Электростатический механизм эмиссии бром-содержащих соединений, участвующих в цикле разрушения поверхностного озона
В статье собраны факты, касающиеся весенних циклов разрушения поверхностного озона в морской зоне полярных регионов и особой роли бром-содержащих веществ в этих процессах. Предложена точка зрения автора на механизмы эмиссии бром-содержащих соединений в условиях сильного ветра и при «хорошей погоде»....
Saved in:
| Published in: | Український антарктичний журнал |
|---|---|
| Date: | 2012 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Національний антарктичний науковий центр МОН України
2012
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/129400 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Электростатический механизм эмиссии бром-содержащих соединений, участвующих в цикле разрушения поверхностного озона / Е.Ю. Ткаченко // Український антарктичний журнал. — 2011-2012. — № 10-11. — С. 128-135. — Бібліогр.: 38 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-129400 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
Ткаченко, Е.Ю. 2018-01-19T15:27:30Z 2018-01-19T15:27:30Z 2012 Электростатический механизм эмиссии бром-содержащих соединений, участвующих в цикле разрушения поверхностного озона / Е.Ю. Ткаченко // Український антарктичний журнал. — 2011-2012. — № 10-11. — С. 128-135. — Бібліогр.: 38 назв. — рос. 1727-7485 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/129400 551.578.4(537.523:551.559)(211) В статье собраны факты, касающиеся весенних циклов разрушения поверхностного озона в морской зоне полярных регионов и особой роли бром-содержащих веществ в этих процессах. Предложена точка зрения автора на механизмы эмиссии бром-содержащих соединений в условиях сильного ветра и при «хорошей погоде». У статті зібрано факти щодо весняних циклів руйнування поверхневого озону в морській зоні полярних реґіонів та особливої ролі бромовмісних сполук у цих процесах. Запропоновано точку зору автора відносно механізмів емісії бромовмісних сполук в умовах сильного вітру та при «гарній погоді». In the investigation we discuss boundary layer ozone depletion events associated with spring and polar sea ice zone, special role of bromine in these processes and a viewpoint of author concerning mechanisms of bromine release in “fair weather” conditions and under high wind. ru Національний антарктичний науковий центр МОН України Український антарктичний журнал Ядерно-фізичні дослідження Электростатический механизм эмиссии бром-содержащих соединений, участвующих в цикле разрушения поверхностного озона Електростатичний механізм емісії бромовмісних сполук, що беруть участь у циклі руйнування поверхневого озону Electrostatic mechanism of bromine release during ozone depletion events Article published earlier |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| title |
Электростатический механизм эмиссии бром-содержащих соединений, участвующих в цикле разрушения поверхностного озона |
| spellingShingle |
Электростатический механизм эмиссии бром-содержащих соединений, участвующих в цикле разрушения поверхностного озона Ткаченко, Е.Ю. Ядерно-фізичні дослідження |
| title_short |
Электростатический механизм эмиссии бром-содержащих соединений, участвующих в цикле разрушения поверхностного озона |
| title_full |
Электростатический механизм эмиссии бром-содержащих соединений, участвующих в цикле разрушения поверхностного озона |
| title_fullStr |
Электростатический механизм эмиссии бром-содержащих соединений, участвующих в цикле разрушения поверхностного озона |
| title_full_unstemmed |
Электростатический механизм эмиссии бром-содержащих соединений, участвующих в цикле разрушения поверхностного озона |
| title_sort |
электростатический механизм эмиссии бром-содержащих соединений, участвующих в цикле разрушения поверхностного озона |
| author |
Ткаченко, Е.Ю. |
| author_facet |
Ткаченко, Е.Ю. |
| topic |
Ядерно-фізичні дослідження |
| topic_facet |
Ядерно-фізичні дослідження |
| publishDate |
2012 |
| language |
Russian |
| container_title |
Український антарктичний журнал |
| publisher |
Національний антарктичний науковий центр МОН України |
| format |
Article |
| title_alt |
Електростатичний механізм емісії бромовмісних сполук, що беруть участь у циклі руйнування поверхневого озону Electrostatic mechanism of bromine release during ozone depletion events |
| description |
В статье собраны факты, касающиеся весенних циклов разрушения поверхностного озона в морской зоне полярных регионов и особой роли бром-содержащих веществ в этих процессах. Предложена точка зрения автора на механизмы эмиссии бром-содержащих соединений в условиях сильного ветра и при «хорошей погоде».
У статті зібрано факти щодо весняних циклів руйнування поверхневого озону в морській зоні полярних реґіонів та особливої ролі бромовмісних сполук у цих процесах. Запропоновано точку зору автора відносно механізмів емісії бромовмісних сполук в умовах сильного вітру та при «гарній погоді».
In the investigation we discuss boundary layer ozone depletion events associated with spring and polar sea ice zone, special role of bromine in these processes and a viewpoint of author concerning mechanisms of bromine release in “fair weather” conditions and under high wind.
|
| issn |
1727-7485 |
| url |
https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/129400 |
| citation_txt |
Электростатический механизм эмиссии бром-содержащих соединений, участвующих в цикле разрушения поверхностного озона / Е.Ю. Ткаченко // Український антарктичний журнал. — 2011-2012. — № 10-11. — С. 128-135. — Бібліогр.: 38 назв. — рос. |
| work_keys_str_mv |
AT tkačenkoeû élektrostatičeskiimehanizmémissiibromsoderžaŝihsoedineniiučastvuûŝihvciklerazrušeniâpoverhnostnogoozona AT tkačenkoeû elektrostatičniimehanízmemísííbromovmísnihspolukŝoberutʹučastʹuciklíruinuvannâpoverhnevogoozonu AT tkačenkoeû electrostaticmechanismofbrominereleaseduringozonedepletionevents |
| first_indexed |
2025-11-26T23:39:22Z |
| last_indexed |
2025-11-26T23:39:22Z |
| _version_ |
1850781706468982784 |
| fulltext |
Е.Ю. Ткаченко: ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ЭМИССИИ БРОМ-СОДЕРЖАЩИХ …
128
УДК 551.578.4(537.523:551.559)(211)
ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ЭМИССИИ БРОМ-
СОДЕРЖАЩИХ СОЕДИНЕНИЙ, УЧАСТВУЮЩИХ В ЦИКЛЕ
РАЗРУШЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО ОЗОНА
Е.Ю. Ткаченко
Институт геологических наук НАН Украины, ул. Гончара, 55-Б, г. Киев
e-mail: ktkachenko@ igs-nas.org.ua
Реферат. В статье собраны факты, касающиеся весенних циклов разрушения поверхностного озона в
морской зоне полярных регионов и особой роли бром-содержащих веществ в этих процессах.
Предложена точка зрения автора на механизмы эмиссии бром-содержащих соединений в условиях
сильного ветра и при «хорошей погоде».
Електростатичний механізм емісії бромовмісних сполук, що беруть участь у циклі руйнування
поверхневого озону. Ткаченко К.Ю.
Реферат. У статті зібрано факти щодо весняних циклів руйнування поверхневого озону в морській зоні
полярних реґіонів та особливої ролі бромовмісних сполук у цих процесах. Запропоновано точку зору
автора відносно механізмів емісії бромовмісних сполук в умовах сильного вітру та при «гарній погоді».
Electrostatic mechanism of bromine release during ozone depletion events. Tkachenko K.Yu.
Abstract. In the investigation we discuss boundary layer ozone depletion events associated with spring and
polar sea ice zone, special role of bromine in these processes and a viewpoint of author concerning
mechanisms of bromine release in “fair weather” conditions and under high wind.
Key words: ozone, corona, frost flowers, wind, ozone depletion events
1. Вступление
Механизмы многих химических реакций, которые протекают на поверхности снежного
покрова и морского льда полярных регионов и существенно влияют на состав атмосферы, до
сих пор полностью не изучены и остаются предметом научной дискуссии. Ярким примером
таких реакций являются резкие падения концентрации озона («ozone depletion events» – ODE)
от уровня фона (30-35 ppt) до предела обнаружения (0,2 ppt), на которые исследователи
впервые обратили внимание в 80-е годы (Oltmans, 1981; Bottenheim et al., 1986). Однако, судя
по архивным данным, собранным в период первого Международного полярного года 1957-58
гг. (Roscoe et al., 2006), такие события возникали и ранее. Эти периоды характерны только для
полярных регионов, причем наблюдаются они только в морской зоне, длятся от нескольких
часов до нескольких дней, распространяясь на площади до нескольких миллионов квадратных
километров и влияя на бюджет озона в глобальном масштабе.
Barrie et al. (1988, 89) и Bottenheim et al. (1990) показали наличие зависимости между
падением концентрации озона и увеличением содержания в атмосфере соединений брома
(“bromine explosions”). Согласно спутниковым данным (Global Ozone Monitoring Experiment
(GOME)), наблюдаемые значения концентрации окиси брома вертикально неоднородны и в
области морского льда имеют максимальные значения, превышая в местах возникновения
ODE фоновые значения почти на порядок величины.
УКРАЇНСЬКИЙ АНТАРКТИЧНИЙ
ЖУРНАЛ
УАЖ, № 10-11, 128-135 (2011/2012)
Е.Ю. Ткаченко: ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ЭМИССИИ БРОМ-СОДЕРЖАЩИХ …
129
В этой статье мы попытались собрать сведения о роли бром-содержащих соединений в
цикле разрушения поверхностного озона, а главное, высказать свои соображения по поводу
неясного до сих пор механизма эмиссии брома из конденсированной фазы в газообразную.
2. Почему столь существенна роль бром-содержащих соединеий?
При высоких концентрациях BrO преобладают реакции
2(Br˙ + O3 → BrO˙ + O2)
BrO˙ + BrO˙ → 2Br˙ + O2
(1)
(2)
(3)
2O3 → 3O2
При уровне BrO˙ 10-30 ppt скорость разрушения озона составит 1-2 ppb/час, что при
уровне концентрации озона 30-40 ppb приведет к его исчезновению за два дня.
Дополнительно озон может разрушаться по схеме
BrO˙ + O3 → Br˙ + 2O2
При наличии ClO˙ возможно образование интергалогенидов (Foster et al., 2001)
BrO˙ + ClO˙ → Br˙ + Cl˙ + O2
→ BrCl + O2
→ Br˙ + OСlO˙
(4)
(5)
(6)
При малых концентрациях BrO˙ увеличивается вклад реакции с участием радикала НО2
BrO˙ + HO2˙ → HOBr + O2
HOBr
hv
OH˙ + Br˙
CO + OH
O2 HO2˙+ CO2
(7)
(8)
(9)
Константа скорости реакции окисления галогенид иона по реакции
O3 + Hal- → HalO- + O2 (10)
в случае участия атомов брома составляет 3·102 М-1с-1 (Finlayson-Pitts et al., 2002), что на 5
порядков выше, чем соответствующая величина для атомов хлора (2·10-3 М-1с-1). Таким
образом, окисление брома происходит значительно быстрее.
При компьютерной симуляции пространственного распределения различных ионов в
растворах солей было показано, что атомы брома (так же, как и йода) располагаются ближе
к поверхности, чем атомы хлора, и таким образом вероятность их участия в процессах,
протекающих на поверхности, выше (Finlayson-Pitts et al., 2002).
Роль атомов йода в процессах разрушения озона считается малосущественной из-за
низкого уровня концентрации этого иона.
3. Источники и условия эмиссии бром-содержащих соединений
Основные источники брома остаются до сих пор предметом дискуссии. Так, (Barrie et
al., 1988; Struges et al., 1992) предположили связь между ODE и повышенным содержанием
бромоформа в периоды полярного весеннего цветения. Невысокое отношение смешения
бромоформ c атмосферой и низкое значение его фотодиссоциации (JCHBr3 ~10-6 s-1 Moortgat et
al., 1993) говорят против этого предположения.
Frieß et al. (2004) на основании экспериментального материала и теоретических
расчетов указали на связь между повышенными концентрациями окиси брома и наличием
контакта воздушных масс с поверхностями, содержащими морскую соль. Согласно
модельным построениями Jones et al. (2009), максимальный контакт газовой фазы с
поверхностями, содержащими морскую соль, достигается
Е.Ю. Ткаченко: ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ЭМИССИИ БРОМ-СОДЕРЖАЩИХ …
130
а) при сильном ветре,
б) в условиях «хорошей погоды» *.
3.1. Роль сильного ветра в падении концентрации озона
Значительное понижение концентрации озона может возникнуть, если сильный ветер
(ок. 15-20 м/с) сформировался и прошел значительное расстояние над поверхностью
морского льда, истирая соленый снег. Такое увеличение концентрации BrO и падение
концентрации озона над морем Уэдделла 9 октября 2007 Jones et al. (2009) наблюдали в
условиях сильного ветра и метели. Явление наблюдалось несколько дней и покрыло
большую площадь моря Уэдделла (28 000 км2). Содержание BrO в вертикальном столбе
атмосферы выросло в несколько раз и составило 1∙1014 молекул см-2.
Автор рискнул сделать предположение, что эмиссия брома из соли, присутствующей в
снегу, происходит в результате сильного повышения градиента электрического поля
(Tkachenko and Kozachkov, 2011). Действительно, в условиях вьюги происходит
значительная трибоэлектризация снега, что приводит к возникновению значительных
потенциалов на поверхности. В литературе есть данные, что значения напряженности поля
над поверхностью достигают 30 кВ/м (Schmidt et al., 1999), 26.2 кВ/м (Gordon et al., 2010).
При таких потенциалах на остриях ледяных кристаллов (10-100 мкм) могут достигаться
значения потенциала, достаточные для зажигания короны (порядка 106 В/м (Френкель,
2007)). Многие полевые исследователи сообщают, что в облаках снежной пыли
наблюдаются синие и фиолетовые вспышки, возникают радиопомехи.
При этом могут происходить как процессы окисления с образованием летучих
соединений брома в положительной области потенциала,
-2e
Br Br2 (11)
Br- + Cl- BrCl
-2e
(12)
так и непосредственная эмиссия бромид ионов, скорее всего окруженных гидратной
оболочкой в отрицательной области потенциала.
[Br-]конд фаза+nH2O
grad
[Br-∙nH2O]газ фаза ↑ (13)
В подтверждение изложенным выше соображениям следует отметить, что увеличение
токов коронирования (point discharge current) при увеличении скорости ветра не раз
исследовалось при изучении процессов, происходящих в глобальной электрической цепи
(Large and Pierce, 1957, Kirkman and Chalmers, 1957). Есть также данные о «химических
результатах» влияния увеличения тока коронирования. Так, Duetsch et al. (1980) показано,
что резкие флуктуации концентрации озона в точке наблюдения на высоте 120 м являлись
результатом усиления токов коронирования. Коронный разряд приводит к образованию
озона из молекулярного кислорода и является стандартным способом получения озона в
промышленных условиях, и, как правило, увеличение токов коронирования приводит к
увеличению концентрации озона (как в Duetsch et al., 1980). Если же токи коронирования
возникают во время метели в морской зоне, присутствие морских солей в снегу, согласно
нашему предположению, приводит к эмиссии бром-содержащих веществ в атмосферу и
инициирует разрушение присутствующего в этой области озона, запуская, таким образом,
механизм возникновения ODE.
* Условия «хорошей погоды» соответствуют скорости ветра не более 6 м/с при отсутствии
всякого рода осадков, инея, тумана, нижней облачности.
Е.Ю. Ткаченко: ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ЭМИССИИ БРОМ-СОДЕРЖАЩИХ …
131
3.2. Падение концентрации поверхностного озона в условиях «хорошей погоды»
ODE в условиях «хорошей погоды», как правило, связано с присутствием молодого
льда, возрастом до 1 года (Simpson et al., 2006). Действительно, в процессе роста льда
морская соль выталкивается на поверхность растущего кристалла, поэтому молодой лед
покрыт слоем рассола, который при старении льда постепенно вымывается. Кроме того,
источником морской соли являются также растущие на молодом льду при определенном
температурном режиме ледяные цветы (рис. 1).
На этих удивительных ледяных структурах, покрытых слоем рассола, который
поднимается по капиллярным эффектам по «стеблю» цветка (рис. 2), следует остановиться
чуть подробнее.
Рис. 1. Фотография ледяных цветов. Рис. 2. Схематический рисунок ледяного
цветка.
Style and Worster (2009) было показано и подтверждено в лаборатории, что
формирование ледяного цветка может происходить в достаточно сухом воздухе при
наличии большого градиента температур. Тонкий молодой лед, на котором растут ледяные
цветы, близок по температуре к морской воде, которая находится под ним. Резкое падение
температуры окружающего воздуха на 15-20оС приводит к охлаждению воздуха над
поверхностью льда, который, охлаждаясь, проходит через точку росы, что ведет к росту
дендритного кристалла. Образуется скелет ледяного цветка.
Формирование цветка происходит на неровностях, наростах и других дефектах,
которые играют роль зародыша для роста кристалла. По скелету цветка поднимается
рассол, присутствующий на поверхности молодого льда. Состав рассола определяется
локальными условиями, в том числе и температурными. Постепенно весь ледяной цветок
покрывается «шубой» рассола, соленость которого в среднем в три раза превышает
соленость морской воды. В рассоле при охлаждении выпадают кристаллы Na2SO4-
мирабилита, температура замерзания которого -8оС. Морфология цветка и присутствие в
его структуре четырех описанных выше фаз было изучено Alvarez-Aviles et al. (2008).
Пониженное содержание сульфата отличает зимне-весенние аэрозоли, возникшие с
участием ледяных цветов (Beaudon and Moore, 2009), от аэрозолей морского
происхождения.
Kaleschke et al. (2004) показана связь между повышением концентрации окиси брома и
зонами, где потенциально возможен рост ледяных цветов. Что является причиной эмиссии
бром-содержащих соединений из конденсированной фазы в газообразную и запускает
механизм с образованием летучих соединений брома, разрушающих поверхностный озон в
морской зоне полярных регионов, остается неясным. Мы попытались приблизительно
Е.Ю. Ткаченко: ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ЭМИССИИ БРОМ-СОДЕРЖАЩИХ …
132
подсчитать, могут ли быть в условиях «хорошей погоды» в полярных условиях на конце
иглы ледяного цветка достигнуты условия возникновения тихого/коронного разряда.
Силовые линии электрического поля концентрируются у острия, и напряженность поля
Е возрастает. У самого острия ее подсчитывают по формуле:
E =U/r , ()
где U – потенциал, r – радиус кривизны острия.
Согласно Френкелю (2007), ионизация начинается при значениях Е 3·106 В/м, хотя в
литературе встречаются и более низкие значения. Согласно Griffiths (1975), пороговое
значение электрического поля, при котором начинается инициирование коронного разряда
на ледяных частицах в облаках, составляет 350-400 кВ/м. А согласно Stromberg (1970),
возникновение тока коронирования на иглах ели наблюдается уже при 6000 В/м. Потенциал
на конце иглы ледяного цветка можно оценить по формуле
U= h·Ео, ()
где h – высота цветка, Ео – напряженность электрического поля в данной области
пространства. Таким образом,
Е= h·Ео/r . ()
Напомним, что стебель ледяного цветка покрыт проводящим рассолом, поэтому можно
условно рассматривать ледяной цветок как заземленный проводник – аналог метелочной
антенны (Поляков В.Т., 2008).
Диаметр иглообразного окончания ледяного дендритного кристалла, растущего в
условиях перенасыщения воздуха влагой, такого, как ледяной цветок, можно оценить по
данным (Gonda,1994), согласно которым этот параметр зависит от скорости роста кристалла
и колеблется в интервале 15-30 мкм ((1.5-3)·10-5м). Т.е. средний радиус ледяной иглы в этих
условиях (0,7-1,5)·10-5м или ~10-5м. Согласно Alvarez-Aviles et al. (2008), высота ледяного
цветка составляет от 1 до 4 см, или (1-4)·10-2 м.
Напомним, что вертикальная компонента электрического поля Еz увеличивается сверху
вниз, достигая у поверхности Земли максимальных значений. Для средних широт
характерной величиной является напряженность поля 100-130 В/м. В области полярных
шапок значения напряженности выше в среднем на 25% соответствующих значений для
средних широт (Tinsley et al., 2007) в результате влияния процессов взаимодействия
солнечного ветра с магнетосферой Земли и более интенсивного воздействия потока
космических частиц, флуктуирующего в этих областях с большей интенсивностью. Так,
если средний потенциал ионосферы 200-300кВ (Tinsley et al., 2007), то в результате
взаимодействия плазмы солнечного ветра со стационарным магнитным полем Земли
генерируется электрическое поле, которое, как дополнительный потенциал, накладывается
на глобальный ионосферный потенциал, увеличивая его значение на 30-150 кВ (Tinsley et
al., 2007), что непосредственно сказывается на значении электрического поля у
поверхности Земли (Burns et al., 2010, Лукьянова и соавт., 2011). Например, согласно
данным (Belova et al., 2001), флуктуации Еz. во время магнетосферных суббурь на станции
Esrange (северная Швеция) составляли до 50% суточной вариации этого параметра. Однако
во время корональных выбросов солнечной массы возможны очень резкие возрастания
электрического поля, особенно в области авроральных овалов. Так, Kumar et al., 2008 на
антарктической станции Матри (67,14 ю.ш., 57,44 в.д., Индия) фиксировали возрастание
вертикальной составляющей электрического поля у поверхности Земли Еz до 800-1200 В/м.
В работе (Kasatkina et al., 2009) проводится сравнение флуктуаций параметра Еz 15.04.2001
во время корональных выбросов солнечной массы в четырех точках наблюдения:
авроральной станции Апатиты (геомагнитная широта 63.8˚), полярной станции Восток
(геомагн. ш. 89.3˚) и среднеширотных обсерваторий им. А.И. Воейкова (геомагн. ш. 56.1˚) и
Nagycenk (геомагн. ш. 47.2˚, Венгрия). Наибольшие флуктуации фиксировались на станции
Апатиты, где параметр достигал значений 1000 В/м; значительное возрастание (до 800 В/м)
Е.Ю. Ткаченко: ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ЭМИССИИ БРОМ-СОДЕРЖАЩИХ …
133
наблюдалось на станции Восток, незначительное на обсерватории им. А.И. Воейкова (200-
250 В/м), и практически не фиксировалось изменения поля на среднеширотной станции
Nagycenk. Эти данные еще раз подтверждают факт, что в области полярных регионов, а
особенно авроральных овалов, параметр Еz в среднем выше и подвержен резким
флуктуациям, особенно весной и осенью (Sivak, 2002).
Напомним также, что одно из основных условий возникновения ODE, а также условие
роста ледяного цветка – это наличие градиента температур над поверхностью тонкого льда,
возникающего в результате резкого падения температуры окружающего воздуха. В этой
области температурного градиента над поверхностью тонкого льда возникают области
локального перенасыщения воздуха влагой и условия для возникновения поверхностного
тумана. Результатом возникновения тумана являются понижение проводимости воздуха,
т.е. увеличение поля. Понижение проводимости происходит за счет улавливания частицами
влаги в тумане (облаке) ионов проводимости (Bering et al., 1998). Согласно (Bering et al.,
1998), значение электрического поля вне облака составляет около 5% значения,
измеряемого внутри облака. Измерения влияния поверхностного тумана на уменьшение
проводимости осуществлялись (Deshpande et al., 2004) над поверхностью океана в полярных
условиях. Под влиянием тумана наблюдалось изменение проводимости в 3-5 раз.
Соответственно во столько же раз увеличивались измеренные значения электрического
поля. Таким образом, резкое увеличение электрического поля в периоды магнитосферных
бурь и суббурь приводит к значительно большему его увеличению в области градиента
температур и локального перенасыщения влагой.
Если во время магнитосферных бурь и суббурь параметр Еz возрастает до 250 В/м, в
приповерхностном слое в условиях градиента температур его значение возрастает еще
больше – минимум в 3 раза, достигая 750 В/м. Согласно (Libbrecht and Tanusheva, 1998),
воздействие электрического поля на растущий ледяной кристалл увеличивает скорость
роста и способствует формированию иглообразной морфологии кристалла.
В соответствии с формулой III можно оценить величину поля на конце иглы ледяного
цветка при быстром росте дендритного кристалла, когда радиус иглы соответствует 10 мкм
(10-5м) (Gonda,1994) и высота цветка достигает 4 см (4·10-2 м):
Е =(250·3·0,04)/10-5 3·106.
Таким образом, в этих условиях, согласно нашим оценочным данным, значения поля
достаточны для возникновения коронирования. Хотя, как уже упоминалось, корона
является стандартным способом образования озона, однако в полярной морской зоне
корона может служить также пусковым механизмом эмиссии брома с последующим его
участием в процессах разложения озона.
4. Выводы
В работе рассмотрены возможности возникновения коронного разряда как механизма
эмиссии брома из конденсированной среды в газообразную: 1) в результате
трибоэлектризации соленого снега морской зоны во время сильного ветра; 2) на концах игл
ледяных дендритных кристаллов (ледяных цветов) при совпадении ряда условий.
Литература
Alvarez-Aviles L., Simpson W.R., Douglas T.A., Sturm M., Perovich D., Domine F. Frost
flower chemical composition during growth and its implications for aerosol production and bromine
activation // J. Geophys. Res. – 2008. – 113. – D21304, doi:10.1029/2008JD010277.
Barrie L.A., Bottenheim J.W., Schnell R.C., Crutzen P.J., Rasmussen R.A. Ozone destruction
and photochemical reactions at polar sunrise in the lower Arctic atmosphere// Nature. – 1988. – Vol.
334. – P. 138–141.
Е.Ю. Ткаченко: ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ЭМИССИИ БРОМ-СОДЕРЖАЩИХ …
134
Barrie, L.A., Bottenheim, J.W., Schnell, R.C., Crutzen, P.J., and Rasmussen, R.A.: Ozone
destruction and photochemical reactionsat polar sunrise in the lower Arctic atmosphere// Nature. –1988.
– Vol. 334. – P.138–141, doi:10.1038/334138a0.
Beaudon E., Moore J. Frost flowers chemical signature in winter snow on Vestfonna ice cap
(Nordaustlandet, Svaldbard)// Cryosphere Discuss. – 2009. – Vol. 3. – P. 159–180.
Belova E., Kirkwood S., Tammet H. The effect of magnetic substorms on near-ground
atmospheric current //Ann.Geophysicae – 2001. – Vol. 18. – P. 1623–1629.
Bering III E.A., Few A.A., Benbrook J.R. The global electric circuit//Physics today. – 1998. –
Vol.51. – P. 24–30.
Bottenheim, J.W., Gallant, A.J., and Brice, K.A.: Measurements of NOy species and O3 at
82_N latitude//Geophys. Res. Lett. – 1986. – Vol. 13(2). – P. 113–116.
Bottenheim J.W., Barrie L.A., Atlas E., Heidt L.E., Niki H., Rasmussen R.A., Shepson P.B.
Depletion of lower tropospheric ozone during Arctic spring: The polar sunrise experiment 1988//
J. Geophys. Res. – 1990. – Vol. 95. – P. 18 555–18 568.
Burns G.B, Tinsley Br.A., French W.J.R., Frank-Kamenetsky A.V., Troshichev O.A., Bering
E.A. Measuring the atmospheric circuit from the antarctic plateau 38th COSPAR Scientific Assembly.
2010, Bremen, Germany, p.7
Deshpande C.G., Kamra A.K. The atmospheric electric conductivity and aerosol measurements
during fog over the Indian Ocean //Atm. Res. – 2004. – Vol. 70. – P. 77–87.
Duetsch H.U.; Graber W.; Wyss A. High ozone values near ground caused by silent discharge//
Proceedings of Quadrennial International Ozone Symposium, Boulder, Co, 1980,. Vol. 1. (A82-36401 17-
46) Boulder, CO, International Association of Meteorology and Atmospheric Physics, 1981, p. 626–631.
Finlayson-Pitts B., Wingen L. and Wang W. Multiplying Factors for Bromine Destruction of
(Tropospheric ) // Proceedings of Ozone DOE Atmospheric Sciences Program (ASP) Meeting, March
20, 2002, Albuquerque, NM.
Foster K.L., Plastridge R.A., Bottenheim J.W., Shepson P.B., Finlayson-Pitts B.J., Spicer
C.W. The Role of Br2 and BrCl in Surface Ozone Destruction at Polar Sunrise// Science. – 2001. – Vol.
291. – P. 471–474, doi:10.1126/science.291.5503.471.
Frieß et al., Hollwedel, J., König-Langlo, G., Wagner, T., and Platt, U.: Dynamics and
chemistry of tropospheric bromine explosion events in the Antarctic coastal region // J. Geophys. Res. –
2004. - Vol. 109. - D06305, doi:10.1029/2003JD004 133.
Gonda T. Experimental studies of dendritic ice crystals growing from the vapor phase in:
Research of pattern formation, ed. by R. Takaki, KTK Scientific Publishers, Tokyo, 1994, P.171–130.
Gordon M., Biswas S., Taylor P. A., Hanesiak J., Albarran-Melzer M., Fargey S.
Measurements of drifting and blowing snow at Iqaluit, Nunavut, Canada during the STAR project. //
Atmos.-ocean. – 2010. – V.48. – P. 81. doi: 10.3137/AO1105.2010
Griffiths R.F. The initiation of corona discharges from charged ice particles in a strong electric
field // J. Electrostatics. – 1975. – Vol. 1. – Issu.1. – P. 3–13.
Jones A.E., Anderson P.S., Begoin M., Brough N., Hutterli M.A., Marshall G.J., Richter A.,
Roscoe H.K. BrO, blizzards, and drivers of polar tropospheric ozone depletion events // Atmos. chem.
Phys. – 2009. – Vol. 9. – P. 4639–4652.
Kaleschke L., Richter A., Burrows J.P., Afe O., Heygster G., Notholt., Rankin A.M., Roscoe
H.K., Hollweddel J., Wagner T., Jacobi H.-W. Frost flowers on sea ice as a source of sea salt and
their influence on tropospheric halogen chemistry // Geophys. Res. Lett. – 2004. – 31. – L16114, doi:
10.1029/2004GL020655
Kasatkina E.A., Shumilov O.I., Rycroft M.J., Marcz F., and Frank-Kamenetsky A.V. Atmospheric
electric field anomalies associated with solar flare/coronal mass ejection events and solar energetic charged
particle “Ground Level Events” // Atmos. Chem. Phys. Discuss. – 2009. – Vol. 9. – P. 21941–21958.
Kirkman J.R. and Chalmers J.A. Point discharge from an isolated point //J. Atm. Terr. Phys. –
1957. – Vol. 10, Iss. 5-6. – P. 258–265.
Kumar C.P.A., Paneerselvam C., Nair K.U., Jeeva K., Selvaraj C., Gurubaran S., Rajaram
R. Influence of coronal mass ejections on global electric circuit, Indian J. Radio&Space Physics. –
2008. – Vol. 37.– P. 39–45.
Е.Ю. Ткаченко: ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКИЙ МЕХАНИЗМ ЭМИССИИ БРОМ-СОДЕРЖАЩИХ …
135
Large M.I., Pierce E.T. The dependence of point-discharge currents on wind as examined by a
new experimental approach // J. Atm. Terr. Phys. – 1957. – Vol. 10. – Iss. 5-6. – P. 251–257.
Libbrecht K.G. and Tanusheva V.M. Electrically Induced Morphological Instabilities in Free
Dendrite Growth // Phys. Rev. Lett. – 1998. – Vol. 81 (1). – P. 176–179.
Moortgat, G.K., Meller, R., and Schneider, W.: Temperature dependence (256–296K) of the
absorption cross sections of bromoform in the wavelength range 285–360 nm, in: Tropospheric
Chemistry of Ozone in Polar Regions, NATO ASI Ser, Subser 1: Global Environmental Change, ed. by
Niki, H. and Becker, K.H. – 1993. – Vol. 370, Springer Verlag, New York. – P. 359.
Oltmans, S.J.: Surface ozone measurements in clean air// J. Geophys. Res. - 1981. – Vol.86. -
P.1174–1180.
Roscoe H.K., Roscoe, J. Polar tropospheric ozone depletion events observed in the International
Geophysical Year of 1958// Atmos. Chem. Phys. - 2006. - 6. – P. 3303–3314.
Schmidt D.S., Schmidt R.A., Dent J.D. Electrostatic force in blowing snow// Boundary-Layer
Meteor. - 1999. – V.93. – P.29–45.
Simpson W.R., Carlson D., Hoenninger G., Douglas T.A., Sturm M., Perovich D., Platt U.
First-year sea-ice contact predicts bromine monoxide (BrO) levels better than potential frost flower
contact// Atmos. Chem. Phys. Discuss. – 2006. – 6. – Р. 11051–11066.
Sivak S. Statistical analysis of solar geomagnetic storm occurrences// Massachusetts Institute of
Technology Haystack Observatory: http://www.haystack.mit.edu/edu/pcr/Atmospheric/ssivak/results1
Stromberg I.M. Point discharge current measurements in a plantation of spruce trees using a new
pulse technique// J. Atm. Terr. Phys. – 1971. – Vol. 33. – Iss. 3. – P. 485-495.
Sturges, W.T., Cota, G.F., and Buckley, P.T.: Bromoform emission from Arctic ice algae//
Nature. –1992. – Vol.358. – P. 660–662, doi:10.1038/358660a0.
Style R.W., Worster M.G. Frost flower formation on sea ice and lake ice// Geophys. Res. Lett. –
2009. – 36. - L11501, doi:10.1029/2009GL037304.
Tkachenko E.Y., Kozachkov S.G. Possible contribution of triboelectricity to snow–air
interactions// Env. Chemistry –2011.- doi: 10.1071/EN10074
Tinsley B.A., Burns G.B., Zhou L. The role of the global electric circuit in solar and internal
forcing of clouds and climate // Adv. Space Research. – 2007. – Vol.40. – P. 1126-1139.
Лукьянова Р.Ю., А.В. Круглов, А.В. Франк-Каменецкий, Котиков А.В., Бернс Г.Б.,
Френч В.Д. Соотношение между потенциалом ионосферы и приземным электрическим полем в
южной полярной шапке// Геомагнетизм и аэрономия- 2011. - Т.51. - №3. - с.387-396.
Поляков В. Тайна метелочной антенны// Клуб радиолюбителей работающих малой
мощностью – 2008. - http://www.qrp.ru/modules/myarticles/article.php?storyid=1
Френкель Я.И. Теория явлений атмосферного электричества, 2007, КомКнига, Москва, 160 с.
|