Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 84672 10.12737/szf-111202504 Результаты исследований Results of current research Результаты исследований “Oxygen starvation” of the atmosphere «Кислородное голодание» атмосферы https://orcid.org/0000-0002-0577-0077 Гивишвили Гиви Васильевич Givishvili Givi Vasilyevich givi@izmiran.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 https://orcid.org/0000-0003-4894-9437 Лещенко Людмила Николаевна Leshchenko Liudmila Nikolaevna ln_lesh@mail.ru Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН Москва, Троицк Россия Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radiowave Propagation RAS Moscow, Troitsk Russian Federation Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова РАН Москва, Троицк Россия Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere and Radiowave Propagation RAS Moscow, Troitsk Russian Federation 26 03 2025 26 03 2025 11 1 41 49 27 06 2024 04 12 2024 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/84672/view

Со времени обнаружения в 1993–1998 гг. явления аномального охлаждения и оседания средней и верхней атмосферы сложились две концепции, объясняющие его происхождение техногенными процессами. Обе делают упор на различных следствиях одной причины — сжигания углеродного топлива в промышленных масштабах. Основу первой концепции составляет гипотеза о ключевой роли в этом процессе убыли содержания кислорода в атмосфере. Возникшая несколько позже вторая модель связывает наблюдаемые эффекты с ростом в атмосфере парниковых газов, прежде всего СО2. В прошедшие годы предпринимались многочисленные попытки подтвердить предположение о доминировании второго механизма в формировании многолетнего тренда климата средней и верхней атмосферы. Однако все они оказались тщетными. Сегодня, во-первых, подтверждается справедливость первой гипотезы, признающей ведущую роль кислорода в изменении климата верхних слоев атмосферы, во-вторых, выявляются ошибки, ставшие причиной отказа от этого заключения. Становится очевидным, что техногенные процессы, влияющие на атмосферу, приводят к двум разнонаправленным явлениям: а) глобальному потеплению тропосферы; б) глобальному охлаждению термосферы, а именно: экстремальный рост массы СО2 нагревает нижние слои атмосферы, а ее верхние слои охлаждает даже малозаметная по отношению к общей массе убыль О2. Поскольку ничто не указывает на спад в ближайшие годы техногенной активности мировой цивилизации, для адекватного прогнозирования последствий роста загрязнения атмосферы, по-видимому, следует учитывать фактор влияния убыли содержания кислорода на состояние околоземного космического пространства.

Since the discovery of the phenomenon of abnormal cooling and sinking of the middle and upper atmosphere in 1993–1998, two concepts have developed which explain its origin by man-made processes. Both focus on different consequences arising from one common cause — the burning of carbon fuels on an industrial scale. The first concept is based on the hypothesis about the key role of the decrease in oxygen content in the atmosphere in this process. The second model, which emerged a little later, attributes the observed effects to the growth of greenhouse gases in the atmosphere, primarily CO2. Over the years, numerous attempts have been made to confirm the assumption of the dominance of the second mechanism in the excitation of the long-term trend of the climate of the middle and upper atmosphere. However, all of them turned out to be futile. At the same time, today, firstly, the validity of the first proposed hypothesis is justified which recognizes the leading role of oxygen in climate change in the upper atmosphere, and secondly, errors that cause the erroneous rejection of this conclusion are revealed. It becomes obvious that man-made processes affecting the atmosphere lead to two multidirectional phenomena: a) global warming of the troposphere; b) global cooling of the thermosphere: an extreme increase in the mass of CO2 heats the lower layers of the atmosphere, and its upper layers are cooled even by an inconspicuous decrease in part of O2 relative to the total mass. Since nothing indicates a decline in the man-made activity of the world civilization in the coming years, in order to adequately predict the consequences of an increase in atmospheric pollution the effect of a decrease in oxygen content on the state of near-Earth outer space should probably be taken into account.

 кислород диоксид углерода многолетние тренды глобальное охлаждение глобальное потепление мезотермосфера ионосфера oxygen carbon dioxide long-term trends global cooling global warming meso-thermosphere ionosphere

Альперт Я.Л. Распространение электромагнитных волн и ионосфера. М.: Наука, 1972. 564 с. Alpert J.L. Propagation of electromagnetic waves and the ionosphere. Moscow, Nauka Publ., 1972, 564 p. Брасье Г., Соломон С. Аэрономия средней атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 412 с. Brasseur G.P., Solomon S. Aeronomy of the Middle Atmosphere. ‎Springer, 1986, 452 p. Гивишвили Г.В., Голицын Г.С. О Международном рабочем совещании «Охлаждение и оседание средней и верхней атмосферы» (Москва, 6–10 июля 1998 г.). Геомагнетизм и аэрономия. 1999. Т. 39, № 3. С. 139–144. Danilov A.D. Long-period variations in temperature and composition of the mesosphere and thermosphere (Review). Geomagnetism and Aeronomy. 1997, vol. 37, no. 2, pp. 1–17. Гивишвили Г.В., Лещенко Л.Н. Долговременные тренды свойств ионосферы и термосферы средних широт. Доклады АН. 1993. Т. 333, № 1. С. 86–89. Danilov A.D. Long-term trends in the upper atmosphere and ionosphere (a review). Geomagnetism and Aeronomy. 2012, vol. 52, no. 3, pp. 271–291. DOI: 10.1134/S0016793212030036. Гивишвили Г.В., Лещенко Л.Н. Возможное доказательство наличия техногенного воздействия на среднеширотную ионосферу. Доклады АН. 1994. Т. 334, № 2. С. 213–214. Danilov A.D., Smirnova N.V. Long-term trends in ion composition in the E region. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1997, vol. 37, no. 4, p. 43. (In Russian). Гивишвили Г.В., Лещенко Л.Н. Динамика климатического тренда среднеширотной области Е ионосферы. Геомагнетизм и аэрономия. 1995. Т. 35, № 3. С. 166–174. Danilov A.D., Smirnova N.V. Long-term trends in electron concentration in the D region: experimental data. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1999, vol. 39, no. 2, pp. 107–112. (In Russian). Гивишвили Г.В., Лещенко Л.Н. Зависимость отношения [NO+]/[O2+] в слое E ионосферы от солнечной активности. Солнечно-земная физика. 2009. Вып. 14 (127). С. 93–96 // Givishvili G.V., Leshchenko L.N. Dependence of the [NO+]/[O2+] ratio in the ionosphere layer E on solar activity. Solar-Terrestrial. Physics. 2009. Iss. 14 (127). P. 93–96. Danilov A.D., Konstantinova A.V. Long-term variations of the parameters of the middle and upper atmosphere and ionosphere (Review). Geomagnetism and Aeronomy. 2020, vol. 60, no. 4, pp. 397–420. DOI: 10.1134/S0016793220040040. Гивишвили Г.В., Лещенко Л.Н. Многолетний тренд реакции Е-слоя ионосферы на солнечные вспышки. Солнечно-земная физика. 2022а. Т. 8, № 1. С. 51–57. DOI: 10.12737/szf-81202206 // Givishvili G.V., Leshchenko L.N. The long-term trend of the reaction of the E-layer of the ionosphere to solar flares. Solar-Terrestrial. Physics. 2022a. Vol. 8, no. 1. P. 51–57. DOI: 10.12737/stp-81202206. Danilov A.D., Semenov V.K., Simonov A.G. Model of relative ion composition at altitudes of 60–200 km. Ionosfernye issledovaniay [Ionospheric Research]. 1981, vol. 34, pp. 73–97. (In Russian). Гивишвили Г.В., Лещенко Л.Н. О причинах охлаждения и оседания средней и верхней атмосферы. Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2022б. Т. 58, № 5. С. 601–614. Emmert J.T., Drob D.P., Picone J.M., Siskind D.E., Jones M., Jr., Mlynczak M.G., et al. NRLMSIS 2.0: A whole-atmosphere empirical model of temperature and neutral species densities. Earth and Space Science. 2020, vol. 8, no. 3, e2020EA001321. DOI: 10.1029/2020EA00132. Гивишвили Г.В., Шубин В.Н. Долговременные вариации содержания атомного кислорода в верхней атмосфере. Геомагнетизм и аэрономия. 1994. Т. 34, № 4. С. 169–173. Givishvili G.V., Golitsyn G.S. About the International workshop “Cooling and subsidence of the middle and upper atmosphere” (Moscow, July 6–10, 1998). Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1999, vol. 39, no. 3, pp. 139–144. (In Russian). Гивишвили Г.В., Иванов-Холодный Г.С., Лещенко Л.Н., Чертопруд В.Е. Солнечные вспышки и газовый состав верхней атмосферы. Геомагнетизм и аэрономия. 2005. Т. 45, № 2. С. 263–267. Givishvili G.V., Leshchenko L.N. D region depletions about the Persian Gulf. J. Atmos. Terr. Phys. 1993a, vol. 55, no. 1, pp. 125–128. Данилов А.Д. Долгопериодные вариации температуры и состава мезосферы и термосферы (Обзор). Геомагнетизм и аэрономия. 1997. Т. 37, № 2. C. 1–17. Givishvili G.V., Leshchenko L.N. Long-term trends in the properties of the ionosphere and thermosphere of the middle latitudes. Doklady Akademii Nauk. 1993b, vol. 333, no. 1, pp. 86–89. (In Russian). Данилов А.Д. Долговременные тренды в верхней атмосфере и ионосфере (Обзор). Геомагнетизм и аэрономия. 2012. Т. 52, № 3. C. 291–312. Givishvili G.V., Leshchenko L.N. Possible evidence of the presence of man-made effects on the mid-latitude ionosphere. Doklady Akademii Nauk. 1994, vol. 334, no. 2, pp. 213–214. (In Russian). Данилов А.Д., Константинова А.В. Долговременные вариации параметров средней и верхней атмосферы и ионосферы (Обзор). Геомагнетизм и аэрономия. 2020. Т. 60, № 4. C. 411–435. Givishvili G.V., Leshchenko L.N. Dynamics of the climatic trend of the mid-latitude region E of the ionosphere. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1995, vol. 35, no. 3, pp. 166–174. (In Russian). Данилов А.Д., Смирнова Н.В. Долговременные тренды ионного состава в области Е. Геомагнетизм и аэрономия. 1997. Т. 37, № 4. C. 43. Givishvili G.V., Leshchenko L.N. Dependence of the [NO+]/[O2+] ratio in the ionosphere layer E on solar activity. Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terrestrial Physics]. 2009, iss. 14 (127), pp. 93–96. (In Russian). Данилов А.Д., Смирнова Н.В. Долговременные тренды электронной концентрации в области D: экспериментальные данные. Геомагнетизм и аэрономия. 1999. Т. 39, № 2. С. 107–112. Givishvili G.V., Leshchenko L.N. The long-term trend of the reaction of the E-layer of the ionosphere to solar flares. Solar-Terrestrial Physics. 2022a, vol. 8, no. 1, pp. 51–57. DOI: 10.12737/stp-81202206. Данилов А.Д., Семенов В.К., Симонов А.Г. Модель относительного ионного состава на высотах 60–200 км. Ионосферные исследования. 1981. Т. 34. C. 73–97. Givishvili G.V., Leshchenko L.N. On the causes of cooling and subsidence of the middle and upper atmosphere. Izvestiya RAS. Physics of the atmosphere and ocean. 2022b, vol. 58, no. 5, pp. 601–614. Иванов-Холодный Г.С., Михайлов А.В. Прогнозирование состояния ионосферы (детерминированный подход). Л.: Гидрометиздат, 1980. 190 с. Givishvili G.V., Shubin V.N. Long-term variations of atomic oxygen content in the upper atmosphere. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1994, vol. 34, no. 4, pp. 169–173. (In Russian). Иванов-Холодный Г.С., Нусинов А.А. Образование и динамика дневного среднеширотного слоя E ионосферы. Труды Института прикладной геофизики. М.: Госкомгидромет, 1979. Вып. 37. 129 с. Givishvili G.V., Ivanov-Kholodny G.S., Leshchenko L.N., Tchertoprud V.E. Solar flares and the gas composition of the upper atmosphere. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2005, vol. 45, no. 2, pp. 263–267. (In Russian). Иванов-Холодный Г.С., Фирсов В.В. Спектр коротковолнового излучения Солнца при различных уровнях активности. Геомагнетизм и аэрономия. 1974. Т. 14, № 3. C. 393–398. Ivanov-Kholodny G.S., Firsov V.V. Spectrum of short-wave solar radiation at various levels of activity. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1974, vol. 14, no. 3, pp. 393–398. (In Russian). Иванов-Холодный Г.С., Лещенко Л.Н., Одинцова И.Н. Соотношение рентгеновского и ультрафиолетового излучений солнечных вспышек в ионизации Е-области ионосферы. Геомагнетизм и аэрономия. 1976. Т. 16, № 2. С. 246–250. Ivanov-Kholodny G.S., Mikhailov A.V. Forecasting the state of the ionosphere (deterministic approach). Leningrad, Gidrometizdat Publ., 1980, 190 p. (In Russian). Иванов-Холодный Г.С., Лещенко Л.Н., Нусинов А.А., Одинцова И.Н. Влияние сезонных вариаций нейтральной атмосферы на ионизации Е-области ионосферы. Геомагнетизм и аэрономия. 1977. Т. 17, № 5. С. 839–846. Ivanov-Kholodny G.S., Nusinov A.A. Formation and dynamics of daytime the mid-latitude layer E of the ionosphere. Proc. Institute of Applied Geophysics. Moscow, Goskomgidromet Publ., 1979, iss. 37, 129 p. (In Russian). Кошелев В.В., Климов Н.Н., Сутырин Н.А. Аэрономия мезосферы и нижней термосферы. М.: Наука, 1983. 183 с. Ivanov-Kholodny G.S., Leshchenko L.N., Odintsova I.N. The ratio of X-ray and ultraviolet radiation from solar flares in the ionization of the E-region of the ionosphere.Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 1976, vol. 16, no. 2, pp. 246–250. (In Russian). Похунков А.А., Рыбин В.В., Тулинов Г.Ф. Тренд атомарного кислорода в термосфере средних и экваториальных широт. Геомагнетизм и аэрономия. 2003. Т. 43, № 5. С. 688–696. Ivanov-Kholodny G.S., Leshchenko L.N., Nusinov A.A., Odintsovo I.N. The influence of seasonal variations of the neutral atmosphere on the ionization of the E-region of the ionosphere. Geomagnetism and Aeronomy. 1977, vol. 17, no. 5, pp. 839–846. (In Russian). Emmert J.T., Drob D.P., Picone J.M., et al. NRLMSIS 2.0: A whole-atmosphere empirical model of temperature and neutral species densities. Earth and Space Science. 2020. Vol. 8, no. 3, e2020EA001321. DOI: 10.1029/2020EA00132. Koshelev V.V., Klimov N.N., Sutyrin N.A. Aeronomy of the mesosphere and lower thermosphere. Moscow, Nauka Publ., 1983, 183 p. (In Russian). Givishvili G.V., Leshchenko L.N. D region depletions about the Persian Gulf. J. Atmos. Terr. Phys. 1993. Vol. 55, no. 1. P. 125–128. Laštovička J., Akmaev R.A., Beig G., Bremer J., Emmert J.T., Jacobi C., et al. Emerging pattern of global change in the upper atmosphere and ionosphere. Ann. Geophys. 2008, vol. 26, no. 5, pp. 1255–1268. DOI: 10.5194/angeo-26-1255-2008. Laštovička J., Akmaev R.A., Beig G., et al. Emerging pattern of global change in the upper atmosphere and ionosphere. Ann. Geophys. 2008. Vol. 26, no. 5. P. 1255–1268. DOI: 10.5194/angeo-26-1255-2008. Mehr F.J., Biondi M.A. Electron temperature dependence and recombination of O2+ and NO+ ions with electrons. Phys. Rev. 1969, vol. 181, no. 1, pp. 264–269. DOI: 10.1103/ PhysRev.181.264. Mehr F.J., Biondi M.A. Electron temperature dependence and recombination of O2+ and NO+ ions with electrons. Phys. Rev. 1969. Vol. 181, no. 1. P. 264–269. DOI: 10.1103/PhysRev.181.264. Pokhunkov A.A., Rybin V.V., Tulinov G.F. The trend of atomic oxygen in the thermosphere of middle and equatorial latitudes. Geomagnetizm i aeronomiya [Geomagnetism and Aeronomy]. 2003a, vol. 43, no. 5, pp. 688–696. (In Russian). Rishbeth H. A greenhouse effect in the ionosphere? Planet. Space Sci. 1990. Vol. 38. P. 945–948. DOI: 10.1016/0032-0633(90)90061-T. Rishbeth H. A greenhouse effect in the ionosphere? Planet. Space Sci. 1990, vol. 38, pp. 945–948. DOI: 10.1016/0032-0633(90)90061-T. Roble R.G., Dickinson R.E. How will changes in carbon dioxide and methane modify the mean structure of the mesosphere and thermosphere? Geophys. Res. Lett. 1989. Vol. 16. P. 1441–1444. DOI: 10.1029/GL016i012p01441. Roble R.G., Dickinson R.E. How will changes in carbon dioxide and methane modify the mean structure of the mesosphere and thermosphere? Geophys. Res. Lett. 1989, vol. 16, pp. 1441–1444. DOI: 10.1029/GL016i012p01441. Titheridge J.E. Model results for the ionospheric E region: solar and seasonal changes. Ann. Geophis. 1997. Vol. 15, no. 1. P. 63–78. DOI: 10.1007/s00585-997-0063-9. Titheridge J.E. Model results for the ionospheric E region: solar and seasonal changes. Ann. Geophis. 1997, vol. 15, no. 1, pp. 63–78. DOI: 10.1007/s00585-997-0063-9. URSI Handbook of Ionogram Interpretation and Reduction. Report UAG-23. 1978. 138 с. URSI Handbook of Ionogram Interpretation and Reduction. Report UAG-23. 1978, 138 p. URL: https://techcrunch.com/author/jonathan-shieber/ (дата обращения 5 июля 2024 г.). URL: https://techcrunch.com/author/jonathan-shieber/ (accessed July 5, 2024).