Influenta tropopauzei asupra ozonului total in perioada de maxima variabilitate

Indrumator: Cursant:Constantin Rada Diaconu Adelina Elena

Planul de dezvoltare al proiectului cu titlul: “Influenta tropopauzei asupra ozonului total in perioada de maxima variabilitate”

1. Problematica generala a stratului de ozon

2. Informatii privind tropopauza si stratul de ozon

3. Extragerea informatiilor de interes din baza de date

4. Decodificarea informatiilor referitoare la tropopauza din sondajul aerologic

5. Identificarea zilelor cu tropopauze multiple

6. Prelucrarea si analiza datelor ce privesc tropopauza si stratul de ozon in perioada de maxima variabilitate ( iarna-primavara)

7. Evidentierea relatiei dintre tropopauzele multiple si stratul de ozon din perioada de analiza

8. Concluzii

Influenta tropopauzei asupra ozonului total in perioada de maxima variabilitate

Diminuarea stratului de ozon si cresterea radiatiei UVB asociata acesteia a fost o preocupare stiitifica importanta dupa descoperirea “gaurii din stratul de ozon” din Antarctica in anii ’80 [Solomon,1990]. Stratosfera (incepand de la tropopauza, de la aproximativ 8-15 km deasupra suprafetei Pamantului in functie de latitudinea la care ne referim) contine aproximativ 90% din intreaga cantitate de ozon din atmosfera si cea mai mare concentratie de ozon se gaseste in partea inferioara a acestei la o altitudine de aproximativ 19-30 km in functie de latitudine.

Deoarece stratul de ozon protejeaza viata pe Pamant de efectele daunatoare ale radiatiilor ultraviolete provenite de la Soare, pastrarea acestuia este esentiala. Cu toate acestea, clorofluorocarburile (CFC) folosite la curatarea semiconductoarelor, compresoarelor, spray-urilor, pot distruge ozonul atunci cand ajung in stratosfera datorita miscarilor la scara mare [EPA].

Dispus la altitudini cuprinse intre 19 si 30 km, stratul de ozon nu este nici pe departe o patura groasa. Concentratia acestuia, la altitudinile respective nu depaseste 10 ppm. Aceasta cantitate inseamna foarte putin din punct de vedere cantitativ fata de ceilalti constituenti minori ai atmosferei, dar foarte mult din punct de vedere al efectelor sale benefice pentru viata de pe Terra.

Concentratia de ozon din stratosfera este supusa variatiilor geografice, anotimpuale si inter-anuale. Speciile chimice minore pot perturba aceste concentratii. Este, deci important sa se examineze modul in care perturbatiile si variatiile ozonului stratosferic influenteaza climatul.Problema ozon- schimbari climatice este foarte complicatata deoarece:

- ozonul stratosferic poate influenta climatul troposferic prin interactiunile radiative si dinamice dintre troposfera si stratosfera

- schimbarile climatice pot genera perturbari in distributia campului de ozon.

Ozonul stratosferic contribuie la stabilirea cantitatii de energie solara si radiativa de unda lunga care patrunde in troposfera. In primul rand, ozonul incalzeste stratosfera prin absorbtia radiatiei de unda lunga emisa de sol si troposfera in domeniul 9- 10 µm, iar in al doilea rand, radiatia emisa de ozon contribuie la energia care intra in troposfera. Deasemenea emisia radiativa a tuturor gazelor din troposfera catre stratosfera depinde de temperaturile stratosferice care sunt, la randul lor stabilite prin bilantul dintre radiatia absorbita si cea emisa.

Plecand de la aceste considerente problematica ozonului atmosferic ar trebuie sa reprezinte o prioritate in cadrul cercetarilor referitoare la starea si evolutia stratului de ozon.Organizatia Meteorologica Mondiala prin programul GAW ce cuprinde peste 160 de statii, furnizeaza zilnic date de ozon total in vederea elaborarii in timp real a hartilor emisferice de ozon total ( figura 1). Romania, este un participant permanent in programul WMO/GAW (1991-prezent) de monitorizare in timp real a ozonului atmosferic. Valorile de ozon total masurate la Bucuresti sunt transmise zilnic in vederea realizarii in timp real a hartilor de ozon total. De asemenea, s-a participat la toate campanile intensive de masuratori destinate evaluarii evolutiei stratului de ozon la latitudini medii si polare ale Europei.

Figura 1. Distributia valorilor de ozon total in Emisfera Nordica( www.meteoromania.ro)

La statia Bucuresti Baneasa, monitorizarea zilnica a ozonului total se face cu Spectofotometrul DOBSON 121 incepand din anul 1980, ceea ce a condus la acumularea unui fond de date de 32 de ani ce permite evaluarea starii ozonului total cu un grad suficient de incredere.

Spectofotometrul Dobson a fost conceput inca din anul 1927 de G.M.B. Dobson care si-a propus “sa creeze un instrument capabil sa masoare cantitatea de ozon din atmosfera cu o precizie de masurare de aproximativ 1% si care sa poata fi utilizat in masuratori de rutina, nu numai in cercetari de laborator”. In present, in reteaua mondiala de statii de sol care masoara ozonul total exista circa 16 tipuri de instrumente, dar cele mai raspandite sunt spectofotometrele Dobson.

Figura 2. Spectofotometrul Dobson 121

Observatiile de ozon constau in masurarea intensitatii relative a catorva perechi de lungimi de unda din banda ultravioleta (A, B, C, D) (tabelul 1) iar ecuatia de calcul a ozoznului total este urmatoare:

Unde indicii 1, 2 se refera la cele doua lungimi de unda pereche si (β- β’)1 – (β- β’)2.

Tabelul 1. Coeficientii de absorbtie ai ozonului si coeficientii de imprastiere (valabili de la 1 ianuarie 1992):

Perechi de lungimi de

undă

Lungimea de undă (A.U.)

Coeficienţii de absorbţie a ozonului(α – α’)

Coeficienţii de împrăştiere atmosferici β – β’

α – α’β Β’ (β – β’)

AScurta 3055

1,806 0,489 0,375 0,114 0,063Lunga 3254

BScurta 3088

1,192 0,466 0,355 0,111 0,093Lunga 3291

CScurta 3114

0,833 0,450 0,344 0,109 0,131Lunga 3324

DScurta 3176

0,374 0,414 0,310 0,104 0,278Lunga 3398

Cu spectofotometrul Dobson se pot efectua o varietate de masuratori de ozon total prezentate in tabelul 2 :

Tabelul 2. Tipuri de observatii efectuaute cu spectofotometrul DobsonTipul de observaţie

Lungimi de undă Sursa de lumină Domeniul

AD-DSGQP A – D Soare direct 1,15 < µ < 3,0

CD-DSGQP C – D Soare direct 2,4 < µ < 3,5

AD-ZB A – D Zenit clar 1,15 < µ < 4,0

CD-ZB C – D Zenit clar 1,8 < µ < 5,8

AD-ZC A – D Nori zenitali 1,15 < µ < 2,4

CD-ZC C – D Nori zenitali 1,8 < µ < 5,8

DIAGRAMA FLUX PENTRU EXECUTAREA OBSERVATIILOR DE OZON TOTAL

EVALUAREA CONDITIILOR DE OBSERVATIE IN FUNCTIE DE STARE

ABSENTA PRECIPITATIILOR PREZENTA PRECIPITATIILORNu se executa observatii de ozon total

INSTALAREA APARATULUI LA LOCUL DE

OBSERVATIE:- verificarea pozitiei de zero a microampermetrului,- controlul temperaturii aparatului,

OBSERVATII PE SOAREa)Pornirea motorului,b) Setarea celor 3 lungimi de unda(C,D,A)c) Montarea directorului de soare, orientareaaparatului spre soare si ajustarea prismeidirectorului pentru iluminarea maxima,d) Ajustarea deviatiilor microampermetrului panala egalarea deviatiilor,e) Citirea pozitiei discului de compensare,f) Repetarea operatiilor d) si e) pentru fiecarelungime de unda,g) Repetarea operatiilor a-f pentru fiecare ora de observatie (9-16).

OBSERVATII PE ZENIT SENIN SAU NOROS

a) Se inlatura placa de cuartb) se efectueaza operatiile de la observatii pe

soare cu exceptie pct. c)

CALCULAREA VALORILOR DE OZON TOTALProgram DOBSON

TRANSMITEREA VALORII MEDII ZILNICE LA CENTRUL MONDIAL DE OZON DIN CANADA SI LA CENTRUL EUROPEAN DE OZON DIN GRECIA

Variatia lunara a ozonului total pentru latitudinile medii si inalte este foarte bine conturata (figura 3) si are la baza procesele de circulatie atmosferica de scara mare care determina trasportul ozonului din regiunile de maxima geneza (stratosfera dintre cele doua tropice) de unde este purtat pe suprafete descendente catre latitudinile mijlocii si inalte. In functie de caracterul circulatiei zonala sau meridionala, ozonul este stocat la latitudini inalte sau transferat catre latitudinile mijlocii.

Distributia valorilor medii lunare multianuale

250

270

290

310

330

350

370

390

410

430

450

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XIILuna

Ozon (UD)

Figura 3. Media valorilor medii lunare multianuale de ozon total pentru statia Bucuresti (1980-2012)

Se constata faptul ca valorile cele mai mari sunt inregistrate iarna si primavara, iar cele mai mici toamna. Aceasta distributie a valorilor de ozon este specifica statiilor amplasate in emisfera nordica la latitudini de 45º N.

Abaterile mediilor lunare de ozon total din perioada 2006-2009 fata de mediile lunare multianuale exprimate in procente sunt prezentate in figura 4. Din aceasta figura atrage atentia abaterea inregsitrata in februarie 2008 (-10.1%) din campul de ozon total masurat la Bucuresti.

Pentru a intelege ce s-a intamplat in iarna 2007-2008 au fost analizate urmatoarele materiale:

concentratiile medii lunare de ozon la nivelul emisferei nordice (analize ECMWF), nivelel verticale de presiune (300, 250,150, 100, 30, 10, 1 mb), trasare logaritmica pe verticala, distributie latitudinala (0° - 90° N);

campul de temperatura medie lunara la 30 hPa in proiectie polara stereo (analiza ECMWF).

Dupa cum se stie transportul speciilor chimice in stratosfera se realizeaza prin circulatia BREWER – DOBSON care consta in miscari ascendente in regiunea tropicala si descendente in regiune extratropicala la care este asociat flux de masa indreptat catre poli.

.

-12.0

-10.0

-8.0

-6.0

-4.0

-2.0

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

I II III IV V VI VII VIII IX X XI XIILuna

Abat

erea

fata

de

med

ia m

ultia

nual

a (%

)

2009 20082007 2006

Figura 4 . Deviatia procentuala a valorilor medii lunare a ozonului total fata de media lunara multianuala (2006-2009 )

Figura 5 Distributia latitudinala lunara a concentariei de ozon caracteristica Emisferei Nordice (ECMWF )- Februarie 2008

Efectele acestui tip de circulatie asupra speciilor chimice sunt completate cu procese de amestec (in principal quasi- orizontale) care contribuie la trasportul maselor de aer atat catre pol cat si invers catre ecuator. Ambele procese sunt in principal guvernate de forcingul mechanic rezultatat din disiparea undelor planetare in stratosfera. Aceste unde planetare sunt generate in troposfera prin forcing topografic si termic.

Vortexul Polar este o caracteristica dinamica a iernii si primaverii arctice si se intinde de obicei pana la 60°-70° N, actionand ca o bariera efectiva in procesul de amestec al aerului de la latitudinile medii cu aerul Polar. Diagnosticarea intinderii spatiale si a intensitatii vortexului este importanta pentru intelegerea variabilitatii temporale si spatiale a ozonului in timpul iernii/primaverii.

In lunile ianuarie si februarie 2008, intensitatea vortexului polar poate furniza cea mai buna masura a cuplajului dintre stratosfera si troposfera (Figura 5, 6 ).

Perturbarile din circulatia vestica in stratosfera mijlocie si inalta la latitudini medii la altitudine de peste 15 km cu efect maxim intre 20 si 30 km (unde este localizat maximul concentratiei de ozon), blocheaza propagarea ascendenta a undelor planetare din troposfera si interactiunea lor cu circulatia stratosferica.

Figura 6 Distributia lunara a temperaturii specifica nivelului de 30hPa In proiectia stereo polara (ECMWF) – Februarie 2008

Pentru a exemplifica situatia descrisa mai sus au fost extrase, din sondajul aerologic efectuat la statia Bucuresti, directia si viteza vantului la nivelurile de 100 hPa, 70 hPa, 50 hPa, si 30 hPa, (figurile 7, 8, 9, 10 ) pentru lunile ianuarie si februarie 2008. Se poate observa circulatia intensa din sectorul vestic (jet stratosferic cu o intensitate in luna februarie 2008 pana la 50 hPa - Draghici, I., 1998) ce blocheaza propagarea undelor planetare in stratosfera joasa si inalta cu implicatii asupra distributiei campului de ozon.

Ianuarie 2008 - 100 hPa

0

5

10

15

20

25N

NNE NE

ENE E

ESE SE

SSE S

SSV SV

VSV

V

VNV NV

NNV

0-10 m/s 10-15 m/s 15-20 m/s 20-25 m/s 25-35 m/s 35-45 m/s 45-55 m/s

Ianuarie 2008 - 70 hPa

0

5

10

15

20

25

N

NNE NE

ENE E

ESE SE

SSE S

SSV SV

VSV V

VNV NV

NNV

%

0-10 m/s 10-15 m/s 15-20 m/s 20-25 m/s 25-35 m/s 35-45 m/s 45-55 m/s

Figura 7. Frecventa vatului pe clase de viteza la nivelul de 100 -70 hPa –Ianuarie 2008

Ianuarie 2008 - 50 hPa

0

5

10

15

20

25

N

NNE NE

ENE E

ESE SE

SSE S

SSV SV

VSV V

VNV NV

NNV

0-10 m/s 10-15 m/s 15-20 m/s 20-25 m/s 25-35 m/s 35-45 m/s 45-55 m/s

Ianuarie 2008 - 30 hPa

0

5

10

15

20

25

N

NNE NE

ENE E

ESE SE

SSE S

SSV SV

VSV V

VNV NV

NNV

%

0-10 m/s 10-15 m/s 15-20 m/s 20-25 m/s 25-35 m/s 35-45 m/s 45-55 m/s

Figura 8. Frecventa vantului pe clase de viteza la nivelul de 50 30 hPa- Ianuarie 2008

Februarie 2008 - 100 hPa

0

5

10

15

20

25

N

NNE NE

ENE E

ESE SE

SSE S

SSV SV

VSV V

VNV NV

NNV

%

0-10 m/s 10-15 m/s 15-20 m/s 20-25 m/s 25-35 m/s 35-45 m/s 45-55 m/s

Februarie 2008 - 70 hPa

0

5

10

15

20

25

N

NNE NE

ENE E

ESE SE

SSE S

SSV SV

VSV V

VNV NV

NNV

%

0-10 m/s 10-15 m/s 15-20 m/s 20-25 m/s 25-35 m/s 35-45 m/s 45-55 m/s

Figura 9. Frecventa vantului pe clase de viteza la nivelul de 100 70 hPa – Februarie 2008

Februarie 2008 - 50 hPa

0

5

10

15

20

25N

NNE NE

ENE E

ESE SE

SSE S

SSV SV

VSV

V

VNV NV

NNV

%

0-10 m/s 10-15 m/s 15-20 m/s 20-25 m/s 25-35 m/s 35-45 m/s 45-55 m/s

Februarie 2008 30 - hPa

0

5

10

15

20

25

N

NNE NE

ENE E

ESE SE

SSE S

SSV SV

VSV V

VNV NV

NNV

%

0-10 m/s 10-15 m/s 15-20 m/s 20-25 m/s 25-35 m/s 35-45 m/s 45-55 m/s

Figura 10. Frecventa vantului pe clase de viteza la nivelul de 50 30 hPa – Februarie 2008

In martie 2008 concentratiile mari de ozon avanseaza spre Polul Nord , slabesc si mai mult gradientul termic, iar in circulatia vestica apare o relaxare (figura 11), ceea ce permite o deblocare a cuplajului troposfera – stratosfera si propagarea undelor planetare in startosfera in interactiunea acestora cu circulatia stratosferei joase si inalte. Se produc ascendente puternice, cu raciri rapide care alterneaza cu subsidente si mai puternice care produc cresteri rapide de temperatura- ceea ce permite ca in Martie sa para o incalzire stratosferica sau initierea procesului de spargere a vortexului Polar.

Figura 11. Distributia latitudinala lunara a concentratiei de ozon specifica Emisferei Nordice – Martie 2008

Masuratorile de ozon (profile de ozon obtinute din sondaje si masuratorile satelitare) arata o scadere aconcentratiei la latitudini medii si inalte atunci cand apare fenomenul de tropopauza multipla (figura 12 WILIAM J. Et al., 2006).

Figura 12. Profile verticale de ozon la statiile: Churchill, Payerne, Boulder si profile de ozon observate din SAGE II ( satellite ozone measurements from stratospheric aerosol and gas experiment)

Dina analiza ECMWF a datelor ERA 40 (1957-2002) Upalla et al. (2005) au aratat ca frecventa climatologica (%) de aparitie a tropopauzelor duble este specifica benzii de latitudine (30N- 60N) pentru lunile decembrie- februarie, figura 13.

Figura 13.Frecvenţa climatologică (%) de apariţie a tropopauzelor duble pentru lunile decembrie - februarie (Upalla et al., 2005)

Din figura de mai sus se poate observa ca la statia Bucuresti frecventa de aparitie a tropopauzelor duble este mare ( zona hasurata). Plecand de la aceste considerente au fost extrase din sondajul aerologic ( ora 00 UTC si 12 UTC ) zilele cu tropopauza dubla inregistrate la bucuresti in perioada 01.01.2008 – 31.01.2008 figurile 20 si 21.

Zile cu tropopauza dubla ianuarie- martie 2008 00 UTC

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

1-J

an

4-J

an

7-J

an

10-J

an

13-J

an

16-J

an

19-J

an

22-J

an

25-J

an

28-J

an

31-J

an

3-F

eb

6-F

eb

9-F

eb

12-F

eb

15-F

eb

18-F

eb

21-F

eb

24-F

eb

27-F

eb

1-M

ar

4-M

ar

7-M

ar

10-M

ar

13-M

ar

16-M

ar

19-M

ar

22-M

ar

25-M

ar

28-M

ar

31-M

ar

Figura 14. Frecventa zilelor cu tropopauza dubla din Ianuarie pana in Martie 2008 pentru 00 UTC - Bucuresti

Zile cu tropopauza dubla ianuarie- martie 2008 12 UTC

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

1-J

an

4-J

an

7-J

an

10-J

an

13-J

an

16-J

an

19-J

an

22-J

an

25-J

an

28-J

an

31-J

an

3-F

eb

6-F

eb

9-F

eb

12-F

eb

15-F

eb

18-F

eb

21-F

eb

24-F

eb

27-F

eb

1-M

ar

4-M

ar

7-M

ar

10-M

ar

13-M

ar

16-M

ar

19-M

ar

22-M

ar

25-M

ar

28-M

ar

31-M

ar

Figura 15. Frecventa zilelor cu tropopauza dubla din Ianuarie pana in Martie 2008, pentru 12 UTC – Bucuresti

Din figurile 14 si 15 se poate observa frecventa mare a zilelor cu tropopauza dubla si frecventa destul de mare de aparitie a celei de-a doua tropopauze in zona 100 hPa – 50 hPa unde concentratia de ozon este mare si procesele de distrugere a ozonului capata o pondere mare din bugetul ozonului total.

Concluzii

Abaterea ozonului total fata de media lunara multianuala din luna februarie 2008 (-10.1 %), pusa in evidenta prin masuratori, efectuate la statia Bucuresti, cu spectrofotometru Dobson 121, se datoreaza contextului meteorologic din stratosfera joasa si mijlocie din iarna 2007/2008, prin doua posibile mecanisme:

- circulatia intensificata din sectorul vestic (jet stratosferic), a condus la, blocarea undelor planetare in stratosfera, avand consecinte asupra transportului de ozon din zona de geneza la latitudinile medii si inalte;

- cresterea frecventei de aparitie a tropopauzei duble inregistrate Bucuresti, genereaza cresterea proceselor de schimb troposfera-stratosfera, ce au condus la transportul de ozon din stratosfera inferioara si distrugerea lui prin procese fotochimice.

In cosecinta, transportul si amestecul maselor de aer, provenite de la diferite latitudini si altitudini, pot influenta bugetul de ozon stratosferic cat si tendintele de variatie de la latitudinile medii ale emisferei nordice. Prin urmare, stabilirea unei ponderi intre variatia ozonului datorata

proceselor de trasport catre Polul din timpul iernii si variatia lui in procesele de schimb troposfera-stratosfera de la latitudini medii, devine dificil de cuantificat.