XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

Значительную роль в разрушении озона играет аэрозоль вулканогенного происхождения. При извержениях вулканов в стратосферу выбрасывается большое количество пепла и сернистых газов, прежде всего диоксида серы SO₂, из которого образуется серная кислота. Целью данной работы была оценка воздействия выбросов вулкана Манам 25 августа 2018 г. (рис. 1) на озоновый слой на основе массива данных, включающего спутниковые снимки спектрорадиометрa MODIS спутников Aqua/Terra [1], данные по глобальному мониторингу диоксида серы [2], данные всемирного центра по озону и ультрафиолетовой радиации [3], траекторный анализ [4]. Вулкан Манам находится в тропическом поясе, имеет координаты 4°04′ ю.ш. 145°02′ в.д. и характеризуется индексом интенсивности вулканов VEI равным 4, что соответствует Плинианскому типу с мощными взрывными выбросами [3]. Столб пепла и газов такого вулкана способен пробить тропопаузу и достичь стратосферы, где образующийся сернокислотный аэрозоль разносится зональными ветрами по тропическому поясу и постепенно стягивается меридиональной циркуляцией в полярные зоны, окутывая аэрозольной пеленой всю планету.

На основе данных прибора OMI спутника Aura, осуществляющего глобальный мониторинг диоксида серы [2], можно отметить, что извержение 25 августа 2018 г. сопровождалось большим количеством выделения в атмосферу SO₂. На рис. 2 (А)-(В) показан район над вулканом за день до извержения (рис. 2А), непосредственно 25 августа, т.е. в день извержения (рис. 2Б) и на следующий день (рис. 2В).

В тропосфере и нижней стратосфере зарегистрировано наличие продуктов инжекции непосредственно в день извержения, в центре концентрация составила 3 е.Д.

Уточнение направления смещения области аэрозоля выполено с помощью модели траекторий загрязняющих частиц и воздушных масс NOAA HYSPLT [4]. В качестве метеорологических начальных данных в первом случае использовался реанализ – рис.3, во втором случае данные GDAS – рис.4.

Сопоставление спутникового снимка – рис.1 и траекторного перемещения – рис.3 и 4, позволило сделать вывод, что вторая модель с начальными данными глобальной системы ассимиляции данных (рис. 4) воспроизводит перемещение пепла и потока диоксида серы лучше.

Пространственное изменение общего содержания озона вследствие выброса пепла во время извержения Манам 25 августа 2018 г. возможно проследить по данным дистанционного спутникового зондирования. Спектрорадиометр MODIS, установленный на спутниках Terra и Aqua, имеет ИК спектральный канал в полосе излучения озона в диапазоне длин волн 9.580-9.880 мкм с разрешением 1000 м. На рис. 5 представлены фрагменты снимков в этом канале за два дня до извержения вулкана Манам, в день извержения и через два дня после извержения. На рисунках черным прямоугольником показана рассматриваемая область, точкой Pin 1 обозначен непосредственно вулкан. На снимках голубой цвет обозначает область малого радиационного излучения (т.е. низкого содержания озона), и наоборот, ярко красный оттенок соответствует высокому содержанию озона. На «псевдоцветных» спутниковых снимках видно, что до и в момент извержения вулкан находится в зоне большого количества озона. После выброса пепла область над вулканом становится синей, что обозначает низкое содержание озона.

Репрезентативные результаты также показал Sentinel-5 Precursor [5], работающий в ультрафиолетово-видимом (UV-VIS, 270 нм - 495 нм), ближнем инфракрасном (NIR, 675 нм - 775 нм) и коротковолновом инфракрасном (SWIR, 2305 нм - 2385 нм) диапазонах спектра – рис. 6.

а)

в)

б)

Доказываемая гипотеза, что одной из причин деградации озона, является извержение вулкана – выброс вулканического пепла, подтвердилась.

Для отслеживания направления смещения бедной озоном области и нахождения широтного распределения озона выбраны две станции, производящие ежедневные измерения ОСО спектрометром Добсона [3]. Обе станции расположены на долготах, близких к долготе вулкана – рис. 7.

Станция 27 (27°28′ ю.ш. 153°01′ в.д.) находится на расстоянии около 2,7 тыс.км от места извержения; станция 29 (54°38′ ю.ш. 158°52′ в.д.) – на расстоянии 5,8 тыс.км.

Временной ход значений ОСО, измеренных на станциях, представлен на рисунке 8. В целом можно заметить, что при удалении от экватора содержание озона увеличивается. Средний рост значений ОСО на расстоянии около 3-х тыс. км составил 15% (50 е.Д.). Хотя озон в основном образуется в стратосфере тропического пояса, где высокая интенсивность ультрафиолетовой солнечной радиации, отсюда он довольно быстро атмосферной циркуляцией переносится к полюсам, где накапливается из-за низкой скорости реакций, разрушающих озон.

Рис.7. Рассматриваемые объекты: вулкан и озонометрические станции

В отдельные дни значение ОСО становится равным или менее ОСО на станции 27. Падение значения ОСО, после извержения 25 августа 2018 года, достигает 85 е.Д. Синяя линия, отражающая ОСО на станции 27, имеет более плавный ход. На момент извержения уровень ОСО был 308 е.Д., через 7 дней значение ОСО стало равно 292 е.Д. Таким образом, вулканический выброс, попадая в стратосферу, способствует разрушению озона, и далее бедная озоном область переносится на юг, отражаясь в динамике временного хода ОСО.

Различие в реакциях значений ОСО на двух станциях можно объяснить их расположением в пределах действия атмосферных процессов. Широта станции 29 (54) находится в пределах расположения полярнофронтового струйного течения, где ветер на высоте 9-12 км достигает скорости 80-100 м/с, а зимой и до 130 м/с. Широта станции 27 расположена вблизи субтропического струйного течения в стратосфере, где ветер восточного направления достигает скорости 60-70 м/с.

Область над станцией 29 более вовлечена в сезонную смену механизмов атмосферной циркуляции в нижней стратосфере. В период первого эпизода (октябрь, см. рисунок 6а) происходит формирование зимнего полярного циклона. Третий эпизод (см. рисунок 6в) попадает на время возникновения в июне-июле и разрушения в августе-сентябре летнего стратосферного антициклона. С образованием летнего стратосферного антициклона, который в свою очередь возникает в результате наличия в стратосфере озонового слоя, связано формирование летнего стратосферного струйного течения восточного направления. Основная причина его образования – нагрев вследствие поглощения ультрафиолетовой радиации озоновым слоем.

Исследователями в [6] был проанализирован период с 1980 г. по 2022 г., в который полярные озоновые аномалии, как правило, наблюдались в нижней стратосфере в диапазоне высот от 14 до 22 км. Вулканогенный аэрозоль после небольших извержений оседает из стратосферы, как правило, в течение полугода. Таким образом, потенциальное влияние на интенсивность разрушения озона могли оказать извержения, предшествующие озоновым аномалиям не более чем за год.

Такой вывод подтверждает рис.9. Синяя линия - значения по количеству извержений, оранжевая - среднегодовые ОСО за период 2000-2015 гг. Максимальное количество извержений в 2006 и в 2010-2011 гг. сопровождается падением величины ОСО в те же периоды.

В 2011 наблюдается глобальный минимум среднегодовых значений ОСО за весь рассмотренный период. И, напротив, в годы минимального количества извержений - 2003 и 2009, - значения ОСО наблюдаются выше среднего с продолжающимся ростом в 2010 г. Корреляция между данными текущего года по количеству извержений и ОСО практически нулевая, однако при сдвиге ряда извержений на год вперед (серая линия) коэффициент корреляции становится равным -0,7, что говорит о сильной связи между этими параметрами и о годовом «запаздывании» реакции ОСО на выбросы во время извержений.

Линии тренда значений ОСО и количества извержений также свидетельствуют о противоположности тенденций в их динамике.

Проанализировав ряд данных, была выявлена «задержка» влияния планетарной вулканической активности на озоновый слой.

Набор данных позволил проследить последствия извержения вулкана Манам и дает возможность подтвердить его озоноразрушающее влияние, а также, что озоновое истощение является периодическим процессом, характер которого в большей степени определяют естественные факторы, в значительной мере вулканические извержения, в большей степени с индексом VEI не менее 4. Обнаружена годовая «задержка» влияния планетарной вулканической активности на озоновый слой, а также периодический характер озонового истощения, определяемый в большей степени естественными факторами.

Список литературы

1. Архивный сервис LAADS DAAC: [Электронный ресурс]. URL: https://ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/

2. Официальный сайт NASA по глобальному мониторингу диоксида серы: [Электронный ресурс]. URL: https://so2.gsfc.nasa.gov/index.html

3. Официальный сайт по мониторингу озона: [Электронный ресурс]. URL: https://www.earthdata.nasa.gov/learn/find-data/near-real-time/omi

4. Национальное управление океанических и атмосферных исследований: [Электронный ресурс]. URL: https://www.ready.noaa.gov/hypub-bin/trajresults

5. Сервер спутниковых снимков [Электронный ресурс]. URL: https://sentiwiki.copernicus.eu/web/sentinel-5p

6. Зуев В. В., Зуева Н. Е., Савельева Е. С. Специфика формирования антарктической и арктической озоновых аномалий. // Оптика атмосферы и океана. 2014. Т. 27. № 05. 407-412 с.