Аппаратура, методы и результаты радиофизических исследований атмосферного озона

Научная новизна. К новым результатам относятся следующие положения: 1. Созданы чувствительные супергетеродинные спектрорадиометры 2-х миллиметрового диапазона волн, характеризуемые оригинальной конструкцией и оптимизированными спектральными характеристиками.

2. Разработаны и применены оригинальные методы дистанционного зондирования, включающие эффективную методику решения обратной задачи - восстановления вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере из измеренных спектров методом регуляризации Тихонова.

3. Впервые выполнены многолетние (с 1987 г. по настоящее время) регулярные наблюдения атмосферного озона над Московским регионом на ММ-волнах. Построено высотно-временное распределение содержания озона. Получены новые данные об особенностях этого распределения.

5. Впервые осуществлены (совместно с ИФА РАН) исследования изменений в верхней атмосфере методом одновременных наблюдений спектров излучения озона на ММ-волнах и гидроксила в ближнем ИК-диапазоне

6. Впервые проведены на ММ-волнах одновременные наблюдения вертикального распределения озона из удаленных друг от друга наземных пунктов: Москва, обсерватории Франции и Швеции (в период 1988-1990 гг.). Впервые выполнены исследования озоносферы по результатам одновременных наблюдений на миллиметровых волнах над Москвой (ФИАН), над Апатитами (ИПФ РАН) и над Шпицбергеном (университет Берна). Получены новые данные об особенностях пространственного распределения озона.

7. Показана высокая эффективность мониторинга озоносферы радиофизическими методами в умеренных и высоких широтах.

Вклад автора заключался в постановке задач исследований, в формулировке требований к аппаратуре, в её создании, в разработке методов наблюдения и обработки информации, в проведении мониторинга озоносферы, включая наблюдения по международным программам, анализе полученных результатов и рекомендации по их внедрению. Эта работа выполнялась автором в руководимой им группе спектроскопии миллиметровых волн в отделе спектроскопии Отделения оптики ФИАН (к.ф.-м.н. С.Б.Розанов, к.ф.-м.н. Е.П.Кропоткина, А.Н.Лукин, к.ф.-м.н. А.Н.Игнатьев). Входящие в состав аппаратуры анализаторы спектра разработаны в ИПФ РАН с участием ФИАН. При обработке результатов спектральных наблюдений применён предложенный К.П.Гайковичем итерационный алгоритм на основе метода регуляризации Тихонова. Автором проведены исследования этого метода, выполнен анализ точности решения обратной задачи с его помощью.

Автор являлся инициатором первых одновременных наблюдений озоносферы из удаленных друг от друга обсерваторий (в ФИАН на 142,175 ГГЦ, в обсерваториях Франции и Швеции на 110,8 ГГц), выполненных с целью изучения влияния крупномасштабных атмосферных процессов на пространственно-временное распределение озона. Успешно выполнена программа подспутниковых наблюдений вертикального распределения озона над Москвой на ММ-волнах, а также проведены исследования (в части ФИАН) по международным программам DYANA, CRISTA/MAHRSI, SOLVE 2000.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований автора составили основу проектов, выполненных в ФИАН в рамках отечественных и международных научных программ исследований атмосферного озона. К ним относятся выполнявшиеся под руководством автора (в части ФИАН) научные проекты по программам: «Интеграция» (проект ИО 679/908), Федеральная целевая научно-техническая программа (госконтракт № 43.044.11.2642 от 31.01.2002 г.), Программа фундаментальных исследований ОФН РАН «Проблемы радиофизики», поддержанные РФФИ и выполненные под руководством автора проекты №№ 96-02-19093, 99-02-18132, 03-02-17436, поддержанные ISF проект № NA1000, поддержанный ISF и Правительством РФ проект № NA1300, а также исследования по программам международного сотрудничества с обсерваториями Франции, Швеции, Германии и Южной Кореи.

- Ширина полосы анализируемых частот составляет 475 МГц

Апробация результатов работы. Результаты работы опубликованы в рецензируемых журналах, были представлены на отечественных и международных конференциях: 2-й, 3-й, 4-й Всес. школах-симп. по распространению ММ- и субМ-волн в атмосфере (Фрунзе, 1986, Харьков, 1989 г., Н.Новгород, 1991 г.), 2-м и 4-м Всес. симп. по ММ- и субММ-волнам (Харьков, 1984, 1987, гг.), XX, XXI, XXIII съездах по спектроскопии (Киев, 1988 г., Звенигород, 1995 г., Звенигород, 2005 г.), 14-й, 16-й Всес. конф. по распространению радиоволн (Ленинград, 1984 г., Харьков, 1990 г.), 17-й, 18-й, 19-й, 20-й, 21-й, 22-й Всеросс. научн. конф. по распространению радиоволн (Ульяновск, 1993 г., С.Петербург, 1996 г., Казань, 1999 г., Н.Новгород, 2002 г., Йошкар-Ола, 2005 г., п.Лоо, 2008 г.), Всес. конф. по атмосферному озону (Суздаль, 1988 г.), 21 Всес. конф. Радиоастрономическая аппаратура (Ереван, 1989 г.), Всес.симпозиуме «Геофизические аспекты переноса примесей в верхней атмосфере» (Обнинск, 1990 г.), XVI General Assembly of the European Geophysical Society (Wiesbaden 1991), Научн. конф. «Применение дистанционных радиофизических методов в исследовании природной среды» (Муром, 1992 г.), XVII General Assembly of the European Geophysical Society (Edinburg, 1992), International Workshop on Electrodynemics and composition of mesosphere (N. Novgorod, 1992), 2-th, 3-rd, 4-th Int. Symp. Phys. and Eng. of MM and submillimeter waves (Kharkov, 1994, 1998, 2001), 1-й, 2-й, 3-й, 4-й Всеросс. научной конф. «Физические проблемы экологии» (Москва, 1997г., 1999 г., 2001г., 2004г.), Всеросс. научн. конф. «Применение дистанционных радиофизических методов» (Муром, 1999 г.), Int. Radiat. Symp. “Current Problems in atmospheric Radiation” (St.-Petersburg, 2000), Юбилейной Всеросс. научной конф. «Фундаментальные исследования взаимодействия суши океана и атмосферы» (Москва 2002 г.), Международной конф. «Ломоносов 2004» (Москва, 2004 г.), Международных симпозиумах стран СНГ «Атмосферная радиация» МСАР-99, МСАР-2002, МСАР-2006 (С.-Петербург, 1999, 2002, 2006гг.), 9-й Всеросс. школе-семинаре «Волны 2004» (Звенигород, 2004г), SPIE's Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere XI Сonference (Stockholm, Sweden, 2006), 1-й, 2-й, 3-й, 4-й Всеросс. научных конф. «Необратимые процессы в природе и технике» (Москва, 2001 г., 2003 г., 2005 г., 2007 г.), Всеросс. семинарах по радиофизике ММ- и субММ-диапазонов (Н.Новгород, 2005 г., 2007 г.).

Общая структура работы. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, содержит 279 страниц текста и 100 рисунков. Библиография - 320 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении рассмотрены объект и предмет исследований, актуальность темы, цель и содержание работы. Отмечена важность развития перспективного направления - создания аппаратурно-методической основы наземной системы мониторинга газового состава атмосферы радиофизическими методами, необходимость разработки отвечающих современным требованиям чувствительной спектральной аппаратуры и эффективных методов дистанционного зондирования озоносферы на ММ-волнах, актуальность проведения мониторинга вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере этими методами.

Рассмотрены особенности радиофизических методов исследования атмосферы, ее защитного озонного слоя, отмечен вклад ведущих отечественных и зарубежных организаций в развитие этих методов.

Вместе с тем, к началу выполнения данной работы (1980-е годы) существовал заметный пробел в знаниях о высотно-временном распределении озона в стратосфере и мезосфере и его особенностях, не проводился мониторинг вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере над такой густонаселенной областью, как Московский регион. Отсутствие необходимой промышленной аппаратуры и адекватных методов обработки экспериментальных данных усложняли решение задач мониторинга озоносферы на ММ-волнах.

Радиофизические исследования в данной работе как раз и были направлены на то, чтобы внести вклад в развитие указанного научного направления. Перечислены результаты, полученные автором, отмечена их значимость и отличие от предыдущих работ. Сформулированы положения, выносимые на защиту.

В главе 1 (разделы 1.1-1.7) сформулированы задачи радиофизических исследований озоносферы. К ним относятся:

Теоретические и экспериментальные исследования спектров теплового радиоизлучения атмосферы. Разработка методов и аппаратуры для регистрации спектров озона и их интерпретации. Мониторинг вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере с целью изучения «откликов» озоносферы на возмущения естественного происхождения, исследования изменений содержания озона в наиболее чувствительных к техногенным загрязнениям слоях верхней стратосферы, обнаружения и изучения аномальных изменений в озоносфере. Исследование изменений пространственного распределения озона в составе глобальной сети обсерваторий по отечественным и международным программам. Подспутниковые измерения профилей озона для оценки (валидации) спутниковых методов наблюдений озоносферы.

Отмечена важная роль математического моделирования для прогнозирования результатов экспериментов и выработки требований к создаваемой спектральной аппаратуре, изложены физические основы построенной математической модели теплового радиоизлучения атмосферных газов. Приведены основные соотношения для расчета спектров поглощения и излучения радиоволн. Представлены примеры результатов выполненных расчетов спектров теплового излучения атмосферы на ММ-волнах с учетом спектральных линий О3, О2, Н2О, СlO, N2O, NO и других малых газовых составляющих атмосферы.

В главе 2 представлены результаты математического моделирования радиоизлучения атмосферы для различных условий наблюдения.

В разделе 2.1-2.5 представлены результаты теоретического исследования спектрального состава теплового радиоизлучения атмосферы Земли, оценка эффектов при проведении планируемых экспериментов, формулировка требований к создаваемой спектральной аппаратуре. Расчеты интенсивности излучения и значений оптических толщин выполнены на частотах спектральных линий О₃, О₂, Н₂О, СlO, N₂O, NO и других малых газовых составляющих атмосферы для различных условий наблюдения (с поверхности Земли, с аэростата, из космоса). Сформулированы аэрономические задачи, для решения которых необходимы наблюдения этих линий. Эти данные важны для оптимизации планируемых экспериментов по мониторингу содержания малых газовых составляющих в различных слоях атмосферы.

В разделе 2.6 представлены результаты расчетов спектров собственного теплового радиоизлучения атмосферного озона при наблюдении с поверхности Земли. Рассмотрены удобные для наблюдения спектральные линии O₃. Представлены результаты расчетов спектров излучения атмосферы на частотах выбранной спектральной линии озона с центром на 142,175 ГГц. Рассчитан вклад молекул озона в излучение атмосферы в зависимости от зенитного угла наблюдения и от влагосодержания тропосферы. Выполнены оценки чувствительности формы результирующей спектральной линии к изменениям вертикального распределения содержания озона, вызванных естественными причинами (сезонными вариациями, влиянием атмосферной динамики, фотохимическими явлениями и др.), а также техногенными загрязнениями атмосферы. Выполнены расчеты ожидаемых эффектов при наземных наблюдениях стратосферного озона на высотах от 12 км до 50 км и мезосферного озона (выше 50 км). Получено, что излучение ночного озона из слоя 50-100 км составляет существенную часть от общего излучения озона, формируемого в рассматриваемой линии во всей толще атмосферы, и содержит ценную информацию о содержании озона и его вариациях в верхней атмосфере. Описан алгоритм решения обратной задачи, основанный на методе регуляризации Тихонова. Отмечено, что спектральные наблюдения на миллиметровых волнах открывают новые возможности изучения атмосферного озона в стратосфере и мезосфере.

В разделе 2.7. представлены результаты расчетов по оптимизации характеристик спектрорадиометра для наблюдений вертикального распределения озона на ММ-волнах с поверхности Земли. На основании результатов численных экспериментов сформулированы требования к основным параметрам спектрорадиометра: рабочим частотам, чувствительности, спектральному разрешению, числу спектральных каналов анализатора спектра (АС) и их центральным частотам, оптимальным зенитным углам наблюдения и др. Показано, что оптимальным является применение АС с переменным шагом по частоте и по спектральному разрешению, что позволяет вносить минимальные искажения в форму регистрируемой линии. Представлены результаты расчета оптимальной частотной сетки многоканального фильтрового анализатора спектра.

В разделе 2.8 представлены результаты численных экспериментов по исследованию точности восстановления различного вида вертикальных профилей озона с учетом выбранных значений параметров спектрорадиометра.

Исследовано влияние на точность ряда факторов: шума аппаратуры, погрешности задания профилей температуры и давления атмосферы, погрешности из-за диаграммного и спектрального сглаживания, погрешности учета тропосферного ослабления, дискретизация задачи при ее численном решении и др. Получено, что при оптимальных условиях суммарная погрешность восстановленных профилей не превышает 5-7% на высотах 20-50 км в холодное полугодие, постепенно возрастая в более низких и более высоких слоях.

Исследована разрешающая способность метода восстановления, ее зависимость от шума аппаратуры. Сделан вывод, что параметры спектральной аппаратуры, которые определены в результате выполненных расчетов, удовлетворяют требованиям восстановления вертикального профиля озона в стратосфере и мезосфере с точностью, необходимой для решения задач, сформулированных в главе 1.

В главе 3 (разделы 3.1-3.3) изложены принципы построения радиометрической аппаратуры для атмосферных исследований на ММ-волнах. Рассмотрены основные соотношения, описывающие чувствительность радиометра, характеристики антенной системы, соотношения, используемые при калибровке аппаратуры.

Приведён обзор характеристик известных спектрорадиометров для дистанционного зондирования атмосферного озона на ММ-волнах, представлены характеристики спектрорадиометра ФИАН. Регулярные наблюдения (включая круглосуточные) вертикального распределения озона на частотах спектральной линии 142,175 ГГц, проводятся в ФИАН с 1987 г. Описаны первые модификации созданной в ФИАН спектральной озонометрической аппаратуры ММ-диапазона волн с преобразователями частоты на диоде с барьером Шоттки.

В последние 14 лет мониторинг вертикального распределения озона осуществляется с помощью размещенного в Москве спектрорадиометра ФИАН с улучшенными характеристиками. По основному параметру, определяющему чувствительность аппаратуры, эквивалентной температуре шума - этот спектрорадиометр превосходит работающие на той же частоте зарубежные аналоги - озонометрические комплексы университетов Берна и Бремена, входящие в состав сети NDACC.

В главе 4, в разделе 4.1, представлено описание действующего спектрорадиометра ФИАН для наблюдений вертикального распределения озона над Москвой. Эта аппаратура состоит из приёмного блока с размещенным в азотном криостате смесителем оригинальной конструкции на планарном диоде с барьером Шоттки АА138В-3, многоканальных анализаторов спектра с оптимизированным переменным шагом по частоте и персонального компьютера.

Супергетеродинный приемник спектрорадиометра крепится на опорно-поворотном устройстве (ОПУ). Конструкция обеспечивает возможность установки на ОПУ либо заливного азотного криостата с охлаждаемым смесителем на диоде Шоттки до азотных температур, либо криоблока для охлаждения смесителя до температуры 15-20К с помощью микрокриогенной системы замкнутого цикла, либо гелиевого криостата с вакуумным подвалом для охлаждения смесителя на переходе сверхпроводник-изолятор-сверпроводник до 4-5 К (криостаты разработаны В.Ф.Троицким в Криогенном отделе ФИАН).

Антенный узел, использующий квазиоптические устройства на свободных гауссовых пучках, характеризуется низким уровнем боковых лепестков диаграммы направленности (подавление их не менее 35-40 дБ) и малыми потерями мощности сигнала (около 1 дБ). Диплексер приемника собран по модифицированной схеме Маха-Цандера. На выходе применены оптимизированные анализаторы спектра с переменным шагом и спектральным разрешением по частоте.

Разработаны методики оперативного контроля параметров и режимов работы спектрорадиометра и регламентых работ. Зарегистрированные спектры озона пересчитываются к внетропосферным условиям (радиоастрономическими методами) и затем решается обратная задача - восстановливается вертикальное распределение О₃ в широком диапазоне высот от нижней стратосферы до области мезопаузы в верхней атмосфере. Применяется автоматизированная система накопления и обработки информации с использованием современных математических методов.

Профили температуры и давления атмосферы, используемые при восстановлении профилей озона, получены из радиозондовых и спутниковых данных. Температура в области мезопаузы определялась из выполненных под руководством проф. А.И.Семенова синхронных инфракрасных наблюдений гидроксила из того же участка неба на Звенигородской станции ИФА РАН.

Отмечено, что надежность созданной озонометрической аппаратуры позволила проводить многолетний мониторинг вертикального распределения озона при высоком качестве получаемых результатов. Аппаратура ФИАН была включена в состав глобальной озонометрической сети по ряду международных программ. Результаты дистанционного зондирования озонного слоя над Москвой хорошо согласуются с озонозондовыми и спутниковыми данными.

В разделе 4.2 рассмотрены основные узлы действующего спектрорадиометра. В приемнике применяется созданный в ФИАН малошумящий смеситель на планарном диоде с барьером Шоттки, который характеризуется простой и надежной конструкцией, делающей его пригодным для длительной эксплуатации и охлаждения до низких температур.

Описан антенный узел спектрорадиометра, представлены основные соотношения теории гауссовых пучков излучения, использованные при создании входных узлов спектрорадиометра. Описана методика и результаты измерений потерь мощности во входном тракте и диаграммы направленности антенной системы спектрорадиометра. Представлены основные технические характеристики анализаторов спектра спектрорадиометра.

Описаны тепловые излучатели, созданные для калибровки спектрорадиометра. Исследованы материалы, поглощающие ММ-волны, и на их основе разработаны близкие к абсолютно черному телу тепловые излучатели при температуре жидкого азота и при комнатной температуре. Описана методика измерений и измерительные стенды для исследования характеристик этих излучателей при комнатной и азотной температурах.

В разделе 4.3 описаны методики исследования и результаты измерений основных характеристик созданной аппаратуры. Получено, что значение эквивалентной шумовой температуры спектрорадиометра составляет 420К в двухполосном режиме при охлаждении смесителя и предварительного усилителя промежуточной частоты жидким азотом. Рассмотрены разработанные методики настройки и регламентных проверок спектрорадиометра ФИАН.

В разделе 4.4 описана методика спектральных наблюдений атмосферного озона на ММ-волнах, позволившая получать в течение многих лет наблюдений ряды надежных экспериментальных данных с информацией о вертикальном распределении содержания озона и его вариациях. В соответствии с этой методикой наблюдения проводятся в «квазинулевом» режиме (с близкими уровнями полезного сигнала и сигнала в канале сравнения), выполняется периодическая калибровка спектрорадиометра по тепловым излучателям типа «чёрное тело» при стабильных и известных температурах, оперативно контролируются рабочие параметры аппаратуры, обеспечиваются стабильные температурные условия работы спектральной аппаратуры.

В главе 5 представлены результаты наблюдений атмосферного озона на миллиметровых волнах в ФИАН, полученные в период с 1987 по 2008 гг.

В разделе 5.1 дана общая характеристика программы наблюдений, соответствующей задачам, сформулированным в главе 1. Отмечено, что в ходе многолетнего мониторинга озоносферы неоднократно проводились наблюдения по международным программам, а также выполнялись подспутниковые наблюдения вертикального распределения озона.

В разделе 5.2. представлены результаты наблюдений вертикального распределения озона над Московским регионом, выполненных по международным программам.

В период наблюдений по программе DYANA обнаружено сильное возмущение озоносферы во время стратосферного потепления в феврале 1990 г., а также зарегистрированы короткопериодные изменения профилей озона.

Низкие значения отношения смеси озона С_оз были зарегистрированы на высотах 25-45 км над Москвой в холодное полугодие 1999-2000 гг. при наблюдениях по программе SOLVE 2000. Такое состояние озоносферы сохранялось с непродолжительными перерывами в течение 3-х месяцев.

Получено хорошее соответствие результатов наблюдений на ММ-волнах в ФИАН с озонозондовыми и спутниковыми данными по программе CRISTA/MAHRSI. Например, различие усредненных за время наблюдений по этой программе профилей вертикального распределения озона, зарегистрированных в области высот 25-55 км над Москвой на ММ-волнах с помощью спектрорадиометра ФИАН и с помощью ИК телескопов, выведенных на орбиту космическим кораблем Space Shuttle (STS-85) в августе 1997 г., не превосходило 5%.

В разделе 5.3 представлены результаты наблюдений профилей вертикального распределения озона в 1987-1991 гг. Наблюдались профили отношения смеси озона С_оз, близкие к справочной модели, а также деформированные профили с пониженным или с повышенным С_оз. Установлены периоды, когда профили озона характеризовались незначительными межсуточными изменениями. Вместе с тем, зарегистрированы быстропротекающие изменения в озоносфере во время возмущений стратосферы, в периоды стратосферных потеплений.

В разделе 5.4. представлены результаты выполненных впервые (в период 1988 - 1990 гг.) одновременных наблюдений на ММ-волнах вертикального распределения озона из удаленных друг от друга наземных обсерваторий: над Московским регионом на 142,175 ГГц, над Швецией в Космической обсерваторией Онсала и над Францией в обсерватории университета г. Бордо на 110,8 ГГц. Эти наблюдения проведены по инициативе ФИАН. Нами была разработана и применена общая методика обработки и анализа результатов наблюдений над Москвой и Швецией. Были проанализированы также результаты проведенных в более поздний период, в 1996-2003 гг., одновременных наблюдений озоносферы на 142,175 ГГц в ФИАН (55,8N, 37,6E) и на Шпицбергене (78,9N, 11,9E). В результате перечисленных наблюдений были получены новые данные об откликах озоносферы на сильные возмущения в периоды стратосферных потеплений, об особенностях пространственно-временного распределения озона и его вариациях различного масштаба в стратосфере и мезосфере над умеренными и высокими широтами. Обнаружена значительная межгодовая изменчивость в пространственном распределении озона.

В ФИАН в содружестве с ИПФ РАН были проведены одновременные наблюдения на ММ-волнах вертикального распределения озона над Москвой и Апатитами. При этом была применена разработанная в ФИАН единая методика обработки и анализа результатов наблюдений в этих наземных пунктах. Выполненные совместные наблюдения явились важными практическими шагами к созданию отечественной наземной сети мониторинга озоносферы на ММ-волнах.

В разделе 5.5 представлены результаты наблюдения на ММ-волнах высотно-временного распределения озона в стратосфере и мезосфере над Москвой в 1996-2008 гг., рассмотрены его особенности. Получено, что наиболее значительные вариации в озоносфере над Московским регионом происходили в холодные полугодия. Обнаружены аномальные явления, характеризуемые значительным снижением содержания озона. Зарегистрированы деформированные профили вертикального распределения отношения смеси озона С_оз. Обнаружены эффекты образования мелкомасштабной структуры на вертикальных профилях С_оз на высотах около 30 км.

Приведены результаты подспутниковых наблюдений. Получено хорошее соответствие результатов наблюдений в ФИАН со спутниковыми данными (для отдельных дней и для среднемесячных значений). Например, различие среднемесячных профилей озона, зарегистрированных над Московским регионом в ФИАН и с борта EOS AURA в марте 2005 г., не превосходит 7% в средней и верхней стратосфере. Эти профили отличаются не более, чем на 5% в области высот между 26 и 43 км и практически совпадают на 40-42 км.

Значительное внимание уделено наблюдениям мезосферного озона (выше 50 км). Впервые осуществлены одновременные наблюдения излучения из одного и того же участка неба ночного мезосферного озона на ММ-волнах (ФИАН) и гидроксила в инфракрасной области спектра (ИФА РАН). Зарегистрирован суточный ход мезосферного озона. Увеличение содержания мезосферного озона ночью соответствует выводам фотохимической теории. Обнаружены значительные межсуточные и более короткопериодные вариации ночного мезосферного озона.

В главе 6 рассмотрены закономерности высотно-временного распределения озона над Москвой и приведено обсуждение результатов наблюдений.

В разделе 6.1. представлены данные, иллюстрирующие изменчивость вертикального распределения озона различного масштаба времени. Обсуждаются особенности сезонного хода стратосферного озона, на фоне которого происходят более короткопериодные вариации. Анализ показал, что колебания в озоносфере с характерными временами от суток до нескольких недель связаны с изменениями других параметров стратосферы: высотой изобарических поверхностей (Н), потенциальной завихренностью (PV), температурой (T), общим содержанием озона (ОСО). Спектральный анализ временного хода содержания озона показал, что помимо гармонической составляющей с периодом 1 год и более короткопериодных изменений существует также спектральная составляющая с периодом, близким к двум годам. Последняя может быть обусловлена известной квазидвухлетней изменчивостью атмосферных процессов.

В разделе 6.2 представлены результаты анализа корреляционных связей между содержанием озона на разных высотных уровнях стратосферы и Н, PV, T и ОСО. В слоях стратосферы примерно до высот 40-45 км получены относительно высокие значения (по модулю) коэффициентов корреляции между С_оз и PV, С_оз и Н, С_оз и ОСО. Например, коэффициенты корреляции для ОСО и С_оз на высотных уровнях 10 мбар и 2,5 мбар составили 0,78 и 0,66 соответственно. Установленные связи между содержанием озона на разных высотах в средней и верхней стратосфере и другими упомянутыми параметрами атмосферы свидетельствуют о значительном влиянии динамических процессов на содержание озона в указанных слоях. Рассчитаны средние значения и среднеквадратические отклонения содержания озона для разных высотных уровней и сезонов, построены гистограммы для отклонений содержания озона от средних значений.

Наблюдения показали, что географическое расположение пункта наблюдений в Москве оказывается удобным для изучения вертикального распределения озона в воздухе, характерном для умеренных широт, а также и в воздухе полярного вихря при часто возникающей смене воздушных масс в стратосфере над Москвой в холодное полугодие. Воздух полярного вихря с пониженным содержанием озона может сохраняться над Москвой в холодные полугодия продолжительное время. Содержание озона в полярном вихре в слоях средней и верхней стратосферы может быть в 1,5-2 раз ниже содержания озона вне вихря.

Сделан вывод, что изменчивость озона, наблюдаемая на фоне сезонного хода, обусловлена процессами атмосферной динамики, приводящими к чередованию различных воздушных масс в стратосфере над Москвой, а обнаруженные межгодовые изменения в высотно-временном распределении озона отражают происходящие год от года изменения крупномасштабных атмосферных процессов.

В разделе 6.3 показано, что полученные в ФИАН данные свидетельствуют о постепенном увеличении содержания озона в средней и верхней стратосфере внутри полярного вихря к концу холодного периода, о возникающей при этом тенденции к постепенному уменьшению контраста между содержанием озона внутри вихря и вне его. Обнаружена значительная межгодовая изменчивость скорости увеличения озона в вихре в течение холодного периода.

В разделе 6.4 представлены результаты наблюдения колебаний содержания озона в средней и верхней стратосфере с периодами, характерными для планетарных волн. Установлена связь обнаруженных колебаний в озоносфере над Москвой со смещениями полярного вихря и с изменениями его формы. Область высот, на которых эти колебания содержания озона имеют заметную амплитуду, простирается до верхних слоев стратосферы. Наблюдения мезосферного озона (в ночное время) показали, что существует связь изменений содержания озона в верхней атмосфере с атмосферной динамикой.

В разделе 6.5 проанализированы результаты наблюдений на ММ-волнах содержания озона в верхних слоях стратосферы над Москвой. Получено, что среднемесячные значения Соз в чувствительных к техногенным воздействиям слоях верхней стратосферы (40-45 км), зарегистрированные на ММ-волнах над Москвой в последнее десятилетие, заметно ниже значений, полученных со спутников в конце 70-х - начале 80-х гг. Как известно из результатов фотохимического моделирования, такое понижение среднемесячные значения Соз на указанных высотах может быть связано с разрушением озона из-за техногенного загрязнения атмосферы хлоросодержащими веществами. Вместе с тем, результаты наблюдений на ММ-волнах над Москвой свидетельствуют в пользу представлений о замедлении долговременных потерь озона. Обнаруженное на ММ-волнах пониженное содержание озона в верхней стратосфере согласуется с результатами других экспериментов и с известными теоретическими данными. Сделан вывод о важности мониторинга атмосферного озона на ММ-волнах для ответа на вопросы о дальнейшем развитии изменений в озоносфере.