Об озоновом слое

Введение от себя
Некоторой время назад, в смутные конец 80-х начало 90-х годов у фирмы Дюпон случилась стагнация. Ну все как всегда: продажи падают, дивиденды не растут. Надо было что-то предпринять и это что-то был предпринято. А именно, было рождено понятие “озоновая дыра”, выделены гранты для поиска озоновой дыры, на которые были проведены обширные изыскания, показавшие собственно наличие и рост озоновой дыры из-за ряда тоталитарных фреонов, использовавшихся в не менее тоталитарных холодильных машинах. Была поднята шумиха, Грета Тумберг (тогда ее звали по-другому) стала биться в пене и все закончилось подписанием Монреальского протокола, предусматривавшего отказ от галогенированых углеводородов. Возникла маленькая техническая проблема: а чем заменить галогенированые углеводороды в холодильных машинах. Аммиак для малых холодильных машин подходил не очень, все-таки это та еще гадость. Дюпон и братва предложила поэтапное решение проблемы – сначала переход от хлорфторуглеводородов к гидрохлорфторуглеводородам (патенты Дюпон) далее к их смесям (патенты Дюпон), а уж потом к углеводородам. Стоит отметить, что в процессе этого перехода термодинамические и эксплуатационные свойства рабочих тел существенно ухудшаются, зато растет опасность. Естественно, что для каждого нового рабочего тела необходимо свое масло, свой компрессор и свои исследования, героически проводящиеся множеством научных работников.
Вернемся, собственно, к озоновой дыре. Наши русские исследователи также решили не оставаться вне озонового тренда и получить гранты. Но в силу своей неопытности провели полноценное научное исследование. Данное исследование не единственное посвященное озоновым дырам, но весьма интересное. В исследовании измерялось состояние озонового слоя над г. Москва на протяжении двух солнечных циклов (11х2 года). Других экспериментов сравнимой длительности нигде не проводилось, видать это никому не интересно (ближайший аналог исследования в Берне, 11 лет наблюдений). Спутники же дают интегральную картину, очень удобную для любых предсказаний.
Описание исследования.
По проведенному исследованию вышел ряд статей, интересующиеся могут посмотреть эту: “ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРТИКАЛЬНЫХ ПРОФИЛЕЙ АТМОСФЕРНОГО ОЗОНА ПО НАЗЕМНЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ АТМОСФЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ”.
В работе измерялась эмиссионная линия в миллиметровом диапазоне, соответствующая тепловому излучению молекул озона. На разных высотах разные температуры, соответственно, получаем разный профиль линии. Математически задача не корректна, но с использованием дополнительных данных может быть решена. В статьях много математики, но автору удалось убедить нашу научную стаю, что задача решена. Также много внимания было уделено погрешностям метода, это был специальный вопрос, в котором авторам также удалось доказать, что погрешности малы (5-6% но иногда до 10% в случае сильных изменений концентрации озона).
Результаты измерений.
Видно, что озоновый “слой” расположен на высотах 30-50км. Концентрация озона неравномерна по высоте, резких изменений концентрации нет. На рис. 2 можно видеть различия представленных распределений: значения максимумов профилей для декады 2007-2017 гг. на рис. 2b в целом несколько ниже, а сами профили выглядят более сглаженными по сравнению с распределением для декады 1996-2006 гг. на рис. 2a. Значит изменчивость озонового слоя в декаде 2007-2017 меньше.
На рис. 4 представлена сезонная динамика среднемесячных профилей озона с сентября (9-й месяц) по май (5-й месяц), усредненных для каждого месяца по всем годам каждой из двух декад наблюдений. Видно, что зимой озона меньше, летом больше.
Далее проводится статистический анализ данных, из которого делаются следующие выводы:
Довольно сильные изменения среднемесячных профилей озона между двумя декадами, заметные на рис. 4, существенно сглаживаются при усреднении по месяцам, и статистическая значимость этих отклонений соответственно уменьшается. Как следствие, среднее интегральное содержание озона выше 20 км осталось практически неизменным (4,61 г/м2 в 1996–2006гг. и 4,58 г/м2 в 2007–2017).
Среди многочисленных исследований озоносферы представленные в данной работе результаты измерений представляют особый интерес, поскольку их начало в 1996 г. практически совпало с началом восстановления, примерно с 1997 г., озонного слоя в верхней стратосфере. Как отмечено в представительном обзоре [1], с 1997 г. декадный тренд возрастания интегрального содержания озона в столбе атмосферы в средних и высоких широтах был незначительным и положительным (около 1%) с большими межгодовыми вариациями около 5%. Результаты 22-летних исследований показали, что декадный тренд содержания озона в столбе атмосферы выше 20 км над Москвой также был незначительным (статистически незначимым), но отрицательным – около –0.7%.
Наиболее неожиданным и нуждающимся в объяснении результатом проведенного статистического анализа является обнаружение резкого уменьшения изменчивости (вариаций и ковариационных параметров) профиля озона выше 30 км в 2007–2017 гг. в сравнении с 1996–2006 гг. В качестве основных факторов, которые могли привести к такому значительному уменьшению, рассматривали различный характер крупномасштабной динамики стратосферы Северного полушария в рассмотренные периоды (декады), а также сильное падение солнечной активности в 24 -м цикле в 2007–2017 гг. по сравнению с 23-м циклом в 1996-2006 гг. Действительно, анализируемый 22-летний период почти точно совпал с двумя последними 11-летними циклами солнечной активности. Солнечная активность в 24-м цикле была почти вдвое меньше, чем в 23-м. Это могло привести к отмеченному выше небольшому снижению содержания озона в вертикальном столбе атмосферы в 24-м цикле по сравнению с 23-м. В [1] влияние вариаций солнечной активности на содержание озона в столбе атмосферы оценивается в 1–2% с максимумом в полярных широтах. Однако следует отметить, что связанные с солнечной активностью вариации профилей содержания озона могут быть более значительны, чем вариации содержания озона в столбе атмосферы.
Более существенный вклад в наблюдаемые тренды может быть связан с межгодовыми изменениями крупномасштабной стратосферной динамики в холодные сезоны (для краткости называемые далее «зимами»), в частности, с характером и сроками внезапных стратосферных потеплений, сильно влиявших на озон в средней стратосфере над Москвой во время зим с 1995–1996 по 2014–2015 гг. Далее обсуждается большое количество стратосферных течений в разные времена года.
Общие выводы таковы:
Существенные междекадные тренды профилей озона для отдельных месяцев существенно сглаживаются в тренде, полученном путем их усреднения; в результате такой интегральный тренд оказался существенно менее статистически значимым: обнаружено лишь уменьшение среднедекадного профиля озона на высоте 19 км (–5.7±1.5%) и вблизи максимума озонного слоя на высоте 37 км (–2.6±1.5%) при его увеличении на высотах 28 км (1.7±1.7%) и 47 км (2.5±1.7%) (ниже и выше максимума профиля озона). При этом среднее интегральное содержание озона в столбе атмосферы выше 20 км осталось практически неизменным (4.61 г/м2 для декады 1996-2006 гг. и 4.58 г/м2 для декады 2007-2017 гг.). Обсуждаются возможные причины резкого падения изменчивости озона выше 30 км в 2007-2017 гг., связанные со значительным уменьшением солнечной активности в 24-м цикле и большими межгодовыми различиями динамики стратосферы Северного полушария в периоды наблюдений в 1996-2006 и 2007-2017 гг.
Добавлю мои выводы из кулуарных разговоров:
Изменения концентрации озона целиком и полностью определяются солнечной активностью солнца и движением воздушных масс из областей, где солнечной радиации мало, влияния от деятельности человека над Москвой (!!!) не обнаружено.
Нет резкой границы озонового слоя снизу, которая должна быть при воздействии озоноуничтожающих газов.
Современная грантовая наука продажна. В начале 90-х был просто поток статей о росте озоновых дыр, а спустя 20 лет оказалось, что имеются слабые тренды изменений на фоне огромных годовых скачков.