. частота (foE)₁₂₃ выросла с 3.12 до 3.21 МГц, а h'E понизилась на ~3.5 км: с 108.5 до 105.0 км. Это равнозначно понижению hmE с 116.5 км до 113 км. Данные о динамике Nе, (foE)₁₂₃ и hmE за этот временной интервал приведены в табл. 1 (столбцы 1 и 2).

Для расчетов Nе и, соответственно, foE, hmE из выражения (9) необходимо рассчитать высотные профили скорости ионообразования q для основных ионизируемых компонент – N₂, O₂ и O. Расчеты производились по формулам:

Сведения об интенсивности потоков ионизирующего излучения J_u и J_x [см^–2 с^–1], а также о соответствующих сечениях ионизации и поглощения взяты из [19, 20]. Согласно данным лабораторных измерений [21] эффективная скорость потерь электронов α в реакциях рекомбинации с ионами NO⁺ и ${\text{O}}_{2}^{ + }$, преобладающими на высотах области E определяется уравнениями:

Для согласования расчетных значений (foE)₁₂₃, NmE, hmE, q и (q_x/q)₁₇₀ для 1969 г. с экспериментальными (столбец 1), мы вынуждены были искусственно повысить интенсивность потоков излучения в линии 977 Å в 3 раза, а в линии 1026 Å в 2 раза. С учетом этого обстоятельства и согласно модели MSIS, результаты расчетов по формулам (9–14) представлены в столбце 3. Однако получить приемлемое согласование результатов расчетов с экспериментальными данными для 2017 года (столбец 2) не удавалось до тех пор, пока содержание О₂ из модели MSIS не было уменьшено на высоте 110 км в 2.1 раз – [O₂]₁ и в 3.9 раз – [O₂]₂ (столбец 4). Только в этом случае высота максимума слоя опустилась на требуемые 3.5 км. Высотные профили [O₂], использованные в расчетах, представлены на рис. 9.

Рис. 9.

Варианты высотных профилей [O₂]: [O₂]₀ – из модели MSIS, [O₂]₁ – уменьшенная на высоте 110 км в 2.1 раза, [O₂]₂ – в 3.9 раза.

Почти двукратный рост qx/q, произошедший за 45 лет наблюдений, не может не быть связан с существенным изменением структуры основных газовых составляющих нижней термосферы. И, прежде всего, с более, чем двукратным падением концентрации О₂ вблизи высоты максимума слоя Е. Таким образом, привлечение данных рентгеновского излучения во время вспышечных явлений к данным вертикального зондирования подтвердил прежний вывод о доминантной роли [О₂] в многолетних трендах слоя Е [8].

4. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

Со времени 1-го Симпозиума в рамках КОСП-АР, посвященного трендам (Прага, 2001), до настоящего времени акцент делается на том, что охлаждение и оседание средней и верхней атмосферы объясняется увеличением в атмосферном газе количества СО₂ вследствие роста добычи углеродосодержащего водородного топлива и его переноса из тропосферы механизмом турбулентного перемешивания. Вывод этот мог бы показаться тривиальным, если бы не одно большое возражение. Общепринятая концепция основана на гипотезе о двукратном увеличении содержания СО₂ в атмосфере [2], которая прогнозирует весьма слабые отклики в нейтральной средней и верхней атмосфере и ионосфере. Между тем, за последние примерно 30 лет рост количества СО₂ едва достиг 25–30%, тогда как реальные тренды в атмосфере и ионосфере на порядки величины превышают их прогностические оценки. Кроме того, в явлении многолетних трендов выявилось множество новых, нерешенных проблем, возникших в ходе их исследования. Решения некоторых из них даются ниже.

Вопрос 1: каков источник резкого уменьшения [О₂] вблизи максимума слоя Е?

Ответ: по данным (https://ru-ecology.info/term/ 20061/) в настоящее время “ежегодно в мире сжигается более 9 млрд т условного топлива, что приводит к выбросу в окружающую среду более 20 млрд т диоксида углерода (СО₂) и более 700 млн т других соединений”. В результате реакции полного сгорания топлива, которое описывается уравнением:

Ни один существующий прибор или датчик не обладает чувствительностью, способной обнаружить подобные изменения содержания кислорода до тех пор, пока в атмосфере происходит полное перемешивание газовых составляющих. Ситуация меняется лишь на высотах: а) превышающих уровень турбопаузы (104–107 км), б) где плотность атмосферы на 6–7 порядков ниже приземной. Поэтому только метод ВЗ в совокупности с данными спутниковой регистрации потоков рентгеновского излучения способен, как выясняется, контролировать многолетнюю динамику изменчивости содержания О₂ в атмосфере в целом.

Вопрос 2: почему столь сильное уменьшение [О₂] не подтверждается спутниковыми данными измерений состава и оценками интенсивности атмосферных эмиссий?

Ответ: дело в том, что высоты, на которых фиксируют свечение атмосферы в полосах Герцберга (молекулярный кислород) и зеленой линии (атомарный кислород), а также гидроксила, происходит на высотах 80–95 км [22]. Диапазон высот, на которых спутники регистрируют содержание СО₂, составляет 90–105 км [23, 24]. Иначе говоря, все “маркеры”, по которым можно судить о долговременных изменениях состава атмосферы, находятся в зоне интенсивного турбулентного перемешивания. Кроме того, на этих высотах концентрация ОН на 5, а СО₂ – на 3 порядка величины ниже [О₂]. Поэтому относительные изменения в процентах, регистрируемые при их мониторинге, оказываются гораздо более ощутимы, чем молекулярного кислорода при примерно равных абсолютных величинах роста [ОН], [СО₂] и убыли [О₂] (уравнение 15). А среднее многолетнее содержание атомарного кислорода на высотах 90–110 км в течение периода с 1955 по 1995 гг. мало изменялось, в основном за счет опускания нижней границы слоя на ~3 км за 40 лет [25].

Вопрос 3: когда и в связи с чем техногенная деятельность оказалась “спусковым крючком” для возникновения трендов в ионосфере?

Ответ: в работе [26] рассматривались долготные эффекты трендов foE, и была выявлена бросающаяся в глаза особенность, радикально отличающая периоды до и после 1957–58 гг. На рис. 10 представлены среднегодовые значения (foE)₁₂₃, приведенные к F = 123 для станций Слау, Москва, Свердловск, Томск, а также их линейные тренды для вышеотмеченных периодов.

Рис. 10.

Среднегодовые значения (foE)₁₂₃ по данным станций ВЗ, а также суммарные годовые запуски спутников (https://ru.wikipedia.org/wiki/Список_космических_запусков) и наземно-атмосферные ядерные испытания, осуществленные в мире (Gallery of U.S. Nuclear Tests; https://ria.ru/20130212/922464642.html).

Представление об изменении характера трендов (foE)₁₂₃ на них, перекрывающих долготный диапазон в ~85°, дает табл. 2. Из нее можно видеть, что до 1957 г. падение (foE)₁₂₃ на различных станциях происходило синхронно, его темп был велик, значим (R² = 0.441–0.644) и почти одинаков (линейная скорость варьировала в пределах 0.012–0.017 МГц/год). Совершенно иной характер приобрели долговременные изменения (foE)₁₂₃ после 1958 г. Во-первых, тренд изменил знак на положительный, во-вторых, его скорость упала на один – два порядка величины и стала незначимой. В Слау тренд практически исчез.

Кроме того, как можно видеть из табл. 3, коэффициент корреляции между трендами (foE)₁₂₃ на станциях, отстоящих друг от друга до 6.5 тыс. км по долготе, до 1957 г. не опускался ниже ~0.7. После 1958 г. заметная корреляция между изменениями (foE)₁₂₃ осталась лишь для сравнительно близко расположенных пар станций: Слау–Москва и Свердловск–Томск. (Необъяснимое исключение составляет пара Москва–Томск). Таким образом, данные измерений показывают, что до 1957 г. тренд (foE)₁₂₃ определялся глобальным фактором, после 1958 г. стали преобладать локальные источники тренда.

На изменение знака тренда критических частот foE и foF2 в 50-х годах прошлого столетия первыми обратили внимание авторы [27]. На основе анализа данных ВЗ шести среднеширотных станций мира с 1933 по 1973 гг. они высказали предположение, что солнечную активность, контролирующую foE и foF2, характеризуют не только числа солнечных пятен (Rz) или индекс F_10.7, но и радиация, которая определяется эффективной площадью флоккул (facular area). Учет влияния излучения от флоккул (А_F) оценивался авторами регрессионным уравнением вида:

Возможно, данное соотношение справедливо, поскольку, как видно из табл. 2, уменьшение (foE)₁₂₃ носило если не глобальный, то определенно – региональный характер. Тем не менее, данное выражение удовлетворительно описывало зависимость foE от параметра А_F лишь до 1957–58 гг., как можно судить по данным не только Слау, но и других, рассмотренных выше станций (рис. 10, табл. 2). В 1958 г. произошла смена знака: с отрицательного тренда на положительный. О радикальном изменении характера трендов свидетельствуют и данные табл. 4, в которой представлены коэффициенты связи между вариациями излучения от флоккулов и (foE)₁₂₃ на всех рассмотренных станциях в трех временных окнах.

Что могло так резко изменить характер тренда (foE)₁₂₃ с переменой его знака практически во всем Евразиатском регионе? Вероятный ключ к разгадке связан с тем фактом, что 1957–1958 гг. дали старт массовым наземно-воздушным испытаниям ядерных вооружений, а также стремительному росту запусков баллистических ракет и спутников – рис. 10. Особенно впечатляют временные совпадения между пиками ядерных испытаний и динамикой (foE)₁₂₃. Первый пик испытаний 1958 г. сопровождался изменением знака тренда (foE)₁₂₃, а в 1962 гг. совпали оба пика, как ядерных испытаний, так и тренда (foE)₁₂₃. Сомнительно, чтобы такие синхронизированные параллели были случайны. Более вероятно, что внезапные массированные возмущения тропосферы и стратосферы, вызванные частыми ядерными испытаниями и запусками ракетно-космической техники, сыграли роль катализатора возмущений в средней и верхней атмосфере и ионосфере.

На то, что вектор возмущений направлен снизу вверх, указывают следующие факты. Большинство ракет, доставляющих те или иные изделия на космические орбиты, оснащены жидкостными двигателями. В качестве топлива они используют, как правило, керосин, гидразин и аммиак, а также кислород с фтором в качестве окислителей. В процессе старта каждая ракета выбрасывает в нижние слои атмосферы тонны O₂, H₂, C₂, N₂, F₂. Заметная их доля затем достигает высот термосферы. Вместе с тем, как при наземных, так и при воздушных ядерных испытаниях в атмосферу инжектируются массы радиоактивных аэрозолей и изотопов десятков различных элементов. А ударная волна, распространяясь на сотни и тысячи километров по горизонтали, также способствует скачкообразному росту интенсивности турбулентности и заносу мезосферного воздуха на высоты термосферы.

Следовательно, “волна” возмущений в нейтральной атмосфере, направленная снизу вверх, должна проявиться в ионосфере с некоторым запаздыванием: с переходом от слоя Е (90–130 км) к слою F2 (200–400 км). Эффект запаздывания проявился в том, что до 1957 г. слой Е контролировался не только параметром Rz, но и, в меньшей степени, параметром А_F. После 1958 г. излучение от флоккулов перестало играть какую-либо роль в ионизации слоя Е. В слое F2, напротив, влияние излучения от флоккулов сохранялось, как минимум, до начала 1970-х годов. На рис. 11 по данным [26] представлены данные измерений частоты (foF2)₁₀₀ с конца 1950-х до начала 1970-х гг. на 6 станциях ВЗ северного и южного полушария, приведенные к Rz = 100. Они свидетельствуют о высокой степени корреляции (foF2)₁₀₀ с интенсивностью излучения от флоккулов (табл. 5) в течение всего периода регистрации параметра А_F. Данные измерений в Миллстон Хилле и Сен-Сантин уточняют время достижения возмущений высот слоя F2. Согласно [28] это произошло около 1980 г. Отсюда следует, что расстояние, примерно равное 250 км, возмущения преодолели за ~20 лет. Таким образом, скорость их вертикального переноса составляла ~ 12.5 км/год.

Рис. 11.

Вариации эффективной площади флоккул (верхняя секция) и скользящей средней за 11-летний период наблюдений полуденной критической частоты F2-слоя, нормализованной к Rz = 100 на различных станциях ВЗ. [27].

Отсюда можно сделать вывод, что антропогенная деятельность оставляет свои следы в средней и верхней атмосфере, по меньшей мере, с начала промышленной добычи нефти (1940–50-е гг.), а в ионосфере проявилась прежде всего в области D (высоты 70–90 км). К 1957–1958 гг. ее граница переместилась на высоты слоя Е и только к концу 1970-х годов достигла слоя F2.

Вопрос 4: почему на фоне глобальных трендов характеристик атмосферы и ионосферы необъяснимо сильны их локальные эффекты?

Ответ: как видно из рис. 11 и табл. 2–4, пространственно-временная структура трендов (foE)* и hmЕ в Евразиатском регионе приобрела нерегулярный характер после 1958 г. Представляется очевидным, что одной из наиболее вероятной причин усложнения и хаотизации глобальной картины трендов (foE)* и hmЕ стало воздействие антропогенной деятельности на средние и верхние слои атмосферы. Полигоны, на которых проводились ядерные испытания в прошлом, а в настоящее время производятся запуски спутников, а также регионы интенсивной добычи ископаемого углеродного топлива, работы транспорта, промышленного и аграрного производства, загрязняющего природную среду, распределены по земной поверхности весьма неоднородно. Однако совокупное действие этих факторов приводит, с одной стороны, к интегральному эффекту, который интерпретируется как “охлаждение и оседание средней и верхней атмосферы”; с другой – способствует усилению пространственно-временной хаотизации многолетней изменчивости параметров всех слоев атмосферы и ионосферы, не связанной с вековым ходом солнечной активности.

Вопрос 5: почему интенсивность эффектов, наблюдаемых в атмосфере и ионосфере, многократно превышает прогнозы [2] и [3]?

Ответ: по всей видимости потому, что мы еще далеки от понимания всех связей и процессов, формирующих верхние слои атмосферы и ионосферу.

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Анализ состояния дел в проблеме долговременных трендов позволяет сделать следующие важные выводы:

1. Концепция охлаждения и оседания средней и верхней атмосферы, впервые была сформулирована в [11].

2. Новые экспериментальные данные, во-первых, подтверждают и в ряде случаев уточняют, но не опровергают выводы, сделанные ранее в [11], во-вторых, резко противоречат прогностическим оценкам, основанным на гипотезе [2].

3. Совместный анализ солнечного рентгеновского излучения и наземного радиозондирования ионосферы подтверждает факт практически незаметного уменьшения содержания О₂ в атмосфере вплоть до уровня турбопаузы, но скачкообразного роста скорости его падения выше этой границы.

4. Совокупность фактов, накопленных к настоящему времени, свидетельствует о том, что антропогенное влияние на атмосферу гораздо сложнее, чем представляется адептам идеи СО₂ как основном “возмутителе ее спокойствия”.

5. Предложена гипотеза еще об одном, дополнительном факторе, возмущающем динамику, химический состав и аэрономию средней и верхней атмосферы, связанным с начавшимися в 1957–1958 гг. массированными ядерными (наземными и воздушными) испытаниями, а также запусками баллистических ракет и спутников.

6. Состояние дел на сегодняшний день таково, что проблема трендов только поставлена. Для ее решения предстоит рассмотреть и изучить еще множество механизмов (включая различные антропогенные факторы), влияющих на состояние земной атмосферы в целом.