Разрушение озонового слоя Земли зачастую связано с высыпаниями энергичных частиц (протонов, электронов и альфа-частиц), которые проникают в атмосферу Земли на высоту от 100 километров и ниже из магнитосферы — плазменной оболочки Земли, физические свойства которой определяются магнитным полем планеты и его взаимодействием с потоками заряженных частиц солнечного и космического происхождения.
С высыпаниями энергичных частиц также связаны полярные сияния и процессы ионизации атмосферы, вызванные этими частицами в большом диапазоне высот. Создаваемые дополнительные ионные пары приводят к образованию радикалов, которые участвуют в каталитических реакциях, разрушающих озон.
Сегодня исследованиям состояния озонового слоя Земли и изменений климатических условий на планете уделяют большое внимание ученые по всему миру. При этом изучение озонового слоя требует учета влияния природных и антропогенных факторов, действующих в атмосфере (от поверхности планеты до околоземного космического пространства).
«Мы обнаружили, что во время геомагнитных возмущений (изменений магнитного поля Земли, как правило, проявляющихся при магнитосферных бурях) в полярной атмосфере увеличивается концентрация радикалов. Это приводит к разрушению озона на высотах мезосферы в течение суток. Максимальное обнаруженное нами разрушение составило 14–25 % на высоте около 75 километров. То есть магнитосферные бури способны разрушить до четверти имеющегося озона на этой поверхности», — объяснила руководитель секции «Магнитосфера и влияние энергичных частиц на атмосферу» лаборатории исследований озонового слоя и верхней атмосферы СПбГУ Ирина Миронова.
Работы по отбору событий с высыпаниями энергичных электронов и моделирование озона выполнены членами научного коллектива лаборатории исследований озонового слоя и верхней атмосферы СПбГУ по заказу МГУ имени М. В. Ломоносова в рамках выполнения междисциплинарного проекта Российского научного фонда № 22-62-00048.
Работы над расширением диапазона высот моделей выполнены по проекту РФФИ № 20-05-00450, а исследование изменения электронной концентрации при высыпании энергичных электронов проведено в рамках проекта РФФИ № 20-55-12020.
Получить подробные данные о количестве частиц в атмосфере удалось благодаря аэростатным измерениям рентгеновского излучения, вызванного высыпающимися в атмосферу энергичными электронами. Наблюдения проводились над Апатитами в Мурманской области в разные периоды времени. Для расчета скоростей ионизации атмосферы ученые использовали схему расчетов, в которой спектры и потоки высыпающихся электронов действуют по измеренному рентгеновскому излучению. Для оценок разрушения озонового слоя использовалась разработанная математическая модель, которая учитывает перенос солнечной и инфракрасной радиации, фотохимические процессы, ионную химию и турбулентный вертикальный перенос газовых примесей.
Кроме того, для более полного и подробного исследования ученые СПбГУ создали модель, которая позволяет рассчитывать температуру и концентрации 43 нейтральных газов, свободных электронов и 57 ионов, участвующих более чем в 300 различных реакциях. Например, реакциях, включающих азотные и водородные каталитические циклы разрушения озона.
Полученные учеными СПбГУ результаты могут быть использованы для более точного прогнозирования будущего озонового слоя и климата Земли, а также для анализа распространения радиоволн.
Работа выполнена сотрудниками лаборатории исследований озонового слоя и верхней атмосферы СПбГУ, созданной в рамках программы мегагрантов Министерства науки и высшего образования Российской Федерации. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Atmosphere.
Источник изображения: сайт СПбГУ
