1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Химическая физика
  4. T. 38, № 10, 2019

Химическая физика, 2019, T. 38, № 10, стр. 65-71

Время жизни нечетного кислорода

И. К. Ларин *

Институт энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе Российской академии наук
Москва, Россия

* E-mail: iklarin@narod.ru

Поступила в редакцию 09.01.2019
После доработки 09.01.2019
Принята к публикации 21.01.2019

Полный текст (PDF)

Аннотация

Представлены данные о времени жизни нечетного кислорода Ox в Северном полушарии в диапазоне широт 10°–80° в декабре и июне 1995 года. Данные для расчетов были получены с помощью интерактивной радиационно-химической двумерной модели SOCRATES, в которой была предварительно рассчитана суммарная скорость гибели Ox в каталитических циклах Ox, HOx, NOx, ClOx и BrOx, а также концентрация Ox, равная сумме концентраций O3,O(3P) и O(1D) для указанных выше условий, которые необходимо знать для расчета времени жизни Ox. В качестве начальных условий для расчетов по модели SOCRATES использовался сценарий Межправительственной группы экспертов по изменению климата RCP 4.5 для условий декабря и июня 1995 года. Показано, что в июне значения атмосферного времени жизни Ox лежат в достаточно узком высотно-широтном интервале, причем величины времен жизни для декабря и июня в нижней стратосфере низких широт одинаковы, что объясняется одинаковыми условиями в этой зоне в эти сезоны. Показано также, что на бòльших высотах и широтах времена жизни нечетного кислорода в декабре заметно больше, чем в июне, что объясняется главным образом различием в скоростях гибели нечетного кислорода в декабре и июне.

Ключевые слова: нечетный кислород, атмосферное время жизни, каталитические циклы, лимитирующая стадия, цепной процесс, скорость разрушения озона.

ВВЕДЕНИЕ

В работе автора [1] уже частично обсуждались вопросы, связанные со временем жизни нечетного кислорода. Напомним, что в [1] впервые атмосферное время жизни нечетного кислорода было рассчитано с учетом его гибели в известных каталитических циклах, тогда как ранее в подобных расчетах учитывалась гибель Ox только в кислородном цикле (см., например, [2, 3]), что приводило к завышению искомой величины. Укажем также, что приведенные в [1] данные были получены только для одной широты и одного сезона. Оставалось неясным, каким образом этот экологически важный параметр будет меняться при изменении широты и сезона. В связи с этим были выполнены расчеты атмосферного времени жизни нечетного кислорода в диапазоне широт 10°–80° Северного полушария в декабре и июне 1995 года. Расчеты атмосферного времени жизни Ox, ${{\tau }_{{{{{\text{O}}}_{x}}}}},$ проводились по формуле

(1)
${{\tau }_{{{{{\text{O}}}_{x}}}}} = \frac{{\left[ {{{{\text{O}}}_{x}}} \right]}}{{\sum {{{W}_{x}}} \left( { - {{{\text{O}}}_{х}}} \right)}},$
где [Ox] – концентрация компонент нечетного кислорода, равная сумме концентраций O3, O(3P) и O(1D), а $\sum {{{W}_{x}}} \left( { - {{{\text{O}}}_{х}}} \right)~$ – суммарная скорость разрушения Ox в каталитических циклах Ox, HOx, NOx, ClOx и BrOx. В свою очередь, скорость гибели нечетного кислорода в каждом конкретном цикле, Wx(–Oх), рассчитывалась по формуле [4]
(2)
${{W}_{x}}\left( { - {{{\text{O}}}_{x}}} \right) = 2{{\sum\limits_{i = 2}^{i = n} {\left( {\frac{1}{{{{W}_{i}}\left( {\text{X}} \right)}}} \right)} }^{{ - 1}}},$
где n – число реакций продолжения цепи в цикле, Wi(X) – скорость i-той реакции продолжения цепи в цикле X, $\sum\nolimits_{i = 2}^{i = n} {{{{\left( {\frac{1}{{{{W}_{i}}\left( {\text{X}} \right)}}} \right)}}^{{ - 1}}}} {\text{\;}}$ – скорость продолжения цепи в цикле X. Коэффициент “2” означает, что в реакциях продолжения цепи погибают две частицы нечетного кислорода. Концентрации компонент, участвующих в реакциях каталитических циклов, были получены с помощью интерактивной радиационно-химической двумерной модели SOCRATES [5], позволяющей получать данные с разрешением 1 км в диапазоне высот от 0 до 120 км в широтном диапазоне от 85° ю.ш. до 85° с.ш. с разрешением 5°. В качестве начальных условий для расчетов с помощью модели SOCRATES использовался сценарий Межправительственной группы экспертов по изменению климата (IPCC) RCP 4.5 [6] для условий декабря и июня 1995 года. Указанный год был выбран в качестве референтного потому, что в этом году наблюдалось максимальное снижение общего содержания озона в Северном полушарии, обусловленное воздействием антропогенных хлорфторуглеродов на озоновый слой [7]. Ниже приводятся данные расчетов атмосферного времени жизни нечетного кислорода для указанных выше условий, для чего в соответствии с формулой (1) необходимо было рассчитать суммарную скорость гибели нечетного кислорода в каталитических циклах Ox, HOx, NOx, ClOx и BrOx и концентрацию нечетного кислорода в указанном выше диапазоне широт для условий декабря и июня 1995 года.

О СКОРОСТИ РАЗРУШЕНИЯ НЕЧЕТНОГО КИСЛОРОДА В КАТАЛИТИЧЕСКИХ ЦИКЛАХ

При расчете скорости гибели нечетного кислорода учитывались следующие свойства каталитических циклов.

1. Кислородный цикл Ox

В этом цикле, открытым Чепменом в 1930 году [8], скорость гибели нечетного кислорода во все сезоны определяется одной единственной реакцией:

(I)
${\text{O}}\left( {^{3}P} \right) + {{{\text{O}}}_{3}}\xrightarrow{{{{k}_{{{\text{O}}\left( {^{3}P} \right) + {{{\text{O}}}_{3}}}}}}}{{{\text{O}}}_{2}} + {{{\text{O}}}_{2}},$
скорость которой рассчитывается по формуле

(3)
${{W}_{{{{{\text{O}}}_{x}}}}}\left( { - {{{\text{O}}}_{3}}} \right) = 2{{k}_{{{\text{O}}\left( {^{3}P} \right) + {{{\text{O}}}_{3}}}}}\left[ {{\text{O}}\left( {^{3}P} \right)} \right]\left[ {{{{\text{O}}}_{3}}} \right].$

Так как кислородный цикл не является цепным процессом, то скорость гибели Ox в этом цикле рассчитывается не по формуле (2) (как в других циклах), а по формуле (3), которая непосредственно следует из прямой реакции (I).

2. Водородный цикл HOx

Водородный цикл был открыт Дж. Хэмпсоном в 1964 году11. Детальный анализ показывает, что в декабре основной вклад в разрушение нечетного кислорода вносят следующие каталитические водородные циклы [4].

Цикл V:

(II)
${\text{OH}} + {{{\text{O}}}_{3}}\xrightarrow{{{{k}_{{{\text{OH + }}{{{\text{O}}}_{3}}}}}}}{\text{H}}{{{\text{O}}}_{2}} + {{{\text{O}}}_{2}},$
(III)
$\underline {{\text{H}}{{{\text{O}}}_{2}} + {\text{O}}\xrightarrow{{{{k}_{{{\text{H}}{{{\text{O}}}_{2}}{\text{ + O}}}}}}}{\text{OH}} + {{{\text{O}}}_{2}}} $
${{{\text{O}}}_{3}} + {\text{O}} \to 2{{{\text{O}}}_{2}}.$

Цикл II:

(IV)
${\text{OH}} + {\text{O}}\xrightarrow{{{{k}_{{{\text{OH + O}}}}}}}{\text{H}} + {{{\text{O}}}_{2}},$
(V)
${\text{H}} + {{{\text{O}}}_{2}} + {\text{M}}\xrightarrow{{{{k}_{{{\text{H + }}{{{\text{O}}}_{2}} + {\text{M}}}}}}}{\text{H}}{{{\text{O}}}_{2}} + {\text{M}},$
(III)
$\underline {{\text{H}}{{{\text{O}}}_{2}} + {\text{O}}\xrightarrow{{{{k}_{{{\text{H}}{{{\text{O}}}_{2}}{\text{ + O}}}}}}}{\text{OH}} + {{{\text{O}}}_{2}}} $
${\text{O}} + {\text{O}} \to {{{\text{O}}}_{2}}.$

Отметим также, что в декабре максимум разрушения Ox резко сдвинут в сторону низких широт.

Можно показать, что в июне основную роль в разрушении нечетного кислорода играют следующие циклы [4].

Цикл III (на высотах ≈15–30 км):

(II)
${\text{OH}} + {{{\text{O}}}_{3}}\xrightarrow{{{{k}_{{{\text{OH + }}{{{\text{O}}}_{3}}}}}}}{\text{H}}{{{\text{O}}}_{2}} + {{{\text{O}}}_{2}},$
(VI)
$\underline {{\text{H}}{{{\text{O}}}_{2}} + {{{\text{O}}}_{3}}\xrightarrow{{{{k}_{{{\text{H}}{{{\text{O}}}_{2}}{\text{ + }}{{{\text{O}}}_{3}}}}}}}{\text{OH}} + 2{{{\text{O}}}_{2}}} $
${{{\text{O}}}_{3}} + {{{\text{O}}}_{3}} \to 3{{{\text{О}}}_{2}}.$

Цикл I (на высотах ≈30–40 км):

(IV)
${\text{OH}} + {\text{O}}\xrightarrow{{{{k}_{{{\text{OH + O}}}}}}}{\text{H}} + {{{\text{O}}}_{2}},$
(VII)
$\underline {{\text{H}} + {{{\text{O}}}_{3}}\xrightarrow{{{{k}_{{{\text{H + }}{{{\text{O}}}_{3}}}}}}}{\text{OH}} + {{{\text{O}}}_{2}}} $
${\text{O}} + {{{\text{O}}}_{3}} \to {{{\text{O}}}_{2}} + {{{\text{O}}}_{2}}.$

3. Азотно-окисный цикл NOx

Азотно-окисный цикл открыл Пауль Крутцен в 1971 году [9]. Как показывает анализ, в декабре основной вклад в разрушение озона в NOx-цикле вносит следующий цикл [4].

Цикл I:

(VIII)
${\text{NO}} + {{{\text{O}}}_{3}}\xrightarrow{{{{k}_{{{\text{NO + }}{{{\text{O}}}_{3}}}}}}}{\text{N}}{{{\text{O}}}_{2}} + {{{\text{O}}}_{2}},$
(IX)
$\underline {{\text{N}}{{{\text{O}}}_{2}} + {\text{O}}\xrightarrow{{{{k}_{{{\text{N}}{{{\text{O}}}_{2}}{\text{ + O}}}}}}}{\text{NO}} + {{{\text{O}}}_{2}}} $
${{{\text{O}}}_{3}} + {\text{O}} \to {{{\text{O}}}_{2}} + {{{\text{O}}}_{2}}.$

В широтной полосе 30°–50° в нижней стратосфере некоторый небольшой вклад вносит также следующий цикл [4].

Цикл II:

(VIII)
${\text{NO}} + {{{\text{O}}}_{3}}\xrightarrow{{{{k}_{{{\text{NO + }}{{{\text{O}}}_{3}}}}}}}{\text{N}}{{{\text{O}}}_{2}} + {{{\text{O}}}_{2}},$
(X)
${\text{N}}{{{\text{O}}}_{2}} + {{{\text{O}}}_{3}}\xrightarrow{{{{k}_{{{\text{N}}{{{\text{O}}}_{2}}{\text{ + }}{{{\text{O}}}_{3}}}}}}}{\text{N}}{{{\text{O}}}_{3}} + {{{\text{O}}}_{2}},$
(XI)
$\underline {{\text{N}}{{{\text{O}}}_{3}} + h\nu \xrightarrow{{{{J}_{{{\text{N}}{{{\text{O}}}_{3}} \to {\text{NO}}}}}}}{\text{NO}} + {{{\text{O}}}_{2}}} $
${{{\text{O}}}_{3}} + {{{\text{O}}}_{3}} \to 3{{{\text{O}}}_{2}}.$

На широтах более 60° цикл II перестает “работать” из-за высоких зенитных углов Солнца (превышающих 90°), которые рассчитывались с применением параметризации, предложенной в работе [10]. В июне 1995 года максимум разрушения озона приходится примерно на те же высоты, но существенное разрушение озона происходит на всех широтах.

4. Хлорный цикл ClOx

Хлорный цикл разрушения стратосферного озона был впервые и одновременно предложен Столярским и Цицероном [11] и Вофси и Макэлроем [12] в 1974 году. В декабре 1995 года максимальная скорость разрушения Ox в ClOx-цикле происходит на высоте ≈45 км в широтной полосе 10°–50°, после чего довольно резко падает. Гибель озона в хлорном цикле в декабре на всех высотах и широтах определяется следующим циклом [4].

Цикл I:

(XII)
${\text{Cl}} + {{{\text{O}}}_{3}}\xrightarrow{{{{k}_{{{\text{Cl}} + {{{\text{O}}}_{3}}}}}}}{\text{ClO}} + {{{\text{O}}}_{2}},$
(XIII)
$\underline {{\text{ClO}} + {\text{O}}\xrightarrow{{{{k}_{{{\text{ClO}} + {\text{O}}}}}}}{\text{Cl}} + {{{\text{O}}}_{2}}} $
${{{\text{O}}}_{3}} + {\text{O}} \to {{{\text{O}}}_{2}} + {{{\text{O}}}_{2}}.$

В июне, как и в декабре, разрушение озона обусловлено циклом I.

5. Бромный цикл BrOx

Первые два цикла разрушения Ox бромными компонентами были предложены Вовси с сотр. [13] в 1975 г. В 1980 г. Юнг и с соавт. [14] предложили еще четыре цикла с участием бромных частиц.

В декабре максимальное разрушение Ox происходит в двух зонах: на высоте 24–26 км в широтной полосе 10°–40° и на высоте 42–44 км в широтной полосе 10°–50°.

Разрушение Ox в нижнем максимуме в декабре 1995 года обусловлено главным образом следующими циклами [4].

Цикл III:

(XIV)
${\text{Br}} + {{{\text{O}}}_{3}}\xrightarrow{{{{k}_{{{\text{Br}} + {{{\text{O}}}_{{\text{3}}}}}}}}}{\text{BrO}} + {{{\text{O}}}_{2}},$
(XII)
${\text{Cl}} + {{{\text{O}}}_{3}}\xrightarrow{{{{k}_{{{\text{Cl}} + {{{\text{O}}}_{{\text{3}}}}}}}}}{\text{ClO}} + {{{\text{O}}}_{2}},$
(XV)
$\underline {{\text{BrO}} + {\text{ClO}}\xrightarrow{{{{k}_{{{\text{ClO}} + {\text{BrO}}}}}}}{\text{Br}} + {\text{Cl}} + {{{\text{O}}}_{2}}} $
${{{\text{O}}}_{3}} + {{{\text{O}}}_{3}} \to 3{{{\text{O}}}_{2}}.$

Цикл IV:

(XIV)
${\text{Br}} + {{{\text{O}}}_{3}}\xrightarrow{{{{k}_{{{\text{Br}} + {{{\text{O}}}_{{\text{3}}}}}}}}}{\text{BrO}} + {{{\text{O}}}_{2}},$
(XVI)
${\text{BrO}} + {\text{N}}{{{\text{O}}}_{2}} + {\text{M}}\xrightarrow{{{{k}_{{{\text{BrO}} + {\text{N}}{{{\text{O}}}_{{\text{2}}}} + {\text{M}}}}}}}{\text{BrON}}{{{\text{O}}}_{2}} + {\text{M}},$
(XVII)
${\text{BrON}}{{{\text{O}}}_{2}} + h\nu \xrightarrow{{{{J}_{{{\text{BrON}}{{{\text{O}}}_{2}}}}}}}{\text{Br}} + {\text{N}}{{{\text{O}}}_{3}},$
(XI)
${\text{N}}{{{\text{O}}}_{3}} + h\nu \xrightarrow{{{{J}_{{{\text{N}}{{{\text{O}}}_{3}} \to {\text{NO}}}}}}}{\text{NO}} + {{{\text{O}}}_{2}},$
(VIII)
$\underline {{\text{NO}} + {{{\text{O}}}_{3}}\xrightarrow{{{{k}_{{{\text{NO}} + {{{\text{O}}}_{3}}}}}}}{\text{N}}{{{\text{O}}}_{2}} + {{{\text{O}}}_{2}}} $
${{{\text{O}}}_{3}} + {{{\text{O}}}_{3}} \to 3{{{\text{O}}}_{2}}.$

Разрушение Ox в верхнем максимуме обусловлено действием следующего цикла [4].

Цикл I:

(XIV)
${\text{Br}} + {{{\text{O}}}_{3}}\xrightarrow{{{{k}_{{{\text{Br}} + {{{\text{O}}}_{3}}}}}}}{\text{BrO}} + {{{\text{O}}}_{2}},$
(XVIII)
$\underline {{\text{BrO}} + {\text{O}}\xrightarrow{{{{k}_{{{\text{BrO}} + {\text{O}}}}}}}{\text{Br}} + {{{\text{O}}}_{2}}} $
${{{\text{O}}}_{3}} + {\text{O}} \to 2{{{\text{O}}}_{2}}.$

В июне 1995 года разрушение озона в бромном цикле происходит в двух широких максимумах – на высотах ≈15–25 и ≈40–45 км, прилегающих к высоким широтам: в нижнем максимуме в широтной полосе ≈40°–80°, а в верхнем – в широтной полосе ≈60°–80°.

Данные о суммарной скоростигибели нечетного кислорода в каталитических циклах Ox, HOx, NOx, ClOx и BrOx в широтной полосе 10°–80° с.ш. в декабре 1995 года приводятся в табл. 1, а в июне того же года – в табл. 2. Можно видеть, что максимальный вклад в разрушение озона в декабре и в июне вносит азотно-окисный цикл, далее идут водородный и кислородный циклы. Укажем также, что в декабре максимальная скорость разрушения нечетного кислорода происходит в верхней стратосфере низких широт, а в июне интенсивное разрушение нечетного кислорода имеет место на всех широтах в верхней стратосфере.

Таблица 1.  

Суммарная скорость разрушения нечетного кислорода в каталитических циклах Ox, HOx, NOx, ClOx и BrOx в широтной полосе 10°–80° с.ш. в декабре 1995 года

Высота, км Суммарная скорость, см–3 ⋅ с–1
10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80°
15 1936.82 2421.12 3922.45 5675.67 6603.79 1980.11 54.25203 9.0552
20 13 062.8 17 839.81 22 867.33 23 818.27 19 245.31 8368.14 105.79 5.064
25 127 142 117 979.9 110 629.6 90 981.15 68 047.68 17 839.27 53.53629 0.66144
30 965 596 786 556 656 073 463 340.3 305 395.1 18 119.59 97.33237 0.5609
35 3.16E+06 2.64E+06 2.08E+06 1.35E+06 793 030.6 54 544.47 366.2555 4.34926
40 4.35E+06 3.77E+06 2.87E+06 1.91E+06 1.13E+06 267 366.9 617.0913 15.87713
45 2.91E+06 2.67E+06 2.16E+06 1.62E+06 1.20E+06 403 011.7 570.4417 14.27428
50 1.56E+06 1.46E+06 1.25E+06 1.05E+06 815 594.1 449 140.4 336.0152 5.90811
Таблица 2.  

Суммарная скорость разрушения нечетного кислорода в каталитических циклах Ox, HOx, NOx, ClOx и BrOx в широтной полосе 10°–80° с.ш. в июне 1995 года

Высота, км Суммарная скорость, см–3 ⋅ с–1
10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80°
15 2673.53 2526.31 4010.22 9584.39 28 775.61 51 838.87 64 468.63 71 781.9
20 12 631.21 20 179.49 37 199.56 67 028.1 105 177.5 142 352.5 19 7856.6 202 503.7
25 156 192.7 206 544.2 283 109.9 378 265.3 468 532.9 524 365 618 069.4 510 318.6
30 1.20E+06 1.42E+06 1.63E+06 1.81E+06 1.89E+06 1.88E+06 1.98E+06 1.61E+06
35 3.73E+06 4.04E+06 4.21E+06 4.26E+06 4.11E+06 3.96E+06 4.21E+06 3.85E+06
40 4.95E+06 5.18E+06 5.31E+06 5.26E+06 5.06E+06 4.92E+06 5.52E+06 5.47E+06
45 3.18E+06 3.32E+06 3.42E+06 3.52E+06 3.62E+06 3.80E+06 4.84E+06 4.86E+06
50 1.69E+06 1.79E+06 1.86E+06 1.96E+06 2.08E+06 2.27E+06 3.14E+06 3.16E+06

О ВРЕМНИ ЖИЗНИ НЕЧЕТНОГО КИСЛОРОДА В СЕВЕРНОМ ПОЛУШАРИИ

Атмосферное время жизни нечетного кислорода, ${{\tau }_{{{{{\text{O}}}_{x}}}}},$ рассчитывалось по формуле (1), в которой в качестве знаменателя использовались данные, приведенные в табл. 1 и 2, а в качестве числителя – концентрации Ox, рассчитанные с помощью модели SOCRATES для соответствующих условий, которые приведены в табл. 3 и 4.

Таблица 3.  

Концентрация Ox в широтной полосе 10°–80° с.ш. в декабре 1995 года

Высота, км Концентрация Ox, см–3
10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80°
15 3.07E+11 4.98E+11 8.34E+11 1.34E+12 2.16E+12 3.17E+12 3.88E+12 3.78E+12
20 1.49E+12 2.18E+12 2.87E+12 3.50E+12 4.18E+12 5.06E+12 5.88E+12 6.01E+12
25 3.85E+12 4.06E+12 4.27E+12 4.49E+12 4.74E+12 5.04E+12 5.14E+12 5.06E+12
30 4.07E+12 3.82E+12 3.57E+12 3.21E+12 2.99E+12 2.87E+12 2.80E+12 2.77E+12
35 1.96E+12 1.88E+12 1.78E+12 1.62E+12 1.43E+12 1.28E+12 1.30E+12 1.32E+12
40 7.24E+11 7.42E+11 7.54E+11 7.68E+11 7.39E+11 6.19E+11 5.80E+11 5.58E+11
45 2.07E+11 2.18E+11 2.32E+11 2.60E+11 3.01E+11 2.83E+11 1.90E+11 1.55E+11
50 5.90E+10 6.10E+10 6.32E+10 6.87E+10 8.10E+10 9.95E+10 5.28E+10 4.38E+10
Таблица 4.  

Концентрация Ox в широтной полосе 10°–80° с.ш. в июне 1995 года

Высота, км Концентрация Ox, см–3
10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80°
15 2.80E+11 3.82E+11 5.58E+11 9.69E+11 2.19E+12 3.73E+12 4.32E+12 4.15E+12
20 1.27E+12 1.74E+12 2.63E+12 3.85E+12 4.89E+12 5.38E+12 5.31E+12 5.09E+12
25 4.00E+12 4.40E+12 4.87E+12 5.26E+12 5.30E+12 4.92E+12 4.21E+12 3.65E+12
30 4.37E+12 4.35E+12 4.23E+12 3.98E+12 3.63E+12 3.23E+12 2.75E+12 2.43E+12
35 2.02E+12 1.95E+12 1.85E+12 1.76E+12 1.67E+12 1.55E+12 1.42E+12 1.37E+12
40 6.73E+11 6.37E+11 6.10E+11 5.92E+11 5.77E+11 5.49E+11 5.32E+11 5.38E+11
45 1.88E+11 1.77E+11 1.69E+11 1.63E+11 1.57E+11 1.49E+11 1.39E+11 1.32E+11
50 5.54E+10 5.27E+10 5.08E+10 4.91E+10 4.74E+10 4.45E+10 4.03E+10 3.77E+10

Расчеты атмосферного времени жизни Ox по формуле (1) показали, однако, что в некоторых случаях (в декабре) величина ${{\tau }_{{{{{\text{O}}}_{x}}}}}$ сравнима или превосходит величину характеристического времени турбулентного переноса, τd, которая рассчитывается по формуле

(4)
${{\tau }_{d}} = {{{{H}^{2}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{{{H}^{2}}} {{{k}_{{zz}}}}}} \right. \kern-0em} {{{k}_{{zz}}}}},$
где H – высота однородной атмосферы, равная ${{RT} \mathord{\left/ {\vphantom {{RT} {mg}}} \right. \kern-0em} {mg}}$ (R – универсальная газовая постоянная, T – абсолютная температура, m – средний молекулярный вес воздуха, g – ускорение свободного падения), а kzz – коэффициент турбулентной диффузии по высоте. Это означает, что помимо фотохимических процессов на время жизни Ox оказывают влияние и динамические процессы. Как было показано в работе [1], учесть это влияние можно через введение комбинированного времени жизни Ox, которое можно определить с помощью формулы
(5)
${{\tau }_{x}} = \frac{{{{\tau }_{{{{{\text{O}}}_{x}}}}}{{\tau }_{d}}}}{{{{\tau }_{{{{{\text{O}}}_{x}}}}} + {{\tau }_{d}}}},$
где ${{\tau }_{{{{{\text{O}}}_{x}}}}}$ – рассчитывается по формуле (1), а ${{\tau }_{d}}$ – по формуле (4). Рассчитанные по формуле (5) атмосферные времена жизни Ox для декабря и июня 1995 года показаны соответственно на рис. 1 и 2.

Рис. 1.

Атмосферное время жизни нечетного кислорода для условий декабря 1995 года, рассчитанное по формуле (4). Цифрами указаны широты Северного полушария.

Рис. 2.

То же, что и на рис. 1, но для условий июня 1995 года.

Можно видеть, что на высотах 15–20 км в широтной полосе 10°–30° с.ш. атмосферные времена жизни нечетного кислорода в декабре и июне 1995 года практически одинаковы, что объясняется одинаковостью условий в этой области широт и высот. На больших высотах и широтах времена жизни нечетного кислорода в декабре и июне существенно различаются, причем ${{\tau }_{x}}$ в декабре существенно выше, чем в июне. Это можно объяснить следующим образом. В декабре на высотах более 35 км в широтной зоне 30°–60° с.ш. ${{\tau }_{{{{{\text{O}}}_{x}}}}}$ $ \ll $ τd, где τd ≈ 108 с, и, следовательно, можно положить $~~~{{\tau }_{x}}$ ≈ ${{\tau }_{{{{{\text{O}}}_{x}}}}}$ (соответствующие данные для ${{\tau }_{{{{{\text{O}}}_{x}}}}}$ приведены на рис. 3). Принимая тогда, что основную роль в изменении ${{\tau }_{x}}$ в указанной области играют изменения ${{\tau }_{{{{{\text{O}}}_{x}}}}},$ различие в поведении ${{\tau }_{x}}$ в декабре и июне можно объяснить тем, что в декабре концентрация Ox (числитель в формуле (1)) больше, а скорость гибели Ox (знаменатель в формуле (1)) – меньше, что и обуславливает декабрьский рост ${{\tau }_{x}}.$ На широтах 70°, 80° с.ш. в декабре ${{\tau }_{{{{{\text{O}}}_{x}}}}}$ ⪢ τd, следовательно, τx ≈ τd, как это и видно из данных, приведенных на рис. 1.

Рис. 3.

Атмосферное время жизни нечетного кислорода, для условий декабря 1995 года, рассчитанное по формуле (1). Цифрами указаны широты Северного полушария.

В июне 1995 года ${{\tau }_{{{{{\text{O}}}_{x}}}}}$ $ \ll $ τd выше 25 км в широтной зоне 30°–80°. Поэтому в этой зоне можно положить ${{\tau }_{x}}$ ≈ ${{\tau }_{{{{{\text{O}}}_{x}}}}}$ и считать, что здесь динамические факторы не оказывают существенного влияния на атмосферное время жизни нечетного кислорода. То же можно сказать и о поведении атмосферного времени жизни нечетного кислорода в декабре в широтной зоне 30°–60° с.ш. выше 35 км.

ВЫВОДЫ

1. Выполнены расчеты атмосферного времени жизни нечетного кислорода в Северном полушарии в диапазоне широт 10°–80° с.ш. для условий декабря и июня 1995 года.

2. Показано, что в июне значения атмосферного времени Ox лежат в достаточно узком высотно-широтном интервале, так что на одной и той же высоте времена жизни Ox для разных широт различаются не более чем в два-три раза, причем величины τx для декабря и июня в нижней стратосфере низких широт одинаковы, что объясняется одинаковыми условиями в этой зоне в эти сезоны.

3. На бòльших высотах и широтах времена жизни нечетного кислорода в декабре заметно больше, чем в июне, что объясняется главным образом различием в скорости его гибели в декабре и июне.

Список литературы

  1. Ларин И.К. // Хим. физика. 2017. Т. 36. № 3. С. 87.

  2. Brasseur G., Solomon S. Aeronomy of the Middle Atmosphere: Chemistry and Physics of the Stratosphere and Mesosphere. Third revised and enlarged edition. Montreal, Canada: Springer, 2005. P. 644.

  3. Jacob Daniel J. Introduction to Atmospheric Chemistry.Princeton: University Press, 1999. P. 267.

  4. Ларин И.К. Химическая физика озонового слоя. M.: РАН, 2018.

  5. http://acd.ucar.edu/models/SOCRATES/

  6. http://tntcat.iiasa.ac.at:8787/RcpDb/dsd?Action=htmlpage&page=welcome

  7. Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2014. World MeteorologicalOrganization Global Ozone Research and Monitoring Project – Report No. 55.

  8. Chapman S. // Phil. Mag. 1930. V. 10. P. 369.

  9. Crutzen P.J. // J. Geophys. Res. 1971. V. 76. P. 7311.

  10. Gerrstl S.A.W., Zardecki A., Wiser H.L. // Nature. 1981. V. 294. P. 352.

  11. Stolarski R.S., Cicerone R.J. // Can. J. Chem. 1974. V. 52. P. 1610.

  12. Wofsy S.C., McElroy M.B. // Can. J. Chem.1974. V. 52. P. 1582.

  13. Wofsy S.C., McElroy M.B., Yung Y.L. // Geophys. Res. Lett. 1975. V. 2. P. 215.

  14. Yung Y.L., Pinto J.P., Watson R.T., Sander S.P. // J. Atmos. Sci. 1980. V. 37. P. 339.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Химическая физика

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал