ПРОЯВЛЕНИЕ СВЯЗИ АТМОСФЕРНЫХ ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ РЕАКЦИЙ С ВАРИАЦИЯМИ КОСМОФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ

На эту статью можно ссылаться, ее адрес в интернете: www.biophys.ru/archive/congress2009/pro-p108.htm

Горшков Э.С., Иванов В.В., Соколовский В.В.¹, Саетов Р.М.²

Санкт-Петербургский Филиал Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн РАН, 191023 Санкт-Петербург, а/я. 188

¹Институт аналитического приборостроения РАН, 198103 Санкт-Петербург, Рижский пр. 26

²ГНЦ РФ Арктический и антарктический научно-исследовательский институт, 199397 Санкт-Петербуг, ул.Беринга 38

Проведены синхронные наблюдения времени полуокисления унитиола (ВПОУ) в приземной атмосфере и общего содержания озона (ОСО) в стратосфере в период 41-й (1996-1997 гг.) и 45-й (2000 г.) Российской Антарктической экспедиции (РАЭ). Установлено наличие достоверной связи между флуктуациями ВПОУ и вариациями ОСО, которая определяется двумя механизмами, один из которых способствует развитию или торможению окислительной реакции в приземном слое атмосферы, другой – повышению или снижению интенсивности разрушения озона. Показана специфическая роль метеорологических условий Антарктиды в динамике исследуемых окислительно-восстановительных процессов.

Земная атмосфера является газообразной средой, в которой, как известно, непрерывно происходят многочисленные и взаимосвязанные окислительно-восстановительные превращения кислорода и азота.

Одна из форм существования кислорода – озон – возникает в процессе диссоциации молекулярного кислорода под действием ультрафиолетового (УФ) солнечного излучения на атомарный кислород, который при взаимодействии с молекулой кислорода образует озон:

1) О₂ — (h۷) → О + О; 2) О + О₂ → О₃

Расположенный на высоте 15-30 км озоновый слой защищает Землю от УФ-излучения, поглощая свет с λ = 200-310 нм. При этом озон разлагается в ходе реакции:

О₃ — (h۷) → О₂ + О

Таким образом, в верхних слоях атмосферы имеет место динамическое равновесие между процессами образования и разложения озона, которое обеспечивает относительное постоянство его концентрации на упомянутой высоте. Это равновесие может быть нарушено, в частности, вмешательством оксидов азота; один из путей их возникновения – взаимодействие молекул кислорода и азота, инициируемое грозовыми электрическими разрядами [1]:

1) N₂ + О₂ → 2 NО; 2) 2 NО + О₂ → 2 NО₂

К появлению оксидов азота приводит также вторжение в атмосферу Земли мощных потоков солнечных протонов, которые вызывают резкое усиление процессов ее ионизации и диссоциацию молекул азота N₂ на атомы (образование, т.н., “нечетного” азота), взаимодействие которых с молекулами и атомами кислорода сопровождается образованием моно- и диоксидов азота. Полагают, что основным источником нечетного азота в стратосфере является реакция окисления закиси азота возбужденными атомами кислорода [2]:

N₂О + О → NО + NO

Молекула озона разрушается в каталитическом азотном цикле в реакции:

NO + О₃ → NО₂ + O₂ [NО₂ — (h۷) → NО + О; NO₂ + О → NО + O₂]

проведенные нами ранее многолетние исследования позволили установить колебательный характер изменений скорости реакции окисления унитиола нитритным ионом в приземном слое атмосферы и их связь с вариациями космофизических факторов: солнечной активности и гравитационного поля [3-7].

Из уравнения модельной редокс реакции:

SH S

/ /

R +2 NaNO₂ → R | +2 NaOH + 2 NO

\ \

SH S

очевидна возможность ее использования как для оценки скорости окисления тиоловых субстратов, так и скорости образования оксида азота, имеющего, как говорилось выше, прямое отношение к процессам разрушения молекулы озона. В связи с этим в серии исследований 1996-2002 гг. проводились синхронные измерения скорости окисления унитиола в приземной атмосфере и общего содержания озона (ОСО) на высоте примерно 20 км.

Работа выполнялась в рамках 41-й (август 1996 г. – май 1997 г) и 45-й РАЭ на полярных станциях восточного сектора Антарктики в марте – апреле 2000 г. (на борту НИС “Академик Федоров”).

Определение времени полуокисления унитиола (ВПОУ) нитритом натрия (унитиоловый тест) проводилось по методике, разработанной профессором В.В.Соколовским. Регистрация ОСО осуществлялась в соответствии с “Методическими указаниями по производству и обработке наблюдений за общим содержанием озона”, разработанными головной методической организацией – ГГО (Главная Геофизическая Обсерватория им. А.И.Воейкова).

Метод измерения ОСО в атмосфере основан на свойстве озона поглощать ультрафиолетовую радиацию в области спектра 280-330 нм. В качестве источника излучения используется Солнце или рассеянное излучение от участка неба в зените. ОСО определяется по отношению потоков ультрафиолетового излучения, измеренных в двух участках спектра, один из которых находится в полосе поглощения озона, другой – на краю (вне) этой полосы.

Был проведен совместный анализ флуктуаций ВПОУ и вариаций ОСО, полученных в Антарктиде в период 1.08.96-12.05.97 гг. в условиях глубокого минимума солнечной активности (СА), наблюдавшегося в 1996-1997 гг.

При рассмотрении полиномиальных трендов ВПОУ и ОСО (рис. 1, кривые 1 и 2, соответственно) выявлена достаточно высокая степень их взаимной (обратной) корреляции (r = -0.67). Спектральный анализ выявил во флуктуациях ВПОУ и вариациях ОСО общие периоды 32 и 16 сут, близкие к периодам основных возмущений от Солнца на Луну – эвекции (31.8 сут) и вариации (14.8 сут).

Анализ динамики коэффициентов взаимной корреляции ВПОУ и ОСО для каждого месячного интервала (рис. 2) показал следующее. Положительный знак корреляции во время антарктических весны и осени (0 < r ≤ 0.8) меняется на отрицательный в период антарктического лета. По нашему мнению, наблюдаемая смена знака корреляции определенно связана с происходящим в этот период разрушением устойчивого циклона (так называемого циркумполярного вихря), располагающегося в стратосфере над Антарктидой.

С этим выводом согласуется и положительный знак корреляции между ВПОУ и ОСО (r = 0.55), наблюдавшийся нами в марте-апреле 2000 г. (рис. 3) при обходе на НИС “Академик Федоров” восточного сектора Антарктиды (полярные станции Мирный (Мн), Прогресс (Пгс), Дружная (Држ), Новолазаревская (Новл)), стоянке в Кейптауне (Кейпт) и последующем переходе на север с пересечением экватора. При этом пересечение экватора (Солнце в зените) привело к одновременному скачкообразному росту показателей: для ВПОУ (наиболее выраженному) – в 1.9 раза, для ОСО – на 45%.

Что касается циркумполярного вихря, то воздух внутри этого вихря движется в основном по замкнутым траекториям вокруг Южного полюса, не выходя за его границы [8]. По этой причине в Антарктике зимой практически не происходит обмена воздухом между полярной и среднеширотной стратосферой.

Рис. 1. Сравнение полиномиальных трендов флуктуаций ВПОУ (1) и вариаций ОСО (2) за период – август 1996 г. – май 1997 г.

Рис. 2. Динамика коэффициентов взаимной корреляции ВПОУ и ОСО, определенных для каждого месячного интервала за период август 1996 г. – апрель 1997 г.

Рис. 3. Динамика ВПОУ (1) и ОСО (2) в период обхода на НИС “Академик Федоров” полярных станций восточного сектора Антарктиды и перехода на север с пересечением экватора (март – апрель 2000 г.)

За долгую зимнюю ночь оказавшийся внутри антарктического вихря стратосферный воздух сильно охлаждается. Именно в конце зимы в Антарктике наблюдаются самые низкие стратосферные температуры (от -80 до -86 ^оС).

Наличие значимой корреляционной связи между флуктуациями ВПОУ в приземном атмосферном слое и вариациями ОСО в стратосфере наводит на мысль о существовании некой общей причины их синхронного изменения. Аналогичные по своему характеру колебания ВПОУ были обнаружены в 1971 г. в исследованиях, которые проводились ежедневно в одно и то же время суток (с 10 до 12 час московского времени) и, следовательно, не были обусловлены суточной фотодинамикой. Вместе с тем, отчетливо проявилась корреляция флуктуаций ВПОУ с вариациями радиоизлучения Солнца в диапазоне 204 МГц, которая позволяет допустить вероятность связи динамики регулярных изменений скорости окислительной реакции с уровнем СА. Заметим также, что о влиянии вспышечной деятельности Солнца и порождаемых ею мощных потоков протонов на превращение кислорода и азота в околоземной среде известно из [2]. Однако природа физического агента, контролирующего флуктуации, обсуждаемые в данном исследовании, не до конца понятна. В то же время авторы этой работы отмечают, что значительное и быстрое уменьшение ОСО, наблюдавшееся в сентябре 1987 г. над Антарктикой, “трудно объяснить действием фотохимических процессов”. По-видимому, современное представление о возможных путях и механизмах превращений озона в атмосфере Земли еще нельзя полагать исчерпывающими.

Таким образом, с одной стороны, ВПОУ и ОСО адекватно реагируют на внешние гравитационные воздействия, с другой, динамика их корреляционных связей, регистрируемых ежемесячно, отражает, кроме того, и специфику метеорологических условий Антарктиды.

Наблюдаемые случаи совпадения максимумов ВПОУ и ОСО и изменения связи между ними, вызванные действием космофизических факторов, позволяют думать о том, что эта связь объективна и определяется двумя механизмами, один из которых способствует развитию или торможению окислительной реакции в приземном слое атмосферы, другой – повышению или снижению интенсивности разрушения озона.

Литература

1. Слесарев В.И. Химия. Основы химии живого. СПб.:Химиздат. 2001. 784 с.

2. Александров Э.Л., Израэль Ю.А., Кароль И.Л., Хргиан А.Х. Озонный щит Земли и его изменения. СПб.: Гидрометеоиздат. 1992. 288 с.

3. Соколовский В.В. Ускорение окисления тиоловых соединений при возрастании солнечной активности /Проблемы космической биологии: Т. 43 “Влияние солнечной активности на биосферу”. М.: Наука. 1982. С. 194-197.

4. Соколовский В.В. Тиолдисульфидная система в реакции организма на факторы окружающей среды. СПб.: Наука. 2008. 112 с.

5. Горшков Э.С., Шаповалов С.Н., Соколовский В.В., Трошичев О.А. О гравитационной обусловленности флуктуаций скорости реакции окисления унитиола нитритным ионом /Биофизика. 2000. Т. 45, вып. 4. С 631-635.

6. Иванов В.В., Соколовский В.В., Горшков Э.С., Соколовская Т.М., Трошичев О.А. О связи тиолового статуса организма человека с космогеофизическими факторами. III Международный Конгресс ”Слабые и сверхслабые поля и излучения в биологии и медицине”. СПб, 1-4 июля 2003 г., с. 90.

7. Иванов В.В., Соколовский В.В., Горшков Э.С., Трошичев О.А. Суточные ритмы экскреции тиолов в условиях Антарктиды. Материалы Международной конференции “Погода и биосистемы”. СПб, 11-14 окт. 2006 г., с. 33.

8. Авдюшин С.И., Данилов А.Д. Рассказ о космической погоде. СПб.: Гидрометеоиздат. 1993. 160 с.