Целью создания лаборатории «Исследований Озонового слоя и Верхней Атмосферы» является решение научных и образовательных проблем, связанных со среднесрочным (до 1 месяца) и долгосрочным (до 200 лет) прогнозом развития озонового слоя, вызванного природными и антропогенными факторами, изменениями климата и событиями космической погоды.
Основные задачи:
- Проведение и анализ наземных и спутниковых измерений озона, озоно-разрушающих веществ (ОРВ) и состояния атмосферы.
- Оценка прошлого и прогнозирование будущего поведения озонового слоя с использованием современных моделей фотохимии и климата, учитывающих различные воздействия, включая изменчивость парниковых газов и ОРВ.
- Разработка новой модели атмосфера-ионосфера-магнитосфера и ее применение для изучения влияния космической погоды на изменчивость озонового слоя.
- Анализ среднесрочной изменчивости озонового слоя, обусловленной возмущениями атмосферной динамики и космической погоды.
История создания лаборатории
Общеизвестно, что озоновый слой защищает биосферу и людей от жесткого ультрафиолетового излучения солнца и поэтому контроль за его состоянием чрезвычайно важен. Эволюция озонового слоя до начала индустриальной эры в основном контролировалась природными факторами.
С 1970-х годов антропогенная деятельность и связанные с ней выбросы парниковых газов и разрушающих озон примесей привели к катастрофическому падению концентрации озона в высоких широтах южного полушария и в глобальном масштабе. В конце 1980-х был принят Монреальский протокол, ограничивающий производство озон-разрушающих газов. Этот международный договор и дополнения к нему помогли переломить ситуацию и нейтрализовать негативные тенденции.
Однако, результаты измерений показывают, что, несмотря на принятые меры по ограничению антропогенного влияния на содержание озона, его восстановление происходит медленнее ожидаемого, а в некоторых регионах продолжается его значительное сокращение. Ситуацию усугубляет появление обширной озоновой дыры над Арктикой в 2020 году, озоновых мини-дыр над территорией России и нарушения ограничения выбросов разрушающих озон примесей. Экстраполяция выявленных негативных тенденций в будущее вызывает беспокойство общества и политиков, в связи с чем назрела необходимость создания специальной научно-исследовательской лаборатории.
Такая лаборатория должна использовать комплексный подход к изучению и прогнозированию атмосферных процессов, включающий как наблюдение за состоянием озонового слоя и других важных атмосферных газов, так и математическое моделирование множества процессов, включая химию, динамику и перенос в атмосфере. С целью реализации указанных амбициозных планов необходимо создать модель, способную адекватно реагировать на изменения антропогенной, солнечной, вулканической и геомагнитной активности.
Это в итоге должно обеспечить появление новых данных диагностики и прогнозирования состояния озонового слоя, существенно превышающих мировой уровень, а также методов решения указанных проблем, носящих глобальный характер. До настоящего времени в России не существовало подразделений способных проводить указанные исследования на высоком уровне, что и послужило причиной создания новой лаборатории.
Идея создания лаборатории появилась в 2019 года после обсуждения проблем эволюции озонового слоя специалистами кафедр физики атмосферы и физики Земли СПбГУ с Е. Розановым (руководителем климатической группы Физической и Метеорологической Обсерватории Давоса). Заявка по программе мегагрантов Российского правительства была поддержана в 2020 году, и лаборатория приступила к работе с 1 июля 2021 года.
Как организована работа лаборатории
Лаборатория находится в учебно-научном комплексе СПбГУ в Петергофе. Работа организована в рамках пяти секций, исследующих воздействия на озоновый слой антропогенных и естественных факторов влияния, действующих со стороны нижней и верхней атмосферы.
Основные направления деятельности, вытекающие из сформулированных выше целей и задач:
- Проведение регулярных наблюдений озона и озоно-разрушающих атмосферных газов.
- Обработка данных российских и зарубежных спутниковых приборов.
- Валидация и усовершенствование имеющихся моделей климата, и верхней атмосферы.
- Прогноз будущего поведения озонового слоя для большого набора возможных сценариев изменения антропогенной, солнечной, вулканической и геомагнитной активности.
- Разработка принципиально новой модели атмосфера-ионосфера-магнитосфера и ее применение для изучения влияния космической погоды на изменчивость озонового слоя.
- Анализ среднесрочной изменчивости озонового слоя, обусловленной изменчивостью динамических и волновых процессов в атмосфере, а также космической погоды.
Научная деятельность лаборатории
Состояние озонового слоя будет исследоваться с учетом многих физических процессов во всех атмосферных слоях от поверхности до магнитосферы, включая весь комплекс гелиофизических, геомагнитных и метеорологических возмущений. Для изучения всех особенностей нелинейных взаимодействий между физическими и химическими процессами в разных высотных слоях атмосферы, влияющими на изменение содержания стратосферного озона под воздействием природных и антропогенных факторов, наиболее рациональным представляется предлагаемый нами подход, связанный с численным моделированием фотохимических и климатических процессов в атмосфере на всех высотах, с учетом их взаимодействия и обратных связей.
Предлагаемый подход может быть реализован только с использованием наблюдений за озоновым слоем и регулирующими его факторами. Поэтому в проекте предусмотрена интенсивная программа измерений состояния атмосферы, содержания атмосферного озона и связанных с ним газов с помощью наземных и спутниковых инструментов. Комплексное исследование процессов во всей толще атмосферы требует также междисциплинарных исследований с привлечением широкого круга специалистов в областях наук о Земле и ближнем космосе.
Список актуальных проектов содержит:
- Мониторинг общего содержания озона по данным инфракрасного прибора (ИКФС-2) на российском спутнике (Метеор-М” № 2).
- Измерения озона и озоно-разрушающих газов по данным наземных спектроскопических измерений прибором Bruker 125HR.
- Валидация моделей земной системы, климата и озонового слоя.
- Сравнение различных данных по скоростям ионизации энергичными частицами.
- Теоретические основы для создания новой модели атмосфера-ионосфера-магнитосфера.
- Расчеты влияния солнечных протонных событий на озоновый слой для разных конфигураций магнитного поля.
- Численное моделирование крупномасштабных и мезомасштабных волновых возмущений до высот верхней термосферы, и их влияния на циркуляцию и состав атмосферы.
Доступное оборудование.
В ресурсном центре СПбГУ «Геомодель» имеется уникальное оборудование для измерений газового и аэрозольного состава атмосферы, проведения различных лабораторных исследований. Для создания новых атмосферных моделей и их использования для прогнозов состояния озоносферы в ближайшие десятилетия произведена закупка вычислительного кластера (300-400 ядер).
Два персональных компьютера с мощными видеокартами для решения обратных задач с использованием нейросетей и расчетов распространения гравитационных волн. Несколько персональных компьютеров для обработки и визуализации результатов, подготовки статей и презентаций.