Исследование мезосферы со спутников (эксперимент CRISTA): температура, содержание углекислого газа и озона, неравновесная населенность колебательных состояний молекул

Косцов, Владимир Станиславович

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Исследование мезосферы со спутников (эксперимент CRISTA): температура, содержание углекислого газа и озона, неравновесная населенность колебательных состояний молекул
ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Исследование мезосферы со спутников (эксперимент CRISTA): температура, содержание углекислого газа и озона, неравновесная населенность колебательных состояний молекул"

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

«я.

--J^-X--

КОСЦОВ ВЛАДИМИР СТАНИСЛАВОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕЗОСФЕРЫ СО СПУТНИКОВ (ЭКСПЕРИМЕНТ CRISTA): ТЕМПЕРАТУРА, СОДЕРЖАНИЕ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА И ОЗОНА, НЕРАВНОВЕСНАЯ НАСЕЛЕННОСТЬ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ МОЛЕКУЛ

25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

□034560 (**

Санкт-Петербург - 2008

003456074

Работа выполнена на физическом факультете Санкт-Петербургского государственного университета

Научный консультант: доктор физико-математических наук,

профессор Тимофеев Юрий Михайлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Успенский Александр Борисович

доктор физико-математических наук, доцент Погорельцев Александр Иванович

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Нерушев Александр Федорович

Ведущая организация: Институт физики атмосферы

им. А.М.Обухова РАН, г. Москва

в //

О Л > / « '/Л Л I/

Защита состоится;

заседании совета Д 2f2.232.35 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Университетская набережная, д. 7/9

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ. Автореферат разослан " 2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.ф.-м.н.

А.Л. Котиков

Общая характеристика работы

(Список используемых сокращений представлен в конце автореферата перед списком публикаций.)

Актуальность работы

Состав мезосферы, ее температурный режим, происходящие в ней динамические и химические процессы, а также энергетический баланс интенсивно изучаются в настоящее время, что обусловлено, в частности, развитием исследований в области антропогенного влияния па климат Земли и климатических прогнозов. В отличие от нижних слоев атмосферы, изменения параметров средней и верхней атмосферы ожидаются раньше, чем параметров нижних атмосферных слоев, поскольку амплитуда этих изменений существенно больше, чем в нижней атмосфере. Во многих исследованиях мезосфсру рассматривают совместно с нижней термосферой, например, при изучении области мезопаузы, поэтому ниже мы будем следовать такому подходу и говорить об области мезосферы - нижней термосферы (МНТ).

Проблема контроля, моделирования и прогноза термического режима МНТ тесно связана с исследованиями газового состава. Спутниковые данные о составе атмосферы необходимы для изучения физических механизмов, ответственных за температурные тренды. Одним из важных поглотителей солнечной радиации является озон. Озон играет фундаментальную роль как в формировании термического режима, так и химического состава МНТ. Другой важной газовой составляющей, влияющей на термический режим МНТ, является углекислый газ. Радиационное выхолаживание МНТ происходит главным образом за счет углекислого газа. Таким образом, изменения состава МНТ, в том числе изменения за счет антропогенных факторов, влияют на энергетический баланс этой области атмосферы.

Радиационный баланс МНТ в существенной степени определяется отклонениями от условий локального термодинамического равновесия (ЛТР). Информация о населенности колебательных состояний молекул необходима для расчета радиационных изменений температуры в верхних слоях атмосферы. Современные модели средней атмосферы используют параметризации радиационного выхолаживания атмосферы в 15 мкм полосе СОг, учитывающие эффект нарушения ЛТР (НЛТР). Параметризации основаны на так называемых "эталонных" расчетах, в которых детально моделируются процессы, приводящие к неравновесному заселению колебательных состояний. Большая часть информации о неравновесных населенностях получена в настоящее время расчетным путем.

В тоже время проверка теоретических расчетов требует получения экспериментальных данных.

Важную роль в исследовании МНТ играют методы дистанционного зондирования атмосферы из космоса. К преимуществам космических дистанционных методов зондирования относятся глобальный охват и высокая периодичность. Появление в последнее время спутниковых спектральных приборов, таких как CRISTA и MIPAS, работающих в инфракрасном (ИК) диапазоне и обладающих высоким спектральным разрешением и высокой чувствительностью, позволяет регистрировать слабое ИК излучение верхних слоев атмосферы, что, в свою очередь, дает возможность получать информацию об атмосферных параметрах в этих слоях на основе решения соответствующих обратных задач. Интерпретация измерений собственного ИК излучения атмосферы на касательных трассах с прицельными высотами, соответствующими области МНТ, осложняется эффектом HJITP. Необходимо отметить, что большинство использующихся в настоящее время методов интерпретации измерений уходящего неравновесного ИК излучения предполагают предварительное моделирование неравновесных населенностей. При этом точность современных моделей в ряде случаев недостаточна. В связи с этим важное значение имеет создание новых методов зондирования неравновесной атмосферы, не использующих в качестве априорной информации модели процессов, контролирующих неравновесную населенность колебательных состояний. Разработанный в диссертации метод решения обратной задачи дистанционного зондирования МНТ принадлежит к этому классу методов.

Цель работы

Основная цель работы: разработка нового метода интерпретации спутниковых измерений неравновесного излучения лимба Земли, интерпретация спектров, зарегистрированных в экспериментах с аппаратурой CRISTA, получение новых данных о газовом составе, термическом режиме МНТ, неравновесной населенности колебательных состояний молекул углекислого газа и озона и анализ этих данных.

Поставленная цель достигается в результате решения следующих задач:

- построение физико-математической модели переноса неравновесного ИК излучения в атмосфере и его регистрации современной спутниковой аппаратурой;

- компьютерная реализация алгоритма расчета значений неравновесного излучения ("прямая" задача) и оценка его точности;

- исследование спектрально-высотной структуры уходящего излучения лимба Земли в полосах поглощения углекислого газа и озона;

- формулировка многопараметрической (комплексной) задачи определения температуры, концентрации газов и неравновесной населенности колебательных состояний молекул по спутниковым спектрально-высотным измерениям неравновесного излучения на касательных трассах;

- разработка метода решения сформулированной "обратной" задачи, не требующего привлечения дополнительной информации в виде данных численного моделирования процессов, контролирующих неравновесную населенность колебательных состояний;

- компьютерная реализация алгоритма решения "обратной" задачи;

- выбор и анализ априорной информации, необходимой для решения обратной задачи;

- оценка погрешностей определения параметров;

- обработка измерений неравновесного излучения аппаратурой CRISTA в экспериментах 1994 и 1997 года в полосах поглощения СОг 15 мкм и Оз 9,6 мкм;

- валидация полученных результатов;

- анализ полученных результатов (пространственно-временных распределений температуры, содержания углекислого газа и озона, значении неравновесной населенности нижних колебательных состояний молекул углекислого газа и озона), сравнение с данными численного моделирования.

Научная новизна

Разработан оригинальный метод интерпретации измерений уходящего неравновесного ИК излучения лимба Земли, позволяющий одновременно определять вертикальные профили температуры, давления, концентрации газов и значений неравновесной населенности колебательных состояний молекул. Преимущества метода состоят в следующем:

- метод разработан специально для интерпретации спектров атмосферного ИК излучения, обусловленных колебательно-вращательными переходами в условиях HJITP;

- восстановление профилей кинетической температуры, давления, концентрации атмосферных газов и неравновесных паселешюстей колебательных состояний молекул (колебательных температур) исследуемых газов осуществляется одновременно, что позволяет, с одной стороны, использовать при решении обратной задачи физически обоснованные связи между определяемыми параметрами, а с другой стороны, получить в результате решения обратной задачи согласованный комплекс данных о различных атмосферных параметрах;

- метод не требует предварительного численного моделирования процессов заселения колебательных уровней и использует минимум априорной информации (следует особо подчеркнуть важность данного преимущества, поскольку для целого ряда газов, в частности озона, существующие модели заселения требуют совершенствования).

Разработанный метод реализован в виде пакета компьютерных программ и применен для обработки спектров, зарегистрированных в экспериментах с аппаратурой CRISTA. Получен согласованный комплекс экспериментальных данных о параметрах средней атмосферы в глобальном масштабе.

Впервые экспериментально определены значения величины эффекта HJITP для совокупности колебательных состояний молекул углекислого газа и озона в глобальном масштабе для различного времени суток.

Определены с высокой точностью вертикальные профили температуры в диапазоне высот 40-120 км.

На основе анализа восстановленных профилей температуры получено большое количество новой информации о параметрах мезосферных инверсий температуры -амплитуде, вертикальной протяженности, высоте максимума температуры и других.

Получены новые данные о содержании в мезосфере важного парникового газа - СО2.

Проанализированы пространственно-временные вариации озона в верхней стратосфере и мезосфере. Получен большой объем данных о профилях содержания озона в мезосфере в нестационарных условиях (в период сумерек на заходе и восходе Солнца).

Впервые рассмотрена задача расчета неравновесного излучения при наличии горизонтальных градиентов населенности колебательных состояний.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Спутниковые измерения неравновесного ИК излучения среднего и высокого спектрального разрешения на касательных трассах позволяют комплексно определять совокупность параметров средней атмосферы, включая значения неравновесной населенности колебательных состояний молекул.

2. Разработанный новый метод интерпретации спутниковых измерений неравновесного ИК излучения (решение обратной задачи с целью одновременного определения профилей температуры, давления, содержания углекислого газа и озона, колебательных температур ряда колебательных состояний молекул СОг и Оз) оптимально использует информацию, содержащуюся в спектральных измерениях, а его высокая точность обусловлена в значительной степени учетом в алгоритме решения обратной задачи физически обоснованных связей между определяемыми параметрами.

3. Разработанный новый метод обладает рядом преимуществ по сравнению с методами, использованными авторами эксперимента CRISTA, что позволило, в результате его применения к обработке данных экспериментов CRISTA, получить новую информацию о параметрах МНТ (значения температуры до высоты 120 км, содержание СО2 в ночных условиях, содержание Оз в условиях сумерек, значения колебательных температур СОг и Оз).

4. Полученные в работе вертикальные профили температуры в диапазоне высот 40-120 км для всего земного шара определены с высокой точностью (погрешность менее 5 К до высоты 90 км и 5-15 К на высотах 90-120 км), что позволило получить новую информацию о параметрах мезосферных инверсий температуры (амплитуда, вертикальная протяженность, высота основания, температура основания, количество инверсий в расчете па один профиль) в глобальном масштабе.

5. Уменьшение значений отношения смеси СОг начинается существенно ниже (в области 70 км) по сравнению с данными большинства современных моделей (85-90 км).

6. По данным эксперимента CRISTA-2 (август 1997 г.) в области 60-90 км наблюдается увеличение значений отношения смеси озона в южном направлении от экватора на всех высотах, при этом уже на широте 40° начинает формироваться третий мезосферный максимум па высоте 62,5 км (этот максимум узкий до широты 65°, на широтах 65°-72° он

становится широким, охватывая диапазон высот 62,5-72,5 icm, значения отношения смеси в этом максимуме находятся в пределах 1,75-2,0 млн.*1).

7. Впервые в глобальном масштабе и для различного времени суток экспериментально определены колебательные температуры и значения величины эффекта нарушения ЛТР (разность между кинетической и колебательными температурами) для совокупности колебательных состояний молекул углекислого газа и озона (состояния 01101, 02201, 00011 молекул СОг и состояния 001, 011, 002, 021, 012, 003 молекул Оз). Результаты сравнения экспериментальных данных с модельными расчетами обнаружили в ряде случаев существенные расхождения. В частности, экспериментальные значения величины эффекта HJITP для состояния 01101 молекул СОг различных изотопических разновидностей преимущественно выше модельных, что косвенно указывает на завышенное значение константы скорости деактивации (тушения) состояний молекул СОг атомарным кислородом в модельных расчетах.

8. Впервые получены оценки погрешности расчета интенсивности неравновесного излучения лимба в области 9,6 мкм, обусловленные использованием приближения сферической однородности атмосферы, которые указывают на необходимость учета горизонтальной неоднородности атмосферы при определения профилей озона в области терминатора дистанционным методом.

Практическая ценность работы

Разработанный алгоритм решения комплексной обратной задачи и пакет программ могут быть использованы для обработки спектров ИК излучения, зарегистрированных спутниковой аппаратурой среднего и высокого спектрального разрешен™ (с характеристиками, аналогичными характеристикам приборов CRISTA и MIPAS) при касательной геометрии наблюдений в условиях нарушения ЛТР.

Полученный в ходе исследований согласованный комплекс экспериментальных данных о параметрах средней атмосферы является уникальным как по объему, так и по полноте описания слоя МНТ. Этот комплекс может использоваться:

- для валидации и совершенствования трехмерных численных химико-климатических моделей атмосферы;

- для валидации моделей процессов формирования неравновесной населенности колебательных состояний молекул углекислого газа и озона;

- при решении различных задач переноса неравновесного излучения в средней атмосфере Земли.

Достоверность полученных результатов обеспечена:

- использованием в работе современных спутниковых спектральных измерений, характеризующихся высокой точностью, современных данных о параметрах спектральных линий атмосферных газов и данных численного моделирования значений неравновесной населенности колебательных состояний молекул;

- использованием регуляризационного алгоритма решения некорректной обратной задачи, построенного с учетом набора физически обоснованных дополнительных условий и ограничений, касающихся определяемых параметров;

- сравнением точности используемого алгоритма расчета интенсивности неравновесного излучения с точностью зарубежных аналогов;

- подробным анализом погрешностей спектральных измерений аппаратурой CRISTA, проведением численных экспериментов при разработке алгоритма решети обратной задачи;

- строгим и всесторонним анализом погрешностей определения атмосферных параметров по спектрально-высотным измерениям неравновесного ИК излучения;

- сопоставлением результатов исследования с независимыми данными измерений.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на семинарах отдела (кафедры) физики атмосферы НИИ физики (физического факультета) СПбГУ, на семинарах Института метеорологии Макса Планка (Гамбург, ФРГ), Института метеорологии и исследования климата (Карлсруэ, ФРГ), а также на следующих международных конференциях:

- SPIE's International Symposium on Remote Sensing (1993, 2001, 2003);

- COSPAR Scientific Assembly (COSPAR-1996);

- Atmospheric Spectroscopy Application Workshop (ASA-1990, ASA-1996);

- XXV Annual European Meeting on Atmospheric Studies by Optica] Methods (1998);

- CRISTA/MAHRSI Workshop, 17-18 February 1999, Physics Department, Wuppertal University, Germany;

- Международный симпозиум по атмосферной радиации (МСАР-1999, МСАР-2002, МСАР-2004, МСАР-2006);

- European Symposium on Atmospheric Measurements from Space (ESAMS-1999);

- International Radiation Symposium (IRS-1992, IRS-2000, IRS-2004);

- American Geophysical Union Meeting (AGU 2002 Spring Meeting);

- International Union of Geodesy and Geophysics XXIII General Assembly (IUGG-2003);

- 31 st International Symposium on Remote Sensing of Environment (ISRSE-2005);

- Scientific Assembly of The International Association of Meteorology and Atmospheric Sciences (IAMAS-2005).

Основные результаты диссертационной работы изложены в статьях, опубликованных в рецензируемых журналах (позиции 1-18 в списке публикаций по теме диссертации, приведенном в конце автореферата), научных отчетах (позиции 19-21 в списке), а также докладах на научных конференциях (позиции 22-35 в списке), опубликованных в соответствующих рецензируемых сборниках. Цикл статей в журнале "Известия РАН, Физика атмосферы и океана" (позиции 13-16) удостоен Главной премии издательства МАИК НаукаУИнтерпериодика 2005 года.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в диссертации, были получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии. Лично автором разработан метод комплексного определения параметров атмосферы по спектральным измерениям неравновесного ИК излучения из космоса, проведен анализ его точности, обработаны спектры, зарегистрированные в экспериментах с аппаратурой CRISTA в режиме сканирования МНТ. Анализ спектральной структуры неравновесного излучения в полосах СОг 15 мкм и Оз 9,6 мкм проведен в сотрудничестве с Ю.М.Тимофеевым, A.A. Кутеповым, P.O. Мануйловой. Анализ результатов определения температуры, содержания СОг и Оз, а также колебательных температур состояний молекул СОг и Оз проведен в сотрудничестве с Ю.М. Тимофеевым, В.П. Огибаловым, М. Кауфманном, И. Оберхайде. Оценки влияния приближения сферически однородной атмосферы на результаты расчетов уходящего неравновесного излучения получены в сотрудничестве с A.B. Ракитиным.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка используемых сокращений и списка цитируемой литературы (220 наименований). Общий объем работы составляет 300 страниц, она содержит 123 рисунка и 27 таблиц.

Во введении указаны актуальность и цель работы, перечислены основные поставленные задачи, отмечена научная новизна работы, приведены основные публикации по теме диссертации и описана общая структура работы.

Первая глава диссертации "ПЕРЕНОС НЕРАВНОВЕСНОГО ИК ИЗЛУЧЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ" посвящена проблеме расчета значений интенсивности ИК излучения в условиях НЛТР с целью решения задач дистанционного зондирования атмосферы.

Высоты нарушения ЛТР по вращательным, колебательным и электронным состояниям молекул различны для различных атмосферных газов. Для углекислого газа и озона в средней атмосфере эффект нарушения ЛТР имеет место по колебательным степеням свободы. Значения неравновесной населенности колебательных состояний принято описывать в терминах так называемых "колебательных температур". "Стандартное" определение колебательной температуры:

где Л, - энергия колебательного состояния, щ и пч - населенности основного и возбужденного состояний, go и gr - соответствующие статистические веса, к - постоянная Больцмана. Широко используемым приближением является допущение, что населенность основного состояния равна полной счетной концентрации молекул.

Краткое содержание работы

(1)

Алгоритм расчета интенсивности неравновесного излучения реализован в виде программного комплекса SPIRT-NLC. Программный комплекс содержит модули решения "прямой" задачи (расчет спектров) и "обратной" задачи (определение параметров атмосферы по спектрально-высотным измерениям интенсивности излучения). Модель атмосферы определяется вертикальными распределениями давления, температуры, концентрации газов, а также вертикальными распределениями колебательных температур набора колебательных состояний молекул рассматриваемых газов.

Рабочая группа RSMA, работавшая в рамках международной комиссии по радиации IRC, провела сопоставление различных компьютерных программ расчета неравновесного излучения, в котором приняли участие:

- Институт метеорологии и исследования климата университета Карлсруэ и Исследовательского центра Карлсруэ (Institute for Meteorology and Climate Research at Karlsruhe University and Forschungszentrum Karlsruhe), ФРГ, с программой KOPRA;

- Национальный центр атмосферных исследований (National Center for Atmospheric Research), США, с программой GENLN2;

- Оксфордский университет (Oxford University), Великобритания, с программой R.FM;

- Санкт-Петербургский государствешшй университет, Россия, с программой SPIRT-NLC.

Общий вывод по результатам сопоставления: спектры, рассчитанные с помощью разных программ, хорошо согласуются между собой, как в случае HJITP, так и в случае ЛТР, как для среднего (1 см'1), так и для высокого (0,01 см"1) спектрального разрешения. В терминах разности значений интенсивности, отнесенных к максимальному значению интенсивности в спектральном интервале, наблюдалось согласие между всеми программами в пределах 2,0% для высокого разрешения и ЛТР и 2,9% для высокого разрешения и НЛТР. Спектры среднего разрешения согласуются в пределах 0,8% и 0,6% соответственно для случаев ЛТР и НЛТР. Рабочей группой было сделано заключение о том, что при использовании любой из участвовавших в сравнении компьютерных программ для определения параметров атмосферы по спутниковым измерениям неравновесного излучения лимба вклад алгоритмических погрешностей в общую погрешность определения параметров будет пренебрежимо мал, как в случае ЛТР, так и в случае НЛТР.

Проведенные в диссертации модельные расчеты вертикальных распределений коэффициентов поглощения и излучения СОг и Оз, а также спектральной структуры уходящего неравновесного излучения на касательных трассах в полосах поглощения СО2 15мкм и Оз 9,6 мкм показали: (1) нарушение ЛТР оказывает значительное влияние на формирование спектральной структуры уходящего излучения на касательных трассах в средней атмосфере; (2) эффекты неравновесности проявляются в спектрах высокого конечного разрешения для прицельных высот, значительно меньших, чем уровни нарушения ЛТР в атмосфере; (3) при использовании измерений сверхвысокого спектрального разрешения существует принципиальная возможность зондирования сферической неоднородной атмосферы.

Во второй главе диссертации "КОМПЛЕКСНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ ПО СПУТНИКОВЫМ ИЗМЕРЕНИЯМ НЕРАВНОВЕСНОГО ИК ИЗЛУЧЕНИЯ" всесторонне рассмотрен разработанный новый метод интерпретации спутниковых измерений неравновесного ИК излучения лимба, позволяющий определять комплекс атмосферных параметров, включая значения неравновесной населенности колебательных состояний молекул (в терминах колебательных температур): физические основы решения мпогопараметрической обратной задачи, исходные данные, особенности применения, погрешности определения параметров, численные эксперименты, результаты валидации.

В настоящее время существуют следующие основные подходы к интерпретации измерений неравновесного ИК излучения:

- выбор спектральных интервалов (микроокон), где влияние эффекта НЛТР на результаты интерпретации измерений минимально;

- построеш1е алгоритма интерпретации измерений па основе использования численных моделей процессов формирования неравновесной населенности колебательных состояний молекул;

- определение параметров атмосферы, включая значения неравновесной населенности колебательных состояний молекул, непосредственно из зарегистрированных спектров без привлечения численных моделей процессов формирования неравновесной населенности.

В диссертации разработан комплексный метод определения параметров атмосферы на основе третьего подхода. Метод дает возможность, во-первых, извлекать из измерений уходящего излучения максимум информации о состоянии атмосферы и, во-вторых, избегать погрешностей, характерных для второго подхода и обусловленных неопределенностью параметров модели.

В общей формулировке задачи уходящее излучение лимба рассматривается как нелинейный функционал, зависящий от вертикального распределения совокупности параметров состояния атмосферы, включая параметры, описывающие неравновесную населенность колебательных состояний. Ставится задача определения вертикальных распределений параметров (температура, давление, концентрация газов и колебательные температуры различных состояний различных газов) по результатам спектральных измерений излучения. Получение вертикальных распределений обеспечивается за счет высотного сканирования, так как спектры, зарегистрированные на различных прицельных высотах, несут информацию о состоянии атмосферы главным образом в слоях непосредственно над прицельной высотой. "Разделение переменных" задачи на конкретной высоте основано на следующем:

- зависимость от давления в нижних слоях атмосферы обусловлена механизмом уширения за счет столкновений, В более высоких слоях, где преобладает доплеровское ущирение, возможно восстановление профиля давления на основе использования уравнения гидростатического равновесия, данных о профиле температуры и о давлении в нижних слоях;

- измерения в оптически толстых спектральных линиях фундаментальных переходов дают информацию о концентрации газов;

- колебательные температуры (населенности возбужденных колебательных состояний молекул) определяются по излучению в тонких спектральных линиях фундаментальных и "горячих" переходов.

- информация о температуре содержится во вращательной структуре спектров (поскольку по вращательным степеням свободы выполняется условие ЛТР).

Для обеспечения стабильности и повышения точности решения многопараметрической обратной задачи привлекается дополнительная физически обоснованная априорная информация о связях между неизвестными параметрами или о специфических ограничениях, например, о "внутреннем ЛТР", которое выполняется для групп близко расположенных (по значению энергии) состояний, о высотах, до которых допустимо использование приближения ЛТР. Обратная задача формулируется в линеаризованной форме в виде системы векторно-матричных уравнений:

У = Ут + А5х

2,=г1т + С,5х

= + С№*

где у - вектор, компонентами которого являются измеренные значения интенсивности излучения на наборе прицельных высот и частот, А - линеаризованный интегральный оператор переноса излучения, образованный из значений весовых функций с соответствующими квадратурными коэффициентами, г-, - специальные векторы (которые можно назвать векторами "псевдоизмерений"), введенные для описания дополнительных условий (ограничений), С| - линейные операторы, описывающие N дополнительных условий, 5х - совокупный вектор вариаций параметров по отношению к их средним значениям, индексом "т" обозначены средние значения. В общем случае, совокупный вектор вариаций искомых параметров имеет вид:

5хт = (5Г(г,),6Г(г2),...,5Л;гь), 8р(21), Щг2),..., 5р(2ь), 5пе(г,), 5пе(г2),..., Ъп&(гь),

бГЛп), бГЛгг),..., 57Л*ь)), (3)

где г — высотные уровни, пронумерованные от 1 до Ь, Т - температура, р - давление, п -концентрация газа, Тч - колебательная температура, g - индекс, обозначающий конкретный газ, $ - индекс, обозначающий конкретное колебательное состояние (т обозначает транспонирование). Выражение для решения, получаемого в итерационном процессе с целью нейтрализации ошибок, обусловленных линеаризацией, имеет вид:

^И-Хт+^-Ч+ЕВД0»

AkTS-'(y- ук + AkSxk) + £ CnTE-'(zn -znk + CnkSxk)

ПИ

где S - ковариационная матрица случайных ошибок измерений, Е - матрица, описывающая точность выполнения дополнительных условий, к - номер итерации. В данной записи априорная информация о принадлежности решения статистическому ансамблю с заданными средним значением и ковариационной матрицей, которая стандартно используется в методе статистической регуляризации при решении некорректных обратных задач, включена в дополнительные условия.

Разработанный комплексный метод адаптирован для интерпретации спектральных измерений в экспериментах с аппаратурой CRISTA (ноябрь 1994 г. и август 1997 г.). Использовались измерения в полосе поглощения углекислого газа 15мкм в диапазоне прицельных высот 40-140(150) км (канал SCL2 642-685 см"1 в эксперименте CRISTA-1 и канал SCS8_ext 661-700 см"' в эксперименте CRISTA-2, спектральная разрешающая способность ХУДХ=525). Также использовались измерения в полосе поглощения озона 9,6 мкм (канал SCS3, 980-1100 см"1, )J&k=390).

Погрешности определения параметров оценивались по значениям матрицы ошибок, а также на основе численных экспериментов. Оценки погрешностей определения параметров представлены в таблице 1 (дан диапазон погрешностей, с увеличением высоты погрешности увеличиваются, исключение составляют случайные погрешности для колебательных температур состояний молекул озона ночью на высотах 75-90 км).

Основные различия методов интерпретации спектров, разработанных в Вуппертальском университете (ФРГ) авторами эксперимента CRISTA и в Санкт-Петербургском университете автором диссертационной работы, представлены в таблице 2.

Валидация разработанного метода осуществлялась сравнением профилей температуры, содержания углекислого газа и озона с независимыми данными. Профили температуры сопоставлялись с профилями, полученными методом падающих сфер. Профили углекислого газа сравнивались с профилями, полученными независимым методом по измерениям спектров аппаратурой CRISTA в полосе поглощения СО2 4,3 мкм. Профили озона сравнивались с результатами, полученными в эксперименте HALOE. В качестве валидации результатов определения колебательных температур использовалось сопоставление профилей колебательных температур с результатами специальных модельных расчетов, в которых учитывалось конкретное состояние атмосферы при проведении измерений. Результаты валидации продемонстрировали согласие значений параметров в пределах декларируемых погрешностей их определения.

Таблица 1. Погрешности определения параметров.

Параметр Диапазон высот определения, км Случайная компонента погрешности Систематическая компонента погрешности

Температура 40-120 0,6-12 К 0,5-15 К

Давление 40-120 2-5% 3-12%

Отношение смеси СОг 65-90 11% 4-26%

Отношение смеси Оз 40-90 2-41% днем 2-20% ночью 2-36% днем 3-22% ночью

Колебательные температуры состояний молекул СОг различных изотопических разновидностей (626, 636, 628, 627)

01101 (626)' 90-120 2-18 К 0,5-13 К

02201 (626)' 70-90 1-2 К 0,4-0,5 К

01101 (636) 70-110 1-13 К 0,6-16 К

01101(628) 70-100 1-10 К 1-13 К

01101(627) 70-90 1,4-7 К 1-6 К

00011" 45-90 0,6-9 К днем 0,6-38 К ночью 1 К днем 1-7 К ночью

Колебательные температуры состояний молекул Оз "

001 60-90 0,7-12 К днем 0,7-6 К ночью 0,8-13 К днем 2-14 К ночью

011 50-90 0,8-18 К днем 0,8-15 К ночью 1-10 К днем 2-21 К ночью

002 50-90 0,8-18 К днем 0,8-15 К ночью 1-10 К днем 2-21 К ночью

021 55-90 днем 75-90 ночью 10-30 К днем 17-23 К ночью 8-15 К днем 17-20 К почыо

012 55-90 днем 75-90 ночью 8-20 К днем 7-22 К ночью 14-22 К днем 17 К ночью

003 55-90 днем 75-90 ночью 10-20 К днем 6-23 К ночью 9-26 К днем 22-25 К ночью

* Фактически определялась одна "эффективная" колебательная температура, которая в указанных диапазонах высот близка к колебательным температурам состояний 01101 и 02201. ** Колебательные температуры состояния 00011 молекул углекислого газа и всех рассматриваемых состояний молекул озона предполагались одинаковыми для всех изотопических разновидностей молекул.

Таблица 2. Основные различия методов интерпретации спектров (эксперимент CRISTA), разработанных в Вуппертальском (ФРГ) и Санкт-Петербургском университетах.

Определяемые параметры Вуппертальскин университет Санкт-Петербургский университет

Температура Определяется до высоты 80 км в приближении ЛТР, выше используются модельные данные Определяется до высоты 120 км, алгоритм учитывает НЛТР".

Концентрация СОг. Используются измерения излучения в полосе СОг 4,3 мкм. Метод не работает в ночных условиях.* Используются измерения излучения в полосе СОг 15 мкм. Метод работает вне зависимости от условий освещенности."

Концентрация Оз. Метод не работает в условиях сумерек. Метод работает вне зависимости от условий освещенности."

Колебательные температуры состояний молекул СО2 и Оз. Не определяются, используются модельные данные. Определяются по спектрально-высотным измерениям излучения совместно с другими параметрами.

Привлекаются численные модели, контролирующие неравновесную населенность колебательных состояний молекул. " Без привлечения численных моделей, контролирующих неравновесную населенность колебательных состояний молекул.

Третья глава работы "ТЕРМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ МНТ" посвящена анализу результатов определения температуры в мезосфере и нижней термосфере по данным экспериментов CRISTA-1 и CRISTA-2.

Полученные высотно-широтные распределения температуры соответствуют климатологическим данным. Во втором эксперименте CRISTA в среднем наблюдались более низкие температуры мезопаузы, чем в первом эксперименте. В полярных широтах Северного полушария (лето) среднезональные значения температуры мезопаузы по данным эксперимента CRISTA-2 составляли менее 140 К.

Обращают на себя внимание очень низкие значения температуры, зарегистрированные в отдельных случаях: в эксперименте CRISTA-1 на высоте 95 км (115 К) и в эксперименте CRISTA-2 па высоте около 87,5 км (121 К). В эксперименте CRISTA-1 можно выделить две широтные зоны с наибольшим количеством наблюдений низких температур - около 50° ю.ш. и 15°-25° ю.ш. Наибольшее количество измерений, в которых были зарегистрированы низкие

температуры в эксперименте CRISTA-2, соответствуют полярным широтам северного полушария (астрономический сезон - лето). Таким образом, подавляющее большинство таких измерений отражают "холодную летнюю мезопаузу". Для других широт были отмечены единичные случаи экстремально низких температур.

По полученным данным были определены высоты стратопаузы и мезопаузы (по абсолютным максимуму и минимуму температуры, соответственно, в соответствующих диапазонах высот). Проведено сравнение высот мезопаузы и стратопаузы, полученных по химико-климатической модели HAMMONIA для условий проведения эксперимента CRISTA, с экспериментальным данными. Сравнение демонстрирует очень хорошее согласие данных модельных расчетов с экспериментальными результатами, как качественное, так и количественное, за исключением области около 50° с.ш. и условий эксперимента CRISTA-2 (расхождение модельных и экспериментальных значений высоты мезопаузы достигают 8 км).

Из полученного в экспериментах массива профилей температуры получены характеристики мезосфсрных инверсий температуры (МИТ): амплитуда, вертикальная протяженность, высота основания, температура основания, количество инверсий в расчете на один профиль. Амплитуда инверсий максимальна в экваториальных широтах и ее среднее значение достигает 23-30 К. Максимальная амплитуда инверсии, зарегистрированная в экспериментах CRISTA, составляет 102 К. Среднее значение высоты основания МИТ находится в диапазоне 72-82 км и имеет широтных ход, увеличиваясь при переходе из "зимнего" полушария в "летнее". Вертикальная протяженность МИТ для всех рассматриваемых широт одинакова и составляет 6-7 км. В эксперименте CRISTA-1 наибольшее число температурных профилей характеризовались одной и двумя инверсиями. В 15% случаев профили пе имели МИТ, в 9% случаев наблюдались три инверсии на профиле. Были отмечены единичные случаи с четырьмя инверсиями. В эксперименте CRISTА-2 частота регистрации профилей без МИТ, с одной МИТ и с двумя МИТ примерно одинакова (около 32%, 32% и 27% соответственно). Профили с тремя и четырьмя МИТ наблюдались соответственно в 8% и 1% случаев). Наибольшее число множественных инверсий характерно для средних широт и зимнего сезона.

Сравнение параметров МИТ, полученных экспериментально, с модельными параметрами (модель HAMMONIA) показало, что модель не воспроизводит экспериментально наблюдаемые множественные инверсии, которые характерны для "зимнего" полушария. При этом модель очень хорошо воспроизводит профили с единичными инверсиями и профили без инверсий, характерные для "летнего" полушария, см. рис. 1.

Широта, фад. Широта, град.

Рис. 1. Распределение по широте значений количества МИТ в расчете на один профиль N по данным экспериментов (сплошные линии, CRISTA-1 слева, CRISTA-2 справа) и модели HAMMONIA (пунктир).

Четвертая глава диссертации "СОДЕРЖАНИЕ УГЛЕКИСЛОГО ГАЗА И ОЗОНА В МЕЗОСФЕРЕ" посвящена анализу результатов определения содержания углекислого газа и озона. Представлены средние профили и широтные зависимости концентрации и отношения смеси СОг, полученные по данным двух экспериментов CRISTA. В связи с обнаруженным уменьшением значений отношения смеси СОг, начиная с высоты 70 км, рассмотрены результаты численного моделирования вертикального распределения СОг в мезосфере и нижней термосфере. Представлены результаты сравнения средних профилей отношения смеси озона, полученных в дневных и ночных условиях в двух экспериментах CRISTA, с климатологическими данными. Анализируется содержание озона в области третьего мезосферного максимума, который был зарегистрирован в эксперименте CRISTA-2 в средних и полярных широтах Южного полушария, и изменчивость содержания озона в условиях существенной нестационарности (па заходе и восходе Солнца). Полученные по данным эксперимента CRISTA зависимости содержания озона на различных высотах от зенитного угла Солнца сравниваются с результатами модельных расчетов.

Разработанный комплексный метод решения обратной задачи позволил провести интерпретацию измерений в 15 мкм полосе независимо от времени суток (условий освещенности). Метод определения профилей содержания СОг, созданный в Вуппертальском университете авторами эксперимента CRISTA, в силу своих особенностей не мог быть использован для обработки ночных измерений. Этот метод основан на интерпретации спектров в полосе СО2 4,3 мкм и на использовании модели заселения колебательных состояний молекул СОг, формирующих полосу 4,3 мкм. Модель может применяться для решения обратной задачи только для дневных измерений, когда населенность рассматриваемых состояний определяется главным образом поглощением солнечного излучения, поскольку константы скоростей соответствующих процессов известны с достаточной точностью. В ночных условиях неопределенность параметров модели слишком велика, чтобы решать обратную задачу с приемлемой точностью. Таким

образом, полученные при выполнении диссертационной работы данные о профилях СОг по результатам ночных измерений аппаратурой CRISTA, являются уникальными.

Средние профили отношения смеси СОг, полученные в двух экспериментах CRISTA-1 и CRISTA-2, практически совпадают до высоты 80 км. Величина отношения смеси начинает уменьшаться с высоты 70 км. На высоте 90 км среднее значение отношения смеси СОг по данным CRISTA-1 составляет 225 млн."1, по данным CRISTA-2 - 277 млн."1, что существенно меньше априорного значения на этой высоте (343 млн."'). Современные численные модели, в частности SOCRATES, не в состоянии воспроизвести уменьшение значений отношения смеси с высоты около 70 км. В связи с этим, необходимо особо подчеркнуть, что уменьшение значений отношения смеси на указанной высоте было обнаружено в ходе интерпретации измерений аппаратурой CRISTA независимо двумя коллективами (в Вуппертальском университете и Санкт-Петербургском университете) и принципиально различными методами, см. рис. 2.

Отношение смеси, млн.-1

Рис. 2. Средние профили отношения смеси СО;, полученные двумя методами, эксперимент CRISTA-1 (1 - Санкт-Петербургский университет, 2 -Вуппертальский университет). 3, 4 - профили, рассчитанные по модели SOCRATES. 5 - априорный профиль, использованный в диссертации при решении обратной задачи.

Измерения, в которых зарегистрированы профили СО2 с постоянным отношением смеси до высоты 85-90 км, очень немногочисленны. В эксперименте CRISTA-1 такие профили регистрировались преимущественно в Южном полушарии на широте около 50°. В эксперименте CRISTA-2 такие профили регистрировались преимущественно в Северном полушарии на широтах около б0°-70°. Таким образом, профили с постоянным отношением смеси наблюдались в "летний" астрономический сезон в средних и полярных широтах.

Результаты определения СОг по данным двух экспериментов указывают на различие широтных зависимостей концентрации СОг на высотах 70-80 и 90 км. На высоте 90 км максимальные значения концентрации наблюдаются в тропических широтах. На высотах

70-80 км максимальная концентрация наблюдалась в средних и высоких широтах "летнего" полушария.

Разработанный комплексный метод решения обратной задачи позволил провести интерпретацию измерений в 9,6 мкм полосе озона независимо от времени суток (условий освещенности). Метод определения профилей содержания Оз по измерениям в полосе 9,6 мкм, созданный в Вуипергальском университете авторами эксперимента CRISTA, в силу своих особенностей не мог быть использован для обработки сумеречных измерений (диапазон зенитных углов Солнца 80°-110°) из-за неопределенности параметров модели неравновесной населенности колебательных состояний молекул озона в условиях существенной нсстационарности, в частности неопределенности вертикальных распределений концентрации атомарного кислорода. Таким образом, полученные при выполнении диссертационной работы данные о профилях Оз по результатам измерений аппаратурой CRISTA в условиях сумерек, являются уникальными.

Средние профили содержания озона, полученные по результатам измерений в дневное и ночное время во врем двух экспериментов с прибором CRISTA, практически совпадают в диапазоне высот 40-55 км. На высотах более 55 км отношение смеси озона ночью существенно выше, чем днем, и эти различия превышают сумму значений систематической компоненты погрешности определения содержания озона.

На высоте 90 км (в области основного мезосферного максимума содержания озона) среднее значение отношения смеси озона составляет по результатам эксперимента CRISTA-1 2 млн."' днем и 9,8 млн."1 ночью, по результатам эксперимента CRISTA-2 0,9 млн."1 днем и 1,3 млн."1 почыо. Средние профили отношения смеси озона, полученные в дневных и ночных условиях, а также их отношение показаны на рис. 3.

Рис. 3. Слева: сравнение средних дневных и ночных профилей содержания озона (CRISTA-1 день, ночь -1,2; CRISTA-2 день, ночь - 3, 4). Справа: отношение г средних дневных значений содержания озона к средним ночным (CRISTA-1 - 5, CRISTA-2 - 6), отрезками показан диапазон значений г по данным моделей и эксперимента MLS.

Анализ отношения г средних дневных значений содержания озона к средним ночным значениям на различных высотах показывает, что:

- начиная с высоты 55 км, отношение г начинает уменьшаться;

- на высоте 67,5-70 км г=0,30 и Г-0,13 (эксперименты CRISTA-1 и CRISTA-2 соответственно), а в области высот 77,5-80 км наблюдается локальный максимум со значениями Г соответственно 0,55 и 0,45;

- сравнение полученных значений отношения Г в диапазоне высот 55-70 км с данными эксперимента MLS и с результатами моделирования демонстрирует хорошее согласие.

Сравнение средних профилей содержания озона, полученных по данным дневных и ночных измерений, с набором модельных профилей показало следующее:

- в диапазоне высот 55-75 км, а также 85-90 км результаты эксперимента CRISTA-1 для ночных условий дают значения содержания озона, существенно превышающие модельные;

- на высотах более 70 км результаты эксперимента CRISTA-1 для дневных условий дают значения содержания озона, существенно превышающие модельные;

- в диапазоне высот 55-75 км обработка результатов эксперимента CRISTA-2 (так же, как и эксперимента CRISTA-1) дает значения содержания озона в ночных условиях, существенно превышающие модельные;

- на высотах 80-90 км обработка результатов эксперимента CRISTA-2 дает значения содержания озона в ночных условиях, которые хорошо согласуются со значениями, соответствующими нескольким моделям;

- сравнение среднего дневного профиля, полученного по результатам эксперимента CRISTA-2, с модельными профилями показывает, что профили очень хорошо согласуются во всем диапазоне высот.

Широтно-высотные зависимости значений отношения смеси озона, полученные по данным эксперимента CRISTA-1, характеризуются следующими особенностями:

- широтные зависимости проявляются выше 70 км;

- днем содержание озона в экваториальной области увеличивается плавно на высотах 50-60 км и резко на высоте около 80 км, на высоте 90 км наблюдаются два максимума в средних широтах обоих полушарий и локальный минимум в экваториальной области;

- на высоте 50 км ночная концентрация озона в Северном полушарии выше, чем в Южном, на высотах более 80 км содержание озона растет от южных широт к северным и проходит через локальный максимум в экваториальной области (на высоте 80 км - в области 0°-20° с.ш.).

Широтно-высотные зависимости значений отношения смеси озона, полученные по данным эксперимента CRISTA-2, характеризуются следующими особенностями:

- дневные измерения проводились в Северном полушарии от тропических до полярных широт (лето), заметная широтная зависимость имеет место в диапазоне высот 70-82,5 км, где значение отношения смеси уменьшается в северном направлении;

- ночные измерения осуществлялись в средних и полярных широтах Южного полушария (зима), и для них широтные зависимости резко выражены;

- в области 40-60 км значение отношения смеси примерно постоянно в средних широтах и начинает уменьшаться в полярных широтах;

- в области 60-90 км наблюдается увеличение значений отношения смеси в южном направлении от экватора на всех высотах, при этом; уже на широте 40° начинает формироваться локальный максимум на высоте 62,5 км (этот максимум узкий до широты 65°, на широтах 65°-72° он становится широким, охватывая диапазон высот 62,5-72,5 км, значения отношения смсси в этом максимуме находятся в пределах 1,75-2,0 млн."');

- отмеченный выше максимум является так называемым "третьим" максимумом содержания озона, который, как правило, наблюдается от границы полярной ночи в экваториальном направлении.

- ночью в диапазоне высот 80-90 км значения отношения смсси озона, полученные с помощью разработанного в диссертации комплексного метода, существенно меньше, чем полученные независимым методом в Вуппертальском университете.

Анализ значений содержания озона, полученных по результатам экспериментов CRISTA-1 в условиях существенной нестационарности (при заходах и восходах Солнца), позволил сделать следующие выводы:

- имеет место качественное согласие экспериментальной зависимости отношения смеси озона от зенитного угла Солнца с модельными зависимостями (химико-климатическая модель SOCOL);

- экспериментальные результаты в большинстве случаев демонстрируют меньшую амплитуду изменения отношения смеси озона на восходах и заходах Солнца, чем модельные расчеты.

В пятой главе "НЕРАВНОВЕСНАЯ НАСЕЛЕННОСТЬ КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ МОЛЕКУЛ" рассматриваются результаты определения колебательных температур состояний молекул углекислого газа и озона. Проводятся сравнения средних профилей колебательных температур, полученных по данным экспериментов CRISTA, с данными модельных расчетов для различных сезонов и широт. Анализируются высотные уровни нарушения ЛТР для различных колебательных состояний молекул углекислого газа и озона и высотно-широтные распределения величины эффекта нарушения ЛТР (разность между колебательной и кинетической гемперачурой).

Важно подчеркнуть, что в результате применения разработанного комплексного метода решения обратной задачи для интерпретации спектров ИК излучения мезосферы, зарегистрированных в экспериментах CRISTA, впервые в глобальном масштабе получены экспериментальные данные о колебательных температурах (населенпосгях) нижних колебательных состояний молекул углекислого газа и озона.

Анализ колебательных температур и величины эффекта НЛТР для колебательных состояний молекул углекислого газа показал следующее:

1) Уровень нарушения ЛТР для состояния 02201 для молекул СО2 изотопической разновидности 626, а также для состояния 01101 молекул СОг разновидности 636 варьирует от 70 км до 90 км в зависимости от сезона.

2) Уровень нарушения ЛТР для состояния 01101 для молекул СОг изотопических разновидностей 628 и 627 варьирует от 70 км до 80 км и 75 км соответственно.

3) Величина эффекта нарушения ЛТР в мезосфере имеет ярко выраженную широтную (сезонную) зависимость. Эффект НЛТР максимален в летний астрономический сезон и минимален в зимний астрономический сезон. Летом в области мезопаузы в полярных широтах (эксперимент СПКТА-2) средние значения эффекта НЛТР для молекул СОг разновидностей 626, 628 и 627 и рассмотренных колебательных состояний достигают соответственно Дб2б=30 К, Дб28=40 К и Дб27-50 К.

4) Полученные в эксперименте широтпо-высотные зависимости эффекта НЛТР качественно согласуются с результатами модельных расчетов. Однако, экспериментальные значения величины эффекта НЛТР преимущественно выше модельных (для сравнения использовалась модель, принятая в качестве эталонной в исследованиях, проводимых рабочей группой ЯБМА Международной комиссии по радиации):

- в летнем полушарии на широте 70° в окрестности мезопаузы модель дает величину Дб2б около 25 К, в то время как экспериментальные значения превышают 40 К (эксперимент СЫ8ТА-2). Во-вторых, в экваториальном поясе до высоты порядка 85 км модельные значения Дб2б отрицательные, а экспериментальные значения положительные. В полярных широтах "зимнего" полушария модель дает отрицательные значения Амб в высотном диапазоне 65-100 км (максимум по абсолютной величине 6 К на высоте 85 км). В эксперименте С1ШТА-2 в полярных широтах "зимнего" полушария до высоты 90 км значения Д^б находятся в диапазоне от -5 К до 5 К.

- в средних и полярных широтах "зимнего" полушария в модели, в отличие от эксперимента, значения Д^а отрицательны. Они могут достигать -10 К на высоте порядка 85 км. В полярных широтах "летнего"полушария в области мезопаузы результаты моделирования дают значение Д628 40 К и выше, что полностью согласуется с экспериментальными данными (СШЗТА-2). В экваториальной области наблюдаются заметные различия между экспериментальными и модельным данными. Диапазон модельных значения Дбгз в высотной области до 95 км от -1 К до 10 К, в то время как диапазон экспериментальных значений Дбга в этой области то 0 К до 20 К. В области мезопаузы большие значения эффекта НЛТР, зарегистрированные в эксперименте, могут объясняться тем, что эффект уменьшения населенности за счет столкновений с атомарным кислородом незначителен. Модельные расчеты дают меньшие значения величины эффекта НЛТР, что может быть обусловлено как завышенной концентрацией атомарного кислорода по сравнению с концентрацией во время проведения экспериментов, так и завышенной константой скорости обмена энергией с атомарным кислородом в модельных расчетах. Высотно-широтная зависимость величины эффекта НЛТР (разность между колебательной и кинетической температурой) для состояния 01101 молекул С02

изотопической разновидности 628 по данным эксперимента CRISTA-2 представлена на рис. 4.

-60 -40 -20 0 20 40 60 Широта, град.

Рис. 4. Высопю-широтная зависимость величины эффекта нлтр (разность между колебательной и кинетической температурой, градусы Кельвина) для состояния 01101 молекул СОг изотопической разновидности 628 по данным эксперимента

сшта-2.

5) Вертикальные распределения колебательной температуры состояния 00011 молекул СОг зависят от времени суток (условий освещенности). Уровень нарушения JITP составляет 45-52 км днем и около 60 км ночью. На высоте 80-90 км значения колебательной температуры днем достигают 110-150 К, ночью 40-110 К (разброс значений обусловлен широтой и сезоном).

6) В тропических широтах во время проведения эксперимента CRISTA-1 наблюдался максимум величины эффекта НЛТР для состояния 00011 (Доооп) на высотах 80-90 км. Данные эксперимента CRISTА-2 показали в диапазоне высот 75-90 км ярко выраженный широтный ход Доооп в Северном полушарии (лето). С увеличением широты значение Доооп увеличивается (например, на высоте 85 км от 90 К на экваторе до 150 К и более в полярных широтах).

Анализ колебательных температур и величины эффекта НЛТР для колебательных состояний молекул озона показал следующее:

1) Значения колебательной температуры состояния 001, полученные в эксперименте CRISTA-1, не показывают суточного хода. Для первого эксперимента имеет место хорошее согласие модельных расчетов с экспериментальными.

2) В области третьего максимума содержания озона, зарегистрированного в эксперименте CRISTA-2 на высоте 62,5-72,5 км в полярных и средних широтах зимой колебательная температура состояния 001 (Tooi) существенно ниже кинетической

температуры (отличия достигают 10-15 К). Экспериментальные результаты (CRISTА-2) для средних и полярных широт (ночные условия, зима) существенно отличаются от модельных. С высоты около 75 км в эксперименте наблюдается резкое увеличение значений Гооь На высоте 90 км Tool достигает 260-280 К. Модельные данные для соответствующих условий характеризуются уровнем нарушения JITP на 75 км и значением Tooi около 220 К на высоте 90 км. Высокие экспериментальные значения 7ooi в средних и полярных широтах Южного полушария па высотах 80-90 км, полученные в эксперименте CRISTA-2, соответствуют очень низким значениям содержания озона на высотах 80-90 км.

3)Для дневных условий модельные расчеты колебательной температуры состояния 002 хорошо согласуются с экспериментальными данными во всем рассматриваемом диапазоне высот. Для ночных условий наблюдаются существенные расхождения модельных расчетов с экспериментом. Модельные профили для ночных условий указывают на высоту нарушения ЛТР для состояния 002 75 км и резкое увеличение населенности в вышележащих слоях. Модельные значения Т,ш на высотах 85-90 км достигают 330 К. Уровень нарушения ЛТР согласно экспериментальным данным - около 65 км. Максимальные значения 7оо2 составляют 260-270 К на высотах 80-90 км. Эти значения существенно (на 60-70 К) меньше, чем результаты модельных расчетов.

4) Необходимо отметить высокие значения колебательной температуры 2ооз в дневных условиях, полученные в обоих экспериментах. Максимальные значения Т003 достигаются на высоте 85-90 км и составляют около 450-460 К. Эти значения заметно больше модельных значений, которые составляют около 390 К.

5) В условиях отсутствия освещенности уровень нарушения ЛТР для состояния 011, зарегистрированный в экспериментах, заметно ниже (67,5-72,5 км), чем получаемый в рассмотренных модельных расчетах (75 км). Значения колебательной температуры Гон в диапазоне высот 80-90 км, полученные в эксперименте CRISTA-1, составляют 240-260 К, что намного меньше модельных значений (280-340 К).

6) Для средних профилей колебательной температуры состояний 012 и 021 молекул озона наблюдается хорошее количественное согласие экспериментальных и модельных значений для дневных условий измерений.

Шестая глава диссертации "ПОГРЕШНОСТИ ПРИБЛИЖЕНИЯ СФЕРИЧЕСКОЙ ОДНОРОДНОСТИ АТМОСФЕРЫ В ЗАДАЧЕ РАСЧЕТА УХОДЯЩЕГО НЕРАВНОВЕСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА КАСАТЕЛЬНЫХ ТРАССАХ" посвящена проблеме расчета неравновесного ИК-излучения в условиях нестационарной горизонтально неоднородной атмосферы. Рассматриваются колебательные состояния молекул СОг и Оз, для которых характерны существенные суточные вариации населенности. Описана модель переноса неравновесного излучения в полосе поглощения озона 9,6 мкм с учетом горизонтальных градиентов атмосферных параметров, включая значения неравновесной населенности нижних колебательных состояний молекул озона и состояния 00011 молекул углекислого газа. Проводится сопоставление полученных по данным CRISTA распределений параметров атмосферы вдоль оптических трасс с распределениями, рассчитанными по

модельным данным (модель HAMMONIA). Представлены результаты расчетов интенсивности излучения для случаев сферически неоднородной атмосферы (СНА) и сферически однородной атмосферы (COA). Проводится сопоставление погрешностей расчета, обусловленных использованием приближения COA, с погрешностями спектральных измерений аппаратурой CRISTA.

При расчете распределений параметров вдоль оптических трасс были взяты за основу экспериментальные данные о глобальных полях параметров атмосферы, полученные в результате интерпретации результатов эксперимента CRISTA: температура, давление, содержание углекислого газа и озона, колебательные температуры состояний молекул озона и состояния 00011 молекул углекислого газа. Рассматривались трассы с прицельными высотами 70-90 км, расположенные в области терминатора.

Сопоставление полученных по данным CRISTA распределений параметров атмосферы вдоль трасс с распределениями, рассчитанными по модельным данным (модель HAMMONIA, расчеты для ноября месяца, что соответствует сезону проведения эксперимента CRISTA-1), показало, что: (1) распределения температуры, давления и содержания углекислого газа согласуются как качественно, так и количественно; (2) горизонтальные градиенты содержания озона более существенны на трассах, построенных по данным CRISTA.

Расчеты интенсивности излучения выполнялись для случаев СНА и COA в спектральной области 980-1100 см"' со спектральным разрешением, соответствующим аппаратуре CRISTA.

Значения интенсивности излучения в случаях, когда прибор находится на "дневной" или на "ночной" стороне трассы практически одинаковы, в силу малого поглощения для трасс с прицельными высотами более 70 км.

Согласно проведенным расчетам, в относительном выражении максимальные погрешности расчета излучения, обусловленные приближением COA, имеют место в центре полосы озона и составляют на прицельных высотах 70, 80 и 90 км соответственно 10%, 20% и 10% от значений интенсивности излучения. Погрешности, обусловленные использованием приближения COA, на прицельной высоте 90 км пренебрежимо малы по сравнению с полной погрешностью спектральных измерений аппаратурой CRISTA. На прицельных высотах 70 км и 80 км в центре полосы они сравнимы с полной погрешностью. Это обстоятельство, а также систематический (по спектру и прицельным высотам) характер погрешностей, обусловленных приближением COA, указывают на необходимость учета горизонтальной неоднородности атмосферы при определения профилей озона в области терминатора дистанционным методом.

В заключении сформулированы основные полученные результаты и выводы, данный раздел также содержит подраздел "благодарности".

В конце работы приведены список используемых сокращений и список цитируемой литературы.

Основные результаты работы

В 1994 г. (3-14 ноября) и в 1997 г. (7-19 августа) были проведены уникальные международные космические эксперименты с аппаратурой CRISTA для комплексного изучения средней атмосферы. Для измерений собственного инфракрасного излучения лимба Земли использовался созданный сотрудниками Вуппертальского университета (ФРГ) уникальный высокоточный спектрометр (охлаждение приемника жидким гелием для измерений очень малых потоков ИК излучения). В рамках деятельности международной рабочей группы по исследованию неравновесного ИК излучения "Mesosphere/thermosphere NLTE emissions" сотрудники Санкт-Петербургского государственного университета, в том числе и автор диссертационной работы, участвовали в интерпретации спектров, зарегистрированных аппаратурой CRISTA.

Автором диссертационной работы создан оригинальный метод интерпретации измерений уходящего неравновесного ИК излучения лимба Земли, который позволяет одновременно определять вертикальные профили температуры, давления, концентрации газов и значений неравновесной населенности колебательных состояний молекул (в терминах колебательных температур). Преимущества метода состоят в следующем:

- метод разработан специально для интерпретации спектров атмосферного ИК излучения, обусловленных колебательно-вращательными переходами при наличии эффекта нарушения локального термодинамического равновесия и регистрируемых со средним или высоким спектральным разрешением;

- определение профилей кинетической температуры, давления, концентрации атмосферных газов и неравновесных населенностей колебательных состояний молекул (колебательных температур) исследуемых газов осуществляется одновременно, что позволяет, с одной стороны, использовать при решении обратной задачи физически обоснованные связи между определяемыми параметрами, а с другой стороны, получить в результате решения обратной задачи самосогласованный комплекс данных о различных атмосферных параметрах;

Важно подчеркнуть, что разработанный комплексный метод решения обратной задачи позволил провести интерпретацию измерений независимо от времени суток (условий освещенности). Метод определения профилей содержания СОг и озона, созданный в Вуппертальском университете авторами эксперимента CRISTA, в силу своих особенностей не мог быть использован для получения информации о СОг по результатам ночных измерений и об озоне в условиях существенной нестационарности атмосферы при заходах и восходах Солнца. Таким образом, полученные при выполнении диссертационной работы данные о профилях СОг по результатам ночных измерений аппаратурой CRISTA и данные о

профилях озона по результатам сумеречных измерений аппаратурой CRISTA при зенитных углах Солнца 80o-110° являются уникальными.

К наиболее значительным результатам, полученным в ходе проведенных исследований с помощью разработанного нового метода, можно отнести следующее:

1) Впервые в глобальном масштабе и для различного времени суток экспериментально определены колебательные температуры и значения величины эффекта нарушения JITP (разность между кинетической и колебательными температурами) для совокупности колебательных состояний молекул углекислого газа и озона (состояния 01101, 02201, 00011 молекул С02 и состояния 001, 011, 002, 021, 012, 003 молекул 03). Результаты сравнения экспериментальных данных с модельными расчетами обнаружили в ряде случаев существенные расхождения. В частности, экспериментальные значения величины эффекта HJ1TP для состояния 01101 молекул СОг различных изотопических разновидностей преимущественно выше модельных, что косвенно указывает па завышенное значение константы скорости деактивации (тушения) состояний молекул СОг атомарным кислородом в модельных расчетах.

2) Определены с высокой точностью вертикальные профили температуры в диапазоне высот 40-120 км для всего земного шара (погрешность менее 5 К до высоты 90 км и 5-15 К на высотах 90-120 км). Получена важная информация о высоте и температуре мезопаузы на различных широтах в периоды проведения экспериментов CRISTA.

3) На основе анализа восстановленных профилей температуры получено большое количество повой информации о параметрах мезосфериых инверсий температуры (МИТ) -амплитуде, вертикальной протяженности, высоте и температуре основания, количестве инверсий в расчете на один профиль. Получены широтные зависимости параметров МИТ. Исследованы частота наблюдений и характеристики множественных температурных инверсий.

4) Получены новые данные о содержании важного парникового газа - СОг. Результаты экспериментов с аппаратурой CRISTA свидетельствуют о том, что уменьшение отношения смеси С02 начинается существенно ниже (в области 70 км) по сравнению с данным большинства современных моделей (85-90 км).

5) Проанализированы пространственно-временные вариации озона в верхней стратосфере и мсзосфере. Проведено сопоставление средних профилей содержания озона (день, ночь) с рядом модельных профилей: ночью на высотах 85-90 км и днем выше 70 км результаты обработки данных эксперимента CRISTA существенно превышают модельные значения. Проанализировано содержание озона в области третьего мсзосферного максимума, который был зарегистрирован в эксперименте CRISTA-2 в средних и полярных широтах Южного полушария. Получен большой объем данных о профилях содержания озона в мезосфере в нестационарных условиях (в период сумерек на заходе и восходе Солнца). Проведено сопоставление с нестационарными моделями суточных вариаций.

Таким образом, настоящая диссертационная работа представляет собою законченное исследование, охватывающее разработку оригинального метода интерпретации спутниковых

измерений неравновесного излучения лимба Земли, использование этого метода для получения новых данных о температуре, содержании углекислого газа и озона в области МНТ, неравновесной населенности колебательных состояний молекул ССЬ и Оз, а также всесторонний анализ этих важнейших параметров области МНТ.

Полученный в диссертации согласованный комплекс экспериментальных данных о параметрах средней атмосферы является уникальным как по объему, так и по высотному диапазону слоя МНТ. Этот комплекс может использоваться для валидации и совершенствования трехмерных численных химико-климатических моделей, моделей процессов формирования неравновесной населенности колебательных состояний молекул атмосферных газов, а также при решении различных задач переноса неравновесного излучения в верхней атмосфере Земли. Данные, полученные автором диссертационной работы, уже активно используются учеными ФРГ и США для анализа и прогнозирования состояния слоя МНТ.

Список сокращений, используемых в автореферате

(в алфавитном порядке)

на русском языке

ИК

ЛТР

МНТ

МИТ

НЛТР

СНА

COA

инфракрасный

локальное термодинамическое равновесие

мезосфера и нижняя термосфера

мезосферные инверсии температуры

нарушение локального термодинамического равновесия

сферически неоднородная атмосфера

сферически однородная атмосфера

па английском языке CRISTA HAMMONIA IRC

Cryogenic Infrared Spectrometers and Telescopes for the Atmosphere Hamburg Model of Neutral and Ionized Atmospehere International Radiation Commission

Middle Atmosphere High Resolution Spectrograph Investigation Microwave Limb Sounder

Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding Remote Sensing of the Middle Atmosphere Solar-Climate-Ozone Links

Simulation of Chemistry, Radiation, and Transport of Environmentally important Species

Simulation Program for Infrared Radiative Transfer - non-LTE Code

MAHRSI MLS

MIPAS RSMA SOCOL

SOCRATES

SPIRT-NLC

Список публикаций по теме диссертации

1. Косцов B.C., Розанов В.В., Тимофеев Ю.М., Грассл X., Кутепов А.А. Спектральная структура неравновесного уходящего излучения горизонта в полосе поглощения СОг 15 мкм // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. - 1992. - Т. 28. - № 3. - С. 283-293.

2. Косцов B.C., Тимофеев Ю.М., Грассл X. Возможности определения профилей колебательных температур 15-мкм полосы СО2 по измерениям излучения лимба Земли // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. - 1992. - Т. 28. - № 6. - С. 604-614.

3. Timofeyev Yu.M, Kostsov V.S., Grassl H. Numerical investigations of the accuracy of the remote sensing of non-LTE atmosphere by space-bome spectral measurements of limb i.r. radiation: 15 цт CO2 bands, 9.6 pm O3 bands and 10 цт CO2 laser bands// Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. - 1995. - V. 53. - № 6. - P. 613-632.

4. Kostsov V.S., Timofeyev Yu.M., Grassl H. On the accuracy of the limb sounding of the atmosphere in the 10.4 цш, 15 цт CO2 and 9.6 цт Оз bands with account for non-LTE // Advances in Space Research. - 1995. - V. 16. 10. - P. (10)87-(10)90.

5. Косцов B.C., Мануйлова P.O. Спектральная структура неравновесного излучения лимба Земли в полосе озона 9,6 мкм // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. - 1997. -Т. 33.-№4. -С. 339-347.

6. Kostsov V.S., Fischer Н., Timofeyev Yu.M., Stiller G. MIPAS used as a nonlocal thermodynamic equilibrium sounder for NO 5.3 цт band // Journal of Geophysical Research. -1997. - Y. 102. -№ D25. - P. 30003-30015.

7. Kostsov V.S. On the application of a priori information to the solution of inverse problems of remote sensing of the non-LTE atmosphere in the infrared region by high-resolution spectral instruments// Advances in Space Research. - 1998. -V. 21. -№3. - P. 405-408.

8. Kostsov V.S., Polyakov A.V., Timofeyev Yu.M., Fischer H., Clarmann T.v., Stiller G.P. Intercomparison between the Global Fit and the Optimal Estimation Inversion Methods in Case of the Limb Radiance Measurements: Temperature and Pressure Profile Retrievals// Исследование Земли из космоса. - 1999. -№ 1. - С. 43-49.

9. Kostsov V.S., Polyakov A.V., Timofeyev Yu.M., Fischer Н., Clarmann T.v., Stiller G.P. Intercomparison between the Global Fit and the Optimal Estimation Inversion Methods in Case of the Limb Radiance Measurements: Ozone and Water Vapour Profile Retrievals // Исследование Земли из космоса. - 1999. 3. - С. 21-26.

10. Косцов, B.C., Тимофеев Ю.М. Интерпретация спутниковых измерений уходящего неравновесного ИК излучения в 15 мкм полосе СО2: 1. Описание метода и анализ точности // Известия РАН. Физика атмосферы и океана.- 2001,- Т. 37. - №6.-С. 789-800.

11. Косцов B.C., Тимофеев Ю.М., ГроссманнК., Кауфман М., ОберхайдеИ. Интерпретация спутниковых измерений уходящего неравновесного ИК излучения в 15 мкм полосе СОг: 2. Примеры обработки данных эксперимента CRISTA // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. - 2001. - Т. 37. - № 6. - С. 801-810.

12. Clarmann Т.v., Dudhia A., Edwards D.P., Funke В., Hoepfner M., Kerridge В., Kostsov V., Linden A., Lopez-Puertas M., Timofeyev Yu. Intercomparison of radiative transfer codes under non-local thermodynamic equilibrium conditions // Journal of Geophysical Research. - 2002. -V. 107. - Ks D22. - P. 4631.-doi: 10.1029/2001JD001551.

13. Косцов B.C., Тимофеев Ю.М. Содержание углекислого газа в мезосфере по результатам интерпретации данных эксперимента CRISTA-1 // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. - 2003. - Т. 39. -№ 3. - С. 359-370.

14. Косцов B.C., Тимофеев Ю.М. Озон в мезосфере по данным спутникового эксперимента CRISTA-1: 1. Метод определения вертикальных профилей и анализ его точности // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. - 2005. - Т. 41. -№ 2. - С. 201-214.

15. Косцов B.C., Тимофеев Ю.М. Озон в мезосфере по данным спутникового эксперимента CRISTA-1: 2. Пространственные распределения и суточные вариации// Известия РАН. Физика атмосферы и океана. - 2005. - Т. 41. - № 2. - С. 215-226.

16. Косцов B.C., Тимофеев Ю.М. Мезосферные инверсии температуры по данным эксперимента CRISTA-1 // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. - 2005. - Т. 41. -№ 6. - С. 814-823.

17. Ракитин A.B., Косцов B.C. Границы применимости приближения сферически однородной атмосферы в задаче спутникового дистанционного ИК-зондирования мезосферы па касательных трассах // Исследование Земли из космоса. - 2005. - №5. - С. 10-17.

18. Косцов B.C., Ракитин A.B. Погрешности приближения сферически однородной атмосферы в задаче расчета уходящего неравновесного излучения в полосе озона 9,6 мкм на касательных трассах в мезосфере // Исследование Земли из космоса. - 2006. - № 5. -С. 38-18.

19. Hollweg Н. -D., Kostsov V.S., Schlüssel G., Schlüssel P., Timofeyev Yu.M., Tonkov M.V., Polyakov A.V., Filippov N.N. Interaction at mm and Optical Frequencies. Part II: Specific Atmospheric Absorption and Emission Features: Investigation and Modeling. Final Report. ESA ESTEC Contract No. 10603/93/NL/NB. Zentrum für Meeres- und Klimaforschung der Universität Hamburg, Meteorologisches Institut, 1995.

20. Kostsov V.S., Fischer H., Timofeyev Yu.M., Oelhaf H. Numerical modeling of the influence of non-LTE effects on the MIPAS balloon and satellite limb radiance measurements. Forschungszentrum Karlsruhe, Wissenschaftliche Berichte FZKA 5860, December, 1996, 50 p.

21. Kostsov V.S., Polyakov A.V., Timofeyev Yu.M., Clarmann T.v., Stiller G.P. Study for the Intercomparison between the Global Fit and the Optimal Estimation Methods in Case of the Limb Radiance Measurements, Forschungszentrum Karlsruhe, Wissenschaftliche Berichte FZKA 6047, December, 1997, 102 p.

22. Timofeev Yu.M., Kostsov V.S., Rozanov V.V., Kutepov A.A. Peculiarities of formation of fine structure of outgoing radiation under non-LTE conditions, Atmospheric Spectroscopy Applications Workshop. 6-8 June 1990, Moscow, USSR. Workshop Proceedings, Institute of Atmospheric Optics, Tomsk, USSR, 1990. - P. 197-203.

23. Timofeyev Yu.M., Kostsov V.S., Grassl H., Manuilova R.O. Calculations of non-LTE limb radiance spectral structure in 9.6 /um ozone band, in "Optical Methods in Atmospheric Chemistry", Harold I.Schiff, Ulrich Platt, Editors, Proc. SPIE. - 1993. - V. 1715. - P. 538-549.

24. Kostsov V.S., Timofeyev Yu.M., Grassl H., Hollweg H. -D. Possibilities of thermal sounding of the atmosphere under non-LTE conditions, in "Optical Methods in Atmospheric Chemistry", Harold I. Schiff, Ulrich Platt, Editors, Proc. SPIE 1715. - 1993. - P. 550-561.

25. Timofeyev Yu.M., Kostsov V.S., Grassl H. The possibility of retrieval of ozone profile and vibrational temperatures from non-LTE limb spectrum measurements in 9.6 pm band, in "IRS'92: Current Problems in Atmospheric Radiation", S.Keevallik, O.Kñmer, Editors, Deepak Publishing, 1993.-P. 371-374.

26. Kostsov V.S., Timofeyev Yu.M., Grassl H., Hollweg H. -D. Possibilities of thermal sounding of the atmosphere under non-LTE conditions, in "Optical Methods in Atmospheric Chemistry", Harold I.Schiff, Ulrich Platt, Editors, Proc. SPIE 1715. - 1993. - P. 550-561.

27. Kostsov V.S., Fischer H., Timofeyev Yu.M., Oelhaf H. Numerical modeling of the influence of non-LTE effects on the MIPAS balloon and satellite limb radiance measurements, in Atmospheric Spectroscopy Applications, ASA Reims 96 "Workshop Proceedings", 1996. — P. 257-260.

28. Kostsov V.S., Timofeyev Yu.M., Vollmann K., Grossmann K. Preliminary results of the retrieval of the CO2 vibrational state populations from the 15 pm limb radiance spectra measured by CRISTA, Proceedings of the XXV Annual European Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods, 21-25 September 1998, Granada, Spain, Editorial Committee: M.J.Lopez-Gonzalez, J.J.Lopez-Moreno, M.Lopez-Puertas, M.A.Lopez-Valverde, A.Molina, F.Morcno and R.Rodrigo, Instituto de Astrofísica de Andalucía, Granada, Spain, 1998. — P. 131-134.

29. Kostsov V.S., Timofeyev Yu.M., Grossmann K., Vollmann K., Fischer H. Interpretation of the limb radiance measurements accounting for the non-LTE conditions, In: "ESAMS'99 -European Symposium on Atmospheric Measurements from Space", ESTEC, Noordwijk, The Netherlands, 18-22 January 1999, Volume I, 1999.-P. 251-256.

30. Kostsov V.S., Timofeyev Yu.M., Grossmann K. Interpretation of the limb radiance measurements in the CO2 15 |j.m band by the CRISTA instrument accounting for the non-LTE conditions. In "IRS-2000: Current Problems in Atmospheric Radiation", Proceedings of the International Radiation Symposium, St. Petersburg, Russia, 24-29 July 2000, eds. W. Smith and Yu. Timofeyev, Deepak Publishing, 2001. - P. 158-161.

31. Kostsov V.S. Accounting for constraints in the multiparameter retrieval algorithm based on the optimal estimation, In "IRS-2000: Current Problems in Atmospheric Radiation", Proceedings of the International Radiation Symposium, St. Petersburg, Russia, 24-29 July 2000, eds. W. Smith and Yu. Timofeyev, Deepak Publishing, 2001. - P. 811-814.

32. Kostsov V.S., Ogibalov V.P., Timofeyev Yu.M. Comparison of the CO2 vibrational temperatures retrieved from the limb radiance measurements by the CRISTA instrument with model predictions, In "IRS-2000: Current Problems in Atmospheric Radiation", Proceedings of the International Radiation Symposium, St. Petersburg, Russia, 24-29 July 2000, eds. W. Smith and Yu. Timofeyev, Deepak Publishing, 2001. - P. 162-165.

33. Clarmann T.v., Linden A., Funke B., Dudhia A., Edwards D.P., Lopez-Puertas M., Kerridge B., Kostsov V., Timofeyev Yu. Intercomparison of non-LTE radiative transfer codes, In "IRS-2000: Current Problems in Atmospheric Radiation", Proceedings of the International Radiation Symposium, St. Petersburg, Russia, 24-29 July 2000, eds. W. Smith and Yu. Timofeyev, Deepak Publishing: 2001. - P. 765-768.

34. Timofeyev Y.M., Kostsov V.S. IR remote sensing of non-LTE atmosphere, Proceedings of SPIE, 8th International Symposium on Remote Sensing, 17-21 September 2001, Toulouse, France, Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere VI. -2002. -V. 4539. - P. 418-430.

35. Kostsov V.S., Timofeyev Yu.M., Manuilova R.O. Global distributions of temperature, carbon dioxide, ozone, and non-LTE parameters in mesosphere and lower thermosphere (CRISTA-1 experiment), in "Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere VIII", edited by Klaus P. Schaefer, Adolfo Comeron, Michel R. Carleer, Richard H. Picaid, Proc. of SPIE. - 2004. -V. 5235. -P. 208-219. -doi: 10.1117/12.512269.

Отпечатано копировально-множительным участком отдела обслуживания учебного процесса физического факультета СПбГУ. Приказ № 571/1 от 14.05.03. Подписано в печать 09.09.08 с оригинал-макета заказчика. Ф-т 30x42/4, Усл. неч. л.2. Тираж 100 экз., Заказ № 852/с 198504, СПб, Ст. Петергоф, ул. Ульяновская, д. 3, тел. 929-43-00.

Содержание диссертации, доктора физико-математических наук, Косцов, Владимир Станиславович

25.00.29 — физика атмосферы и гидросферы

Диссертация н; доктора физ!

Президиум БАК Минобркаукн России решение от « gocjfr. Nsj хжял* ДОКТОРА н-а-ук

Начальник отдела ¿^¡^^

Научный консультант д.ф.-м.н., проф. Ю.М. Тимофеев

Санкт-Петербург

Оглавление

Введение.

Глава 1. ПЕРЕНОС НЕРАВНОВЕСНОГО ИК ИЗЛУЧЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ.

1.1. Расчет спектров интенсивности неравновесного ИК излучения.

1.2. Оценка точности расчета интенсивности неравновесного ИК излучения.

1.3. Спектральная структура неравновесного излучения лимба Земли в полосе поглощения углекислого газа 15 мкм.

1.4. Спектральная структура неравновесного излучения лимба Земли в полосе поглощения озона 9,6 мкм.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследование мезосферы со спутников (эксперимент CRISTA): температура, содержание углекислого газа и озона, неравновесная населенность колебательных состояний молекул"

Актуальность работы

Состав мезосферы, ее температурный режим, происходящие в ней динамические и химические процессы, а также энергетический баланс интенсивно изучаются в настоящее время, что обусловлено, в частности, развитием исследований в области антропогенного влияния на климат Земли и климатических прогнозов. В отличие от нижних слоев атмосферы, изменения параметров средней и верхней атмосферы ожидаются раньше, чем параметров нижних атмосферных слоев, поскольку ожидаемая амплитуда этих изменений существенно больше, чем в нижней атмосфере [46]. Во многих исследованиях мезосферу рассматривают совместно с нижней термосферой, например, при изучении области мезопаузы, поэтому ниже мы будем следовать такому подходу и говорить об области мезосферы - нижней термосферы (МНТ).

Температура является ключевым параметром состояния атмосферы, влияющим на динамику и энергетику. Анализ температуры в области МНТ до настоящего времени проводился в гораздо меньшем объеме, чем для нижних слоев атмосферы. Существенно подчеркнуть, что в опубликованных данных по температурным трендам в области МНТ имеются значительные расхождения. Оценки трендов температуры находятся в широком диапазоне - от сильного охлаждения до незначительного нагревания [46]. Большинство полученных результатов указывают на отрицательный тренд в течение последних нескольких десятилетий [3, 79]. В работах [96, 97, 98] на основе анализа данных лидарного и ракетного зондирования получено, что в средних и низких широтах наблюдается охлаждение мезосферы (от умеренного до сильного). Сильный отрицательный тренд в области мезопаузы (80-95 км) отмечается также в работе [80], в которой проанализированы ракетные измерения температуры, а также дистанционные измерения температуры по свечению гидроксила в диапазоне широт 43°-54° с.ш. На увеличение температуры мезопаузы было указано в работе [161], однако анализ, проведенный авторами впоследствии, показал отсутствие какого-либо тренда. Отсутствие существенных трендов в значениях температуры для всей области мезосферы летом на высоких широтах показали исследования [136, 137, 138]. На отсутствие трендов в районе мезопаузы, по крайней мере в последнее десятилетие XX века, указывают и другие авторы [49]. В работе [185] были проанализированы результаты измерений температуры на семи американских и российских станциях (ракетные измерения, метод падающих сфер), и были получены тренды, отличающиеся как по абсолютному значению (от 1 до 2,4 К за десятилетие), так и по знаку.

До настоящего времени самые долгосрочные и непрерывные ряды измерений получены наземными методами, и эти ряды наиболее пригодны для анализа трендов. Но следует подчеркнуть, что результаты, полученные наземными методами, относятся к различным точкам на Земном шаре. Спутниковые наблюдения позволяют получить глобальную картину, но по имеющимся спутниковым данным выделение долгосрочных трендов затруднительно, поскольку соответствующие ряды наблюдений слишком ограничены по времени. Тем не менее, важность спутниковых наблюдений обусловлена тем, что они дают информацию, необходимую для изучения физических механизмов, ответственных за наличие трендов.

Интересным, но малоизученным явлением являются мезосферные инверсии температуры (МИТ). МИТ впервые были обнаружены в ракетных наблюдениях [184]. Позднее эти особенности температурного режима мезосферы изучались с помощью ракетных, наземных лидарных, а также спутниковых методов измерений. Многие динамические, химические и радиационные процессы играют существенную роль в формировании термической структуры района МНТ. Несмотря на большое количество исследований, природа МИТ до сих пор до конца не ясна. Рассмотрению возможных механизмов формирования МИТ посвящено большое количество работ (см., например, работы [124, 125, 147, 193, 202, 210]). Предложены различные механизмы образования МИТ - динамический (приливы, взаимодействие приливов, гравитационных и планетарных волн, нагревание за счет турбулентности при разрушении гравитационных волн и т.д.) и химический. Но не ясно, например, происходит ли образование нижних и верхних МИТ за счет одних и тех же механизмов. Многие глобальные модели средней атмосферы, описывающие влияние приливов на образование МИТ, дают существенно меньшие амплитуды МИТ по сравнению с измеренными. Учет взаимодействия атмосферных приливов с гравитационными и планетарными волнами позволяет получить амплитуды МИТ, существенно лучше согласующиеся с экспериментальными данными. Химический механизм образования МИТ [145, 151] может быть ответственным за возникновение верхних МИТ, так как скорости химического нагревания на высотах около 90 км могут достигать 5-10 К/день. Недостаток экспериментальных данных о параметрах МИТ, особенно в глобальном масштабе, затрудняет однозначное объяснение их природы.

Проблема контроля, моделирования и прогноза термического режима МНТ тесно связана с исследованиями газового состава. Одним из важных поглотителей солнечной радиации является озон. Озон играет фундаментальную роль как в формировании термического режима, так и химического состава МНТ [1, 4, 152]. Озон участвует в

25-80% процессов нагревания, которые происходят за счет поглощения солнечного излучения и за счет различных экзотермических реакций [152].

Исследования пространственных распределений и временных вариаций содержания озона в средней атмосфере проводились (и интенсивно проводятся в настоящее время) с помощью различных космических дистанционных методов. При этом используются спектральные измерения поглощения солнечного излучения в полосах поглощения озона (эксперименты SAGE, HALOE, Озон-Мир, РОЕМ, ATMOS), собственного излучения атмосферы в микроволновом и инфракрасном (ИК) диапазонах (аппаратура MLS, CLAES, ISAMS, CIRRIS, MIPAS, CRISTA), а также отраженного и рассеянного солнечного излучения (аппаратура TOMS, SBUV, GOME) [4, 23, 34, 81, 214, 215]. Большая часть измерений относится к стратосфере и нижней мезосфере. Области высот 60-90 км изучены недостаточно полно.

Другой важной газовой составляющей, влияющей на термический режим МНТ, является углекислый газ. Радиационное выхолаживание МНТ происходит главным образом за счет углекислого газа. Концентрация СОг в области МНТ начинает быстро уменьшаться вследствие молекулярной диффузии и химического разрушения [133]. Регистрируемое в ряде экспериментов резкое уменьшение отношения смеси СО2 в мезосфере [133, 93, 11] означает, что мезосфера охлаждается не так эффективно, как она охлаждалась бы в случае равномерно перемешанного СО2 вплоть до высот, соответствующих нижней термосфере. Об этом свидетельствуют и модельные расчеты [51]. Кроме этого, на скорость радиационного выхолаживания также влияют крупномасштабные сезонные изменения содержания СО2 и температурные возмущения. В работе [22] показано, что суточные солнечные приливы приводят к заметному возрастанию скорости радиационного выхолаживания в 15-мкм полосе СО2 в области экватора на высотах менее 100 км, что, в свою очередь, может являться причиной нисходящих воздушных движений, наблюдающихся в приэкваториальной термосфере на высотах более 105 км. Таким образом, изменения состава и температуры МНТ, в том числе изменения за счет антропогенных факторов, влияют на энергетический баланс этой области атмосферы.

Радиационный баланс мезосферы в существенной степени определяется отклонениями от локального термодинамического равновесия (J1TP). Населенности колебательных состояний молекул необходимы, в частности, для расчета радиационных изменений температуры в верхних слоях атмосферы. Современные модели средней атмосферы используют параметризации радиационного выхолаживания атмосферы в 15 мкм полосе СО2, учитывающие отклонение от условий JITP. Параметризации основаны на так называемых "эталонных" расчетах, в которых детально моделируются процессы, приводящие к неравновесному заселению колебательных состояний. Например, параметризация [71], использованная в модели СМАМ (Canadian Middle Atmosphere Model) [72], основана на "эталонных" расчетах [21]. Подчеркнем, что большая часть информации о населенностях (колебательных температурах) получена в настоящее время расчетным путем. В то же время проверка теоретических расчетов колебательных температур требует получения экспериментальных данных.

Наряду с вышеупомянутой моделью СМАМ, следует отметить и другие численные модели средней атмосферы. В Лейпцигском университете (ФРГ) с целью изучения процессов генерации, распространения и нелинейного взаимодействия волн глобального масштаба, а также оценки вклада атмосферных волн в формирование средних полей создана модель COMMA-LIM (Cologne Model of the Middle Atmosphere Leipzig - Institute for Meteorology), работающая в диапазоне высот 0-135 км) [73, 74]. Одной из рассматриваемых задач, в частности, являлось исследование возможности распространения планетарных волн в область термосферы [166]. Одной из ключевых задач при разработке и совершенствовании моделей является расширение высотного диапазона. В трехмерной химико-климатической модели (ХКМ) HAMMONIA (Hamburg Model of the Neutral and Ionized Atmosphere) согласованно учитываются динамические, радиационные и химические процессы в высотном диапазоне от 0 до 250 км [186, 187]. HAMMONIA основана на модели общей циркуляции атмосферы ЕСНАМ5/МАЕСНАМ5, разработанной в Институте Метеорологии Макса Планка (Гамбург, ФРГ).

Среди различных направлений исследований средней атмосферы следует отметить и изучение влияния на ее состояние сильных тропосферных возмущений. В работе [2] рассматривалось изменение параметров ионосферы во время активной фазы тропических циклонов. В работах [19, 20] исследовалось влияние тропических циклонов на озоносферу, выявлены общие характерные черты временной изменчивости циклонической активности, температурных аномалий и общего содержания озона.

Регулярные экспериментальные исследования параметров МНТ проводятся различными наземными и космическими методами. Используются данные ракетного зондирования, лидарные и радиолокационные измерения. Каждый из методов зондирования МНТ имеет как свои преимущества, так и недостатки. Важную роль играют методы дистанционного зондирования атмосферы из космоса, к преимуществам которых относятся, прежде всего, глобальный охват и высокая периодичность [32]. Появление в последнее время спутниковых спектральных приборов, таких как CRISTA и MIPAS, работающих в ИК диапазоне и обладающих высоким спектральным разрешением и высокой чувствительностью, позволяет регистрировать слабое ИК излучение верхних слоев атмосферы, что в свою очередь дает возможность получать информацию об атмосферных параметрах в этих слоях на основе решения соответствующих обратных задач [70, 162].

Интерпретация измерений собственного ИК излучения атмосферы на касательных трассах с прицельными высотами, соответствующими области МНТ, осложняется наличием эффекта нарушения ЛТР. (Ниже мы будем использовать аббревиатуру НЛТР для обозначения термина "нарушение ЛТР".) В силу процессов различного рода (столкновительных, радиационных, химических) значения населенности колебательных состояний молекул атмосферных газов отличаются от больцмановских. (Отметим, что эффект НЛТР наблюдается и для вращательных состояний, однако в более высоких слоях.) Для характеристики неравновесных населенностей, как правило, используют значения так называемых колебательных температур, а в качестве оценки величины эффекта НЛТР для конкретных состояний рассматривают отличия соответствующих колебательных температур от кинетической температуры. Эффект НЛТР присутствует, в частности, в полосах поглощения СО2 15 мкм и озона 9,6 мкм, традиционно использующихся соответственно для температурного зондирования и для определения содержания озона.

На необходимость учета эффекта НЛТР в полосе поглощения озона было указано еще в работе [196], посвященной анализу измерений радиометра LIMS. Высотные области, для которых необходим такой учет, различны для различных полос, поскольку уровни НЛТР зависят от конкретного колебательного состояния молекул, также они могут зависеть от условий освещенности (времени суток).

Подчеркнем, что при решении задачи термического зондирования традиционно используется полоса поглощения углекислого газа 15 мкм, при этом пренебрежение эффектом нарушения ЛТР может приводить к погрешностям определения температуры, достигающим 30 К в области мезопаузы [10]. Погрешности определения температуры по широкополосным измерениям излучения в этой спектральной области в эксперименте SABER обсуждаются в работе [120]. В частности, показано, что уточнение модели неравновесных процессов приводит к "повышению" высоты мезопаузы у определяемых температурных профилей на 2-4 км, в результате чего существенно улучшается согласие получаемых профилей с независимыми измерениями методом падающих сфер. Помимо полосы СО2 15 мкм, также рассматривалась и так называемая "лазерная" полоса СО2, обусловленная переходом 00011-10001, с точки зрения возможности термического зондирования [148] (эксперимент CIRRIS 1А). По сравнению с полосой 15 мкм, в области "лазерного" перехода 00011-10001 эффект НЛТР существенно больше.

Проблеме изучения эффекта HJITP уделяется большое внимание как в России, так и за рубежом. Созданы модели, описывающие процессы заселения колебательных состояний молекул различных атмосферных газов. Проводились многочисленные экспериментальные исследования неравновесного излучения с помощью ракетных и спутниковых приборов. Наибольшее внимание уделялось изучению эффекта НЛТР для колебательных состояний молекул углекислого газа и озона. Созданы модели процессов, контролирующих неравновесную населенность колебательных состояний [126, 127, 192, 163, 139, 140]. Проводились исследования неравновесной населенности на основе ракетных и спутниковых измерений ИК излучения [195, 50, 82, 129, 170,171].

На повестке дня стоят вопросы дальнейшего изучения параметров средней и верхней атмосферы и неравновесных процессов на основе измерений излучения современными космическими приборами.

В 1994 и 1997 гг. были успешно проведены две серии измерений атмосферного ИК излучения прибором CRISTA, разработанным в Вуппертальском университете (ФРГ). Полученные данные используются для определения профилей температуры и содержания малых газовых составляющих, исследования неравновесного состояния атмосферы [83, 84]. В рамках проекта CRISTA была создана специальная рабочая группа по исследованию неравновесных процессов "Mesosphere/thermosphere NLTE emissions". Однако, например, основной массив данных по профилям температуры, полученный в Вуппертальском университете, ограничен высотой порядка 60-70 км (при восстановлении использовалось приближение выполнимости ЛТР). Оценки показывают, что, начиная с 60-70 км, использование этого приближения может давать существенные погрешности.

На борту спутника ENVISAT с 2002 года успешно функционировал прибор MIPAS. В рамках подготовки к эксперименту с прибором MIPAS были выполнены специальные исследования для Европейского космического агентства, посвященные влиянию эффекта НЛТР на точность определения параметров атмосферы [131]. Разрабатывались методы определения газового состава и параметров, характеризующих неравновесность [75].

Важно отметить, что большинство использующихся в настоящее время методов интерпретации измерений уходящего ИК излучения предполагают предварительное моделирование неравновесных населенностей колебательных состояний молекул. При этом точность современных моделей в ряде случаев недостаточна. Например, в результате анализа задачи определения профилей озона по данным космического эксперимента SABER было получено, что для достижения точности определения содержания озона порядка 15%, константы скоростей столкновительных процессов, контролирующих населенности колебательных состояний молекул озона, должны быть известны с точностью лучше 25%. При этом, фактор неопределенности соответствующих современных данных равен 2 [153]. Кроме того, привлечение большого количества априорной информации в алгоритм решения обратной задачи (в частности моделей заселения колебательных уровней молекул) приводит к тому, что ее вклад в формирование решения становится соизмеримым с вкладом, который дают непосредственно измерения [207]. В связи с этим большое значение имеет создание новых методов зондирования неравновесной атмосферы, не использующих в качестве априорной информации модели процессов, контролирующих неравновесную населенность колебательных состояний.

Цель работы

Поставленная цель достигается в результате решения следующих задач:

- компьютерная реализация алгоритма решения "обратной" задачи;

- выбор и анализ априорной информации, необходимой для решения обратной задачи;

- оценка погрешностей определения параметров;

- валидация полученных результатов;

- анализ полученных результатов (пространственно-временных распределений температуры, содержания углекислого газа и озона, значений неравновесной населенности нижних колебательных состояний молекул углекислого газа и озона), сравнение с данными численного моделирования.

Научная новизна

- восстановление профилей кинетической температуры, давления, концентрации атмосферных газов и неравновесных населенностей колебательных состояний молекул (колебательных температур) исследуемых газов осуществляется одновременно, что позволяет, с одной стороны, использовать при решении обратной задачи физически обоснованные связи между определяемыми параметрами, а с другой стороны, получить в результате решения обратной задачи согласованный комплекс данных о различных атмосферных параметрах;

Определены с высокой точностью вертикальные профили температуры в диапазоне высот 40-120 км.

Получены новые данные о содержании в мезосфере важного парникового газа

С02.

Основные положения, выносимые на защиту

2. Разработанный новый метод интерпретации спутниковых измерений неравновесного ИК излучения (решение обратной задачи с целью одновременного определения профилей температуры, давления, содержания углекислого газа и озона, колебательных температур ряда колебательных состояний молекул СО2 и Оз) оптимально использует информацию, содержащуюся в спектральных измерениях, а его высокая точность обусловлена в значительной степени учетом в алгоритме решения обратной задачи физически обоснованных связей между определяемыми параметрами.

4. Полученные в работе вертикальные профили температуры в диапазоне высот 40-120 км для всего земного шара определены с высокой точностью (погрешность менее 5 К до высоты 90 км и 5-15 К на высотах 90-120 км), что позволило получить новую информацию о параметрах мезосферных инверсий температуры (амплитуда, вертикальная протяженность, высота основания, температура основания, количество инверсий в расчете на один профиль) в глобальном масштабе.

5. Уменьшение значений отношения смеси СО2 начинается существенно ниже (в области 70 км) по сравнению с данными большинства современных моделей (85-90 км).

6. По данным эксперимента CRISTA-2 (август 1997 г.) в области 60-90 км наблюдается увеличение значений отношения смеси озона в южном направлении от экватора на всех высотах, при этом уже на широте 40° начинает формироваться третий мезосферный максимум на высоте 62,5 км (этот максимум узкий до широты 65°, на широтах 65°-72° он становится широким, охватывая диапазон высот 62,5-72,5 км, значения отношения смеси в этом максимуме находятся в пределах 1,75-2,0 млн"1).

7. Впервые в глобальном масштабе и для различного времени суток экспериментально определены колебательные температуры и значения величины эффекта нарушения JITP (разность между кинетической и колебательными температурами) для совокупности колебательных состояний молекул углекислого газа и озона (состояния 01101, 02201, 00011 молекул С02 и состояния 001, 011, 002, 021, 012, 003 молекул 03). Результаты сравнения экспериментальных данных с модельными расчетами обнаружили в ряде случаев существенные расхождения. В частности, экспериментальные значения величины эффекта HJ1TP для состояния 01101 молекул СОг различных изотопических разновидностей преимущественно выше модельных, что косвенно указывает на завышенное значение константы скорости деактивации (тушения) состояний молекул СО2 атомарным кислородом в модельных расчетах.

Практическая ценность работы

Разработанный алгоритм решения комплексной обратной задачи и пакет программ могут быть использованы для обработки спектров ПК излучения, зарегистрированных спутниковой аппаратурой среднего и высокого спектрального разрешения (с характеристиками, аналогичными характеристикам приборов CRISTA и MIPAS) при касательной геометрии наблюдений в условиях нарушения JITP.

- для валидации и совершенствования трехмерных численных химико-климатических моделей атмосферы;

- при решении различных задач переноса неравновесного излучения в средней атмосфере Земли.

Достоверность полученных результатов обеспечена:

- подробным анализом погрешностей спектральных измерений аппаратурой CRISTA, проведением численных экспериментов при разработке алгоритма решения обратной задачи;

- сопоставлением результатов с независимыми данными измерений.

Апробация работы

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на семинарах отдела (кафедры) физики атмосферы НИИ физики (физического факультета) Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ), на семинарах Института метеорологии Макса Планка (Гамбург, ФРГ), Института метеорологии и исследования климата (Карлсруэ, ФРГ), а также на следующих международных конференциях:

- SPIE's International Symposium on Remote Sensing (1993, 2001, 2003);

- COSPAR Scientific Assembly (COSPAR-1996);

- Atmospheric Spectroscopy Application Workshop (ASA-1990, ASA-1996);

- XXV Annual European Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods (1998);

- CRISTA/MAHRSI Workshop, 17-18 February 1999, Physics Department, Wuppertal University, Germany;

- Международный симпозиум по атмосферной радиации (МСАР-1999, МСАР-2002, МСАР-2004, МСАР-2006);

- European Symposium on Atmospheric Measurements from Space (ESAMS-1999);

- International Radiation Symposium (IRS-1992, IRS-2000, IRS-2004);

- American Geophysical Union Meeting (AGU 2002 Spring Meeting);

- International Union of Geodesy and Geophysics XXIII General Assembly (IUGG-2003);

- 31st International Symposium on Remote Sensing of Environment (ISRSE-2005);

- Scientific Assembly of The International Association of Meteorology and Atmospheric Sciences (IAMAS-2005).

Публикации

Основные результаты диссертационной работы изложены в статьях, опубликованных в рецензируемых журналах (позиции 1-18 в приведенном ниже списке), научных отчетах (позиции 19-21 в списке), а также докладах на научных конференциях (позиции 22-35 в списке), опубликованных в соответствующих рецензируемых сборниках. Цикл статей в журнале "Известия РАН. Физика атмосферы и океана" (позиции 13-16) удостоен Главной премии издательства МАИК Наука/Интерпериодика 2005 года.

1. Косцов B.C., Розанов В.В., Тимофеев Ю.М., Грассл X., Кутепов А.А. Спектральная структура неравновесного уходящего излучения горизонта в полосе поглощения СО2 15 мкм // Известия РАН. Физика атмосферы и океана.- 1992,- Т. 28.- № 3.- С. 283-293.

3. Timofeyev Yu.M., Kostsov V.S., Grassl H. Numerical investigations of the accuracy of the remote sensing of non-LTE atmosphere by space-borne spectral measurements of limb i.r. radiation: 15 цт CO2 bands, 9.6 цт O3 bands and 10 (ят CO2 laser bands// Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. - 1995. - V. 53. - № 6. - P. 613-632.

4. Kostsov V.S., Timofeyev Yu.M., Grassl H. On the accuracy of the limb sounding of the atmosphere in the 10.4 jam, 15 jam C02 and 9.6 цт 03 bands with account for non-LTE // Advances in Space Research. - 1995. - V. 16. - № 10. - P. (10)87-(10)90.

6. Kostsov V.S., Fischer Н., Timofeyev Yu.M., Stiller G. MIPAS used as a nonlocal thermodynamic equilibrium sounder for NO 5.3 pm band // Journal of Geophysical Research. - 1997. - V. 102. - № D25. - P. 30003-30015.

7. Kostsov V.S. On the application of a priori information to the solution of inverse problems of remote sensing of the non-LTE atmosphere in the infrared region by high-resolution spectral instruments // Advances in Space Research. - 1998. - V. 21. - № 3. - P. 405-408.

8. Kostsov V.S., Polyakov A.V., Timofeyev Yu.M., Fischer H., Clarmann T.v., Stiller G.P. Intercomparison between the Global Fit and the Optimal Estimation Inversion Methods in Case of the Limb Radiance Measurements: Temperature and Pressure Profile Retrievals // Исследование Земли из космоса. - 1999. - № 1. - С. 43-49.

9. Kostsov V.S., Polyakov A.V., Timofeyev Yu.M., Fischer H., Clarmann T.v., Stiller G.P. Intercomparison between the Global Fit and the Optimal Estimation Inversion Methods in Case of the Limb Radiance Measurements: Ozone and Water Vapour Profile Retrievals // Исследование Земли из космоса. - 1999. - № 3. - С. 21-26.

11. Косцов B.C., Тимофеев Ю.М., Гроссманн К., Кауфман М., Оберхайде Й. Интерпретация спутниковых измерений уходящего неравновесного ИК излучения в 15 мкм полосе СО2: 2. Примеры обработки данных эксперимента CRISTA // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. - 2001. - Т. 37. - № 6. - С. 801-810.

12. Clarmann T.v., Dudhia A., Edwards D.P., Funke В., Hoepfner M., Kerridge В., Kostsov V., Linden A., Lopez-Puertas M., Timofeyev Yu. Intercomparison of radiative transfer codes under non-local thermodynamic equilibrium conditions // Journal of Geophysical Research.-2002.-V. 107. - № D22. - P. 4631. - doi: 10.1029/2001JD001551.

16. Косцов B.C., Тимофеев Ю.М. Мезосферные инверсии температуры по данным эксперимента CRISTA-1 // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. - 2005. -Т. 41,-№6.-С. 814-823.

17. РакитинА.В., Косцов B.C. Границы применимости приближения сферически однородной атмосферы в задаче спутникового дистанционного ИК-зондирования мезосферы на касательных трассах // Исследование Земли из космоса. - 2005. - №5. -С. 10-17.

18. Косцов B.C., РакитинА.В. Погрешности приближения сферически однородной атмосферы в задаче расчета уходящего неравновесного излучения в полосе озона 9,6 мкм на касательных трассах в мезосфере // Исследование Земли из космоса. -2006. - № 5. - С.38-48.

19. Hollweg Н. -D., Kostsov V.S., Schlüssel G., Schlüssel P., Timofeyev Yu.M., Tonkov M.V., Polyakov A.Y., Filippov N.N. Interaction at mm and Optical Frequencies. Part II: Specific Atmospheric Absorption and Emission Features: Investigation and Modeling. Final Report. ESA ESTEC Contract No. 10603/93/NL/NB. Zentrum für Meeres- und Klimaforschung der Universität Hamburg, Meteorologisches Institut, 1995.

23. Timofeyev Yu.M., Kostsov V.S., Grassl H., Manuilova R.O. Calculations of non-LTE limb radiance spectral structure in 9.6 |am ozone band, in "Optical Methods in Atmospheric Chemistry", Harold I.Schiff, Ulrich Piatt, Editors, Proc. SPIE. - 1993,- V.1715. -P.538-549.

24. Kostsov V.S., Timofeyev Yu.M., Grassl H., Hollweg H. -D. Possibilities of thermal sounding of the atmosphere under non-LTE conditions, in "Optical Methods in Atmospheric Chemistry", Harold I.Schiff, Ulrich Piatt, Editors, Proc. SPIE 1715. - 1993. -P. 550-561.

25. Timofeyev Yu.M., Kostsov V.S., Grassl H. The possibility of retrieval of ozone profile and vibrational temperatures from non-LTE limb spectrum measurements in 9.6 pm band, in "IRS'92: Current Problems in Atmospheric Radiation", S.Keevallik, O.Karner, Editors, Deepak Publishing, 1993. - P. 371-374.

26. Kostsov V.S., Timofeyev Yu.M., Grassl H., Hollweg H. -D. Possibilities of thermal sounding of the atmosphere under non-LTE conditions, in "Optical Methods in Atmospheric Chemistry", Harold I.Schiff, Ulrich Piatt, Editors, Proc. SPIE 1715. - 1993. -P. 550-561.

28. Kostsov V.S., Timofeyev Yu.M., Vollmann K., Grossmann K. Preliminary results of the retrieval of the CO2 vibrational state populations from the 15 (.tm limb radiance spectra measured by CRISTA, Proceedings of the XXV Annual European Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods, 21-25 September 1998, Granada, Spain, Editorial Committee: M.J.Lopez-Gonzalez, J.J.Lopez-Moreno, M.Lopez-Puertas, M.A.Lopez-Valverde, A.Molina, F.Moreno and R.Rodrigo, Instituto de Astrofísica de Andalucia, Granada, Spain, 1998. -P. 131-134.

30. Kostsov V.S., Timofeyev Yu.M., Grossmann K. Interpretation of the limb radiance measurements in the CO2 15 (am band by the CRISTA instrument accounting for the non-LTE conditions. In "IRS-2000: Current Problems in Atmospheric Radiation", Proceedings of the International Radiation Symposium, St.Petersburg,Russia, 24 - 29 July 2000, eds. W. Smith and Yu. Timofeyev, Deepak Publishing, 2001. - P. 158-161.

31. Kostsov V.S. Accounting for constraints in the multiparameter retrieval algorithm based on the optimal estimation, In "IRS-2000: Current Problems in Atmospheric Radiation", Proceedings of the International Radiation Symposium, St.Petersburg,Russia, 24-29 July 2000, eds. W. Smith and Yu. Timofeyev, Deepak Publishing, 2001. - P. 811-814.

32. Kostsov V.S., Ogibalov V.P., Timofeyev Yu.M. Comparison of the CO2 vibrational temperatures retrieved from the limb radiance measurements by the CRISTA instrument with model predictions, In "IRS-2000: Current Problems in Atmospheric Radiation", Proceedings of the International Radiation Symposium, St.Petersburg,Russia, 24-29 July 2000, eds. W. Smith and Yu. Timofeyev, Deepak Publishing, 2001. - P. 162-165.

33. Clarmann T.v., Linden A., Funke В., Dudhia A., Edwards D.P., Lopez-Puertas M., Kerridge В., Kostsov V., Timofeyev Yu. Intercomparison of non-LTE radiative transfer codes, In "IRS-2000: Current Problems in Atmospheric Radiation", Proceedings of the International Radiation Symposium, St.Petersburg, Russia, 24-29 July 2000, eds. W. Smith and Yu. Timofeyev, Deepak Publishing: 2001. - P. 765-768.

35. Kostsov V.S., Timofeyev Yu.M., Manuilova R.O. Global distributions of temperature, carbon dioxide, ozone, and non-LTE parameters in mesosphere and lower thermosphere (CRISTA-1 experiment), in "Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere VIII", edited by Klaus P. Schaefer, Adolfo Comeron, Michel R. Carleer, Richard H. Picard, Proc. of SPIE. -2004. - V. 5235. - P. 208-219. - doi: 10.1117/12.512269.

Личный вклад автора

Все результаты, представленные в диссертации, были получены автором самостоятельно или при его непосредственном участии. Лично автором разработан метод комплексного определения параметров атмосферы по спектральным измерениям неравновесного ИК излучения из космоса, проведен анализ его точности, обработаны спектры, зарегистрированные в экспериментах с аппаратурой CRISTA в режиме сканирования МНТ. Анализ спектральной структуры неравновесного излучения в полосах СО215 мкм и Оз 9,6 мкм проведен в сотрудничестве с Ю.М.Тимофеевым, А.А.Кутеповым, Р.О.Мануйловой. Анализ результатов определения температуры, содержания СО2 и О3, а также колебательных температур состояний молекул СОг и Оз проведен в сотрудничестве с Ю.М.Тимофеевым, В.П.Огибаловым, М.Кауфманном, Й.Оберхайде. Оценки влияния приближения сферически однородной атмосферы на результаты расчетов уходящего неравновесного излучения получены в сотрудничестве с А.В.Ракитиным.

Общая структура работы

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Косцов, Владимир Станиславович

6.3. Основные выводы

Построены модели переноса неравновесного излучения в полосе поглощения озона 9,6 мкм с учетом горизонтальных градиентов атмосферных параметров, включая значения неравновесной населенности нижних колебательных состояний молекул озона и состояния 00011 молекул углекислого газа. При расчете распределений параметров вдоль оптических трасс были взяты за основу экспериментальные данные о глобальных полях параметров атмосферы, полученные в результате интерпретации результатов эксперимента CRISTA. Рассматривались трассы, расположенные в области терминатора.

Проведено сопоставление полученных по данным CRISTA распределений параметров атмосферы вдоль трасс с распределениями, рассчитанными по модельным данным (модель HAMMONIA, расчеты для ноября месяца, что соответствует сезону проведения эксперимента CRISTA-1). Распределения температуры, давления и содержания углекислого газа согласуются как качественно, так и количественно. Горизонтальные градиенты содержания озона более существенны на трассах, построенных по данным CRISTA.

Расчеты интенсивности излучения выполнялись для случаев сферически неоднородной атмосферы (СНА) и сферически однородной атмосферы (COA) для трасс с прицельными высотами 70-90 км в спектральной области 980-1100 см"1 со спектральным разрешением, соответствующим аппаратуре CRISTA.

Заключение

В 1994 г. (3-14 ноября) и в 1997 г. (7-19 августа) были проведены уникальные международные космические эксперименты с аппаратурой CRISTA для комплексного изучения средней атмосферы. Для измерений собственного инфракрасного излучения горизонта Земли использовался созданный сотрудниками Вуппертальского университета (ФРГ) уникальный высокоточный спектрометр (охлаждение приемника жидким гелием для измерений очень малых потоков ИК излучения). В рамках деятельности международной рабочей группы по исследованию неравновесного ИК излучения "Mesosphere/thermosphere NLTE emissions" сотрудники Санкт-Петербургского государственного университета (СПбГУ), в том числе и автор диссертационной работы, участвовали в интерпретации спектров, зарегистрированных аппаратурой CRISTA.

Автором диссертационной работы создан оригинальный метод интерпретации измерений уходящего неравновесного ИК излучения горизонта Земли, который позволяет одновременно определять вертикальные профили температуры, давления, концентрации газов и значений неравновесной населенности колебательных состояний молекул (в терминах колебательных температур). Преимущества метода состоят в следующем:

Важно подчеркнуть, что разработанный комплексный метод решения обратной задачи позволил провести интерпретацию измерений независимо от времени суток (условий освещенности). Метод определения профилей содержания СО2 и озона, созданный в Вуппертальском университете авторами эксперимента CRISTA, в силу своих особенностей не мог быть использован для получения информации о СО2 по результатам ночных измерений и об озоне в условиях существенной нестационарности атмосферы при заходах и восходах Солнца. Таким образом, полученные при выполнении диссертационной работы данные о профилях СО2 по результатам ночных измерений аппаратурой CRISTA и данные о профилях озона по результатам сумеречных измерений аппаратурой CRISTA при зенитных углах Солнца 80°-110° являются уникальными.

1) Впервые в глобальном масштабе и для различного времени суток экспериментально определены колебательные температуры и значения величины эффекта нарушения ЛТР (разность между кинетической и колебательными температурами) для совокупности колебательных состояний молекул углекислого газа и озона (состояния 01101, 02201, 00011 молекул С02 и состояния 001, 011, 002, 021, 012, 003 молекул 03). Результаты сравнения экспериментальных данных с модельными расчетами обнаружили в ряде случаев существенные расхождения. В частности, экспериментальные значения величины эффекта НЛТР для состояния 01101 молекул СО2 различных изотопических разновидностей преимущественно выше модельных, что косвенно указывает на завышенное значение константы скорости деактивации (тушения) состояний молекул СО2 атомарным кислородом в модельных расчетах.

3) На основе анализа восстановленных профилей температуры получено большое количество новой информации о параметрах мезосферных инверсий температуры (МИТ)- амплитуде, вертикальной протяженности, высоте и температуре основания, количестве инверсий в расчете на один профиль. Получены широтные зависимости параметров МИТ. Исследованы частота наблюдений и характеристики множественных температурных инверсий.

4) Получены новые данные о содержании важного парникового газа - СО2. Результаты экспериментов с аппаратурой CRISTA свидетельствуют о том, что уменьшение отношения смеси СО2 начинается существенно ниже (в области 70 км) по сравнению с данными большинства современных моделей (85-90 км).

5) Проанализированы пространственно-временные вариации озона в верхней стратосфере и мезосфере. Проведено сопоставление средних профилей содержания озона (день, ночь) с рядом модельных профилей: ночью на высотах 85-90 км и днем выше 70 км результаты обработки данных эксперимента CRISTA существенно превышают модельные значения. Проанализировано содержание озона в области третьего мезосферного максимума, который был зарегистрирован в эксперименте CRISTA-2 в средних и полярных широтах Южного полушария. Получен большой объем данных о профилях содержания озона в мезосфере в нестационарных условиях (в период сумерек на заходе и восходе Солнца). Проведено сопоставление с нестационарными моделями суточных вариаций.

Таким образом, настоящая диссертационная работа представляет собою законченное исследование, охватывающее разработку оригинального метода интерпретации спутниковых измерений неравновесного излучения лимба Земли, использование этого метода для получения новых данных о температуре, содержании углекислого газа и озона в области МНТ, неравновесной населенности колебательных состояний молекул С02 и Оз, а также всесторонний анализ этих важнейших параметров области МНТ.

Благодарности.

Автор выражает искреннюю благодарность научному консультанту профессору Юрию Михайловичу Тимофееву за научное руководство в течение многих лет и переданный им неоценимый опыт научной работы.

Автор благодарит также сотрудников отдела физики атмосферы НИИФ СПбГУ:

- проф. Г.М.Шведа за поддержку исследований, дискуссии и ценные замечания;

- А.В.Полякова за плодотворное обсуждение различных аспектов проблемы обработки спутниковых данных и решения обратных задач;

- Р.О.Мануйлову за сотрудничество при исследовании неравновесного излучения в полосе озона 9,6 мкм;

- В.П.Огибалова за сотрудничество при исследовании неравновесного излучения в полосе углекислого газа 15 мкм;

- В.А.Янковского за полезные дискуссии по проблеме учета горизонтальной неоднородности атмосферы, обусловленной суточными вариациями атмосферных параметров;

- А.В.Ракитина за сотрудничество при исследовании влияния приближения сферически однородной атмосферы на результаты расчетов уходящего неравновесного излучения;

- других сотрудников за благожелательное внимание к работе.

Автор выражает глубокую благодарность зарубежным коллегам:

- сотрудникам Гамбургского университета и Института метеорологии Макса Планка (ФРГ) проф. Х.Грасслу, проф. Г.Брасье, С.Бакану, Х.-Д.Хольвегу, П.Шлюсселю, Х.Шмидту и другим за многолетнюю поддержку исследований по теме диссертации и плодотворное сотрудничество;

- сотрудникам Института метеорологии и климатологии Исследовательского центра в Карлсруэ (ФРГ) проф. Х.Фишеру, Х.Оелхафу, проф. Т.Кларманну, Г.Штиллер и другим за сотрудничество и поддержку;

- сотрудникам Вуппертальского университета (ФРГ) проф. Д.Офферманну, проф. К.Гроссманну, М.Кауфманну, Й.Оберхайде и другим за предоставленные данные измерений ИК излучения аппаратурой CRISTA и за плодотворное сотрудничество.

Исследования по теме диссертации были поддержаны Российским фондом фундаментальных исследований (2000-2008 гг., проекты №№ 00-05-65223, 03-05-64830, 06-05-64987). Работы по теме диссертации также проводились в рамках грантов "Университеты России" УР.01.01.044, УР.01.01.063, УР.01.01.296 (2001-2005 гг.) и федеральной целевой программы "Интеграция". Работа была поддержана Министерством образования и науки России (гранты РНП.2.1.1.4166, РНП.2.2.1.1.3836, 2006-2008 гг.) Некоторые исследования частично финансировались Институтом метеорологии Макса Планка в Гамбурге и Институтом метеорологии и климатологии Исследовательского центра в Карлсруэ (ФРГ).

Список используемых сокращений в алфавитном порядке) на русском языке

ИК инфракрасный

ЛТР локальное термодинамическое равновесие

МНТ мезосфера и нижняя термосфера

МИТ мезосферные инверсии температуры

МПС метод падающих сфер

HJ1TP нарушение локального термодинамического равновесия

УФ ультрафиолетовый

ХКМ химико-климатическая модель на английском языке

AFGL Air Force Geophysics Laboratory

CIRA-86 COSPAR International Reference Atmosphere

CIRRIS 1A Cryogenic Infrared Radiance Instrumentation for Shuttle

CMAM Canadian Middle Atmosphere Model

COMMA-LIM Cologne Model of the Middle Atmosphere Leipzig - Institute for

Meteorology

CRISTA Cryogenic Infrared Spectrometers and Telescopes for the

Atmosphere

ENVISAT Environmental Satellite

HALOE Halogen Occultation Experiment

HAMMONIA Hamburg Model of Neutral and Ionized Atmospehere

HITRAN High Resolution Transmission

IRC International Radiation Commission

MAHRSI Middle Atmosphere High Resolution Spectrograph Investigation

MIPAS Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding

RSMA Remote Sensing of the Middle Atmosphere

SABER Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry

SOCOL Solar-Climate-Ozone Links

SOCRATES Simulation of Chemistry, Radiation, and Transport of

Environmentally important Species

SPIRT-NLC Simulation Program for Infrared Radiative Transfer - non-LTE Code

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора физико-математических наук, Косцов, Владимир Станиславович, Санкт-Петербург

1. Брасье Г., Соломон С. Аэрономия средней атмосферы. JL: Гидрометеоиздат, 1987. -413 с.

2. Ванина-Дарт Л.Б., Покровская И.В., Шарков Е.А. Реакция нижней экваториальной ионосферы на сильные тропосферные возмущения // Геомагнетизм и аэрономия. -2008. Т. 48. - № 2. - С. 255-260.

3. Кароль И.Л., Розанов В.В., Тимофеев Ю.М. Газовые примеси в атмосфере. -Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 192 с.

4. Козлов В.П. Математические вопросы обращения радиационных данных // в сб. "Инверсия Абеля и ее обобщения" / под ред. д. ф. -м. н. Н.Г. Преображенского. -Новосибирск: Наука, 1978. С. 68-95.

5. Косцов B.C., Розанов В.В., Тимофеев Ю.М., Грассл X., Кутепов A.A. Спектральная структура неравновесного уходящего излучения горизонта в полосе поглощения СО2 15 мкм // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 1992.- Т. 28. - №3.-С.283-293.

6. Косцов B.C., Тимофеев Ю.М., Грассл X. Возможности определения профилей колебательных температур 15-мкм полосы СОг по измерениям излучения лимба Земли // Известия РАН. Физика атмосферы и океана.- 1992,- Т. 28. № 6.-С. 604-614.

7. Косцов B.C., Мануйлова P.O. Спектральная структура неравновесного излучения лимба Земли в полосе озона 9,6 мкм // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. -1997. Т. 33. - № 4. С. 339-347.

8. Косцов, B.C., Тимофеев Ю.М. Интерпретация спутниковых измерений уходящего неравновесного ИК излучения в 15 мкм полосе СО2: 1. Описание метода и анализ точности // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2001.- Т. 37. - № 6.-С. 789-800.

9. Косцов B.C., Тимофеев Ю.М. Содержание углекислого газа в мезосфере по результатам интерпретации данных эксперимента CRISTA-1 // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2003. - Т. 39. - № 3. - С. 359-370.

10. Косцов B.C., Тимофеев Ю.М. Озон в мезосфере по данным спутникового эксперимента CRISTA-!: 1. Метод определения вертикальных профилей и анализ его точности // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2005. - Т. 41. - № 2. -С. 201-214.

11. Косцов B.C., Тимофеев Ю.М. Озон в мезосфере по данным спутникового эксперимента CRISTA-1: 2. Пространственные распределения и суточные вариации// Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2005.- Т. 41.- № 2.-С. 215-226.

12. Косцов B.C., Тимофеев Ю.М. Мезосферные инверсии температуры по данным эксперимента CRISTA-1 // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2005.Т. 41,-№6.-С. 814-823.

13. Косцов B.C., РакитинА.В. Погрешности приближения сферически однородной атмосферы в задаче расчета уходящего неравновесного излучения в полосе озона 9,6 мкм на касательных трассах в мезосфере // Исследование Земли из космоса. -2006. № 5. - С.38-48.

14. КутеповА.А., ШведГ.М. Перенос излучения 15-мкм полосы СОг при нарушении локального термодинамического равновесия в атмосфере Земли// Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1978. - Т. 14. - № 1. - С. 28-43.

15. Мануйлова P.O., ШведГ.М. Населенности колебательных состояний и излучение инфракрасных полос озона в средней атмосфере // Вестник ЛГУ. Сер. физ. хим. -1987. Препринт № 1712-В87.

16. Мануйлова P.O., ШведГ.М. О возможности инверсионной заселенности колебательно-вращательных состояний озона в земной атмосфере для переходов -10 мкм // Геомагнетизм и аэрономия. -1991. Т. 31. - №3. - С. 506-512.

17. Нерушев А.Ф. Воздействие тропических циклонов на озоносферу // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 1995. - Т. 31. - № 1. - С. 47-51.

18. Нерувдев А.Ф., Тереб H.B. Особенности возмущений озонового слоя тропическими циклонами по данным спектрометра TOMS // Исследование Земли из космоса. -2001.-№3.-С. 3-9.

19. Огибалов В.П., Фомичев В.И., Кутепов A.A. Радиационные притоки тепла в инфракрасных полосах С02 в средней и верхней атмосфере // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2000. - Т. 36. - № 4. - С. 493-504.

20. Покровский О.М., Тимофеев Ю.М. Общий статистический подход к решению обратных задач атмосферной оптики // Метеорология и гидрология.- 1972.-№ 1 (52).

21. Покровский О.М. Оптимальное временное усвоение данных спутниковых измерений при статистическом анализе метеорологических полей // Метеорология и гидрология. 1974. -№ 8. - С. 29-36.

22. Поляков A.B. К вопросу об использовании априорной статистической информации при решении нелинейных обратных задач атмосферной оптики // Исследование Земли из космоса. 1996. - № 3. - С. 11-17.

23. Поляков A.B., Мелас В.Б., Тимофеев Ю.М., Шульгина Е.М. Оптимизация спектральных условий измерений в задаче микроволнового температурного зондирования атмосферы со спутников // Исслед. Земли из космоса. 1998. - №°1. -С. 21-28.

24. Поляков A.B. Определение газового состава атмосферы и характеристик аэрозоля затменным методом. Дисс. на соискан. уч. степ, доктора физ.-мат. наук. Санкт-Петербургский университет. 2007.

25. РакитинА.В., Косцов B.C. Границы применимости приближения сферически однородной атмосферы в задаче спутникового дистанционного ИК-зондирования мезосферы на касательных трассах // Исследование Земли из космоса. 2005. - №5. -С. 10-17.

26. Тимофеев Ю.М. Спутниковые методы исследования газового состава атмосферы // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 1989. - Т. 25. - № 5. - С. 451-472.

27. Тимофеев Ю.М., Поляков A.B. Математические аспекты решения обратных задач атмосферной оптики. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та. - 2001. - 188 с.

28. Турчин В.Ф., Нозик В.З. Статистическая регуляризация для решения некоторых задач // Физика атмосферы и океана. 1969. - Т. 5. - № 56.

29. Турчин В.Ф., Козлов В.П., Малкевич М.С. Использование методов математической статистики для решения некорректных задач // Успехи физических наук. 1970. -Т. 102.-Вып. 3.-С. 345-386.

30. Успенский А.Б. Обратные задачи математической физики анализ и планирование экспериментов // в кн. "Математические методы планирования экспериментов". -Новосибирск: Наука, 1981. - 172 с.

31. Успенский А.Б., Троценко А.Н., Рублев А.Н. и др. Определение общего содержания МГС атмосферы с помощью ИК зондировщика IASI. I. Анализ информативности спектральных измерений // Исследование Земли из космоса. 1998. - № 2. - С. 3-16.

32. Adler-Golden S.M., Matthew M.W., Smith D.R., Ratkowski A.J. The 9- to 12 (am atmospheric ozone emission observed in the SPIRIT 1 experiment // Journal of Geophysical Research. 1990. - V. 95. - № A9. - P. 15243-15250.

33. Allen M., Lunine J.I., Yung Y.L. The vertical distribution of ozone in the mesosphere and lower thermosphere // Journal of Geophysical Research.- 1984,- V. 89. № D3.-P. 4841-4872.

34. Anderson G.P., Clough S.A., KneizysF.X., Chetwynd J.H., Shettle E.P. AFGL Atmospheric Constituent Profiles (0-120km). AFGL-TR-86-0110 // Air Force Geophysics Laboratory. Hanscom, Massachusetts. Environmental research papers. -1986 № 954. -43p.

35. Beig G. Overview of the mesospheric temperature trend and factors of uncertainty // Physics and Chemistry of the Earth. 2002. - V. 27. - P. 509-519.

36. Berger U. and Zahn U.v. The two-level structure of the mesopause: a model study // Journal of Geophysical Research. 1999. - V. 104. - № D18. - P. 22083-22093.

37. Boughner R., Larsen J.C., Natarajan M. The influence on NO and CIO variations at twilight on the interpretation of solar occultation measurements // Geophysical. Research Letters. 1980. -V. 7. - P. 231.

38. Caledonia G.E., Green B.D., Nadile R.M. The analysis of SPIRE measurements of atmospheric limb CO2 (V2) fluorescence // Journal of Geophysical Research. 1985. -V. 90. - № A10. - P. 9783-9788.

39. Chabrillat S., Kockarts G., Fonteyn D., Brasseur G. Impact of molecular diffusion on the CO2 distribution and the temperature in the mesosphere // Geophysical Research Letters. -2002. -V. 29. -№ 15. P. 1729. - doi 101029/2002GL015309.

40. Clancy R.T., Rush D.W. Climatology and trends of mesospheric (58-90 km) temperature based upon 1982-1986 SME limb scattering profiles // Journal of Geophysical Research. -1989. Y. 94. - № D3. - P. 3377-3393.

41. Clough S.A., Kneizys F.X., Davies R.W. Line shape and the water vapour continuum // Atmospheric Research. 1989. - V. 23. - P. 229-241.

42. Clough S.A., Iacono M.J., Mocret J.-L. Line-by-line calculations of atmospheric fluxes and cooling rates: Application to water vapor // Journal of Geophysical Research. 1992. -V. 97.-P. 15761-15786.

43. Cousin C., Le Doucen R., Boulet C., Henry A. Temperature dependence of the absorption in the region beyond the 4.3-|j.m band head of CO2. 2. N2 and O2 broadening // Applied Optics. 1985. - V. 24. - P. 3899-3907.

44. Curtis A.R. Discussions on "A statistical model for water-vapour absorption" R.M. Goody // Q. J. R. Meteorol. Soc. 1952. - V. 78. - P. 638-640.

45. Dickinson R.E. Infrared radiative cooling in the mesosphere and lower thermosphere // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial. Physics. 1984. - V. 46. - P. 995-1008.

46. Edwards D.P., Lopez-Puertas M., Lopez-Valverde M. Non-local thermodynamic equilibrium studies of the 15-|jm bands of CO2 for atmospheric remote sensing// Journal of Geophysical Research. 1993. - V. 98. - № D8. - P. 14955-14977.

47. Edwards D.P., Lopez-Puertas M., Mlynczak M.G. Non-local thermodynamic equilibrium limb radiance from O3 and CO2 in the 9-11 jj,m spectral region // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 1994. - V. 52. - № 3/4. - P. 389-407.

48. Egorova T., Rozanov E., Zubov V., Manzini E., Schmutz W., Peter T. Chemistry-climate model SOCOL: a validation of the present-day climatology // Atmospheric Chemistry and Physics. 2005. - V. 5. - P. 1557-1576.

49. Fichet P., Jevais J.R., Camy-Peyret C., Flaud J.M. LTE processes in ozone: importance of O and O3 densities near the mesopause // Planetary and Space Science. 1992. - V. 40. - № 7.-P. 989-1009.

50. Fichet P., Jevais J.R., Camy-Peyret C., Flaud J.M. Calculation of NLTE ozone infrared spectra // Planetary and Space Science. 1992. - V. 40. № 9. - P. 1289-1297.

51. Fischer H. Michelson interferometer for passive atmospheric sounding on the European Polar Platform. Proposal to ESA. July, 1988.

52. Fischer H., Oelhaf H. Remote sensing of vertical profiles of atmospheric trace constituents with MIPAS limb-emission spectrometers// Applied Optics.- 1996.-V. 35. №16,-P. 2787-2796.

53. Fomichev V.I., Blanchet J.-P., Turner D.S. Matrix parameterization of the 15 |im C02 band cooling in the middle and upper atmosphere for variable CO2 concentration // Journal of Geophysical Research. 1998. - V. 103. - P. 11505-11528.

54. Froehlich K., Pogoreltsev A., Jacobi Ch. Numerical Simulation of Tides, Rossby and Kelvin Waves with the COMMA-LIM Model // Advances in Space Research. 2003. -V. 32.-№5.-P. 863-868.

55. Froehlich K., Pogoreltsev A., Jacobi Ch. The 48 Layer COMMA-LIM Model: Model description, new Aspects, and Climatology, Rep. Inst. Meteorol. Univ. Leipzig, 2003. -№30.-P. 157-185.

56. Girard A., Besson J., Brard A., Laurent J., Lemaitre M.P., Lippens C., Muller C., Vercheval J., Ackerman M. Global results of Grille spectometer experiment on board Spacelab 1 // Planetary and Space Science. 1988. - V. 36. - № 2. - P. 291-300.

57. Godson W.L. The computation of infrared transmission by atmospheric water vapour// J. Meteorol. 1955. -V. 12. - P. 272-284.

58. Golitsyn G.S., Semenov A.I., Shefov N.N., Fishkova L.M., Lysenko E.V., Perov S.P. Long-term temperature trends in the middle and upper atmosphere // Geophysical Research Letters. 1996. - V. 23. - № 14. - P. 1741-1744.

59. Grant W.B., ed., Ozone Measuring Instruments for the Stratosphere, Vol. 1 of Collected Works in Optics (Optical Society of America, Washington, D.C.) 1989.

60. Green B.D., Rawlins W.T. Nadile R.M. Diurnal variability of vibrationally excited mesospheric ozone as observed during the SPIRE mission // Journal of Geophysical Research. 1986. - V. 91. - № Al. - P. 311-320.

61. Grossmann K.U., Offerman D., Gusev O., Oberheide J., Riese M., Spang R. The CRISTA 2 mission // Journal of Geophysical Research. 2002.- V. 107. - №D23. -P. 8173. - doi: 10.1029/2001JD000667.

62. Grossmann K.U., Gusev O., Kaufmann M., Kutepov A., Knieling P. A review of the scientific results from the CRISTA missions // Advances in Space Research. 2004. -V. 34.-P. 1715-1721.

63. Gusev O., Kaufmann M., Grossmann K.-U., Schmidlin F.J., Shepherd M.G. Atmospheric neutral temperature distribution at the mesopause altitude // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2006. - V. 68. - P. 1684-1697.

64. Hagan M.E., Forbes J.M., Vial F. On modeling migrating solar tides // Geophysical Research Letters. 1995. - V. 22. - No 4. - P. 893-896.

65. Hauchecorne A., Chanin M.L., Wilson R. Mesospheric temperature inversion and gravity wave dynamics // Geophysical Research Letters. 1987. - V. 14. - № 10. - P. 935-939.

66. Hauchecorne A., Maillard A. A 2-D dynamical model of mesospheric temperature inversion in winter // Geophysical Research Letters.- 1990.-V. 17. №11.-P. 2197-2200.

67. Hauchecorne A., Chanin M.L., Keckhut P. Climatology and trends of the middle atmospheric temperature (33-87 km) as seen by Rayleigh lidar over the south of France // Journal of Geophysical Research. 1991. - V. 96. - № D8. - P. 15297-15309.

68. Hays P.B., Oliver J.J. Carbon dioxide and monoxide above the troposphere // Planetary and Space Science. 1970. - V. 18. - №.10. - P. 1729-1733.

69. Humlicek J. Optimized computation of the Voigt and complex probability functions // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 1982.- V. 27. - № 4.-P. 437-444.

70. Keating G.M., Pitts M.C., Young D.F. Ozone reference models for the middle atmosphere (New CIRA), in "Middle Atmosphere Program. Handbook for MAP". 1989. - V. 31. -P. 1-36.

71. Keckhut P., Kodera K. Long-term changes of the upper stratosphere as seen by rocketsonde at Ryori (39° N, 141° E) // Annales Geophysicae. 1999.- V. 17.-P. 1210-1217.

72. Keckhut P., Wild J.D., Gelman M., Miller A.J., Hauchecorne A. Investigations on long-term temperature changes in the upper stratosphere using Lidar data and NCEP analyses // Journal of Geophysical Research. 2001. - V. 106. - P. 7937-7944.

73. Kemnitzer H., Hilgers S., Schwarz G., Steck T., Clarmann T.v., Hopfher M., ResselK. Trace gas retrieval including horizontal gradients // Advances in Space Research. 2002. -V. 29.-№11.-P. 1631-1636.

74. Kerr J.B., Evans W.F.J., McConnell J.C. The effects of NO2 changes at twilight on tangent ray NO2 measurements // Geophysical Research Letters. 1977. - V. 4. - P. 577.

75. Kostsov V.S., Timofeyev Yu.M., Grassl H. On the accuracy of the limb sounding of the atmosphere in the 10.4 (am, 15 ¡am CO2 and 9.6 jam 03 bands with account for non-LTE // Advances in Space Research. 1995. - V. 16. - № 10. - P. (10)87-(10)90.

76. Kostsov V.S., Fischer H., Timofeyev Yu.M., Stiller G. MIPAS used as a nonlocal thermodynamic equilibrium sounder for NO 5.3 jam band // Journal of Geophysical Research. 1997. - V. 102. - № D25. - P. 30003-30015.

77. Koutoulaki K., Study of Ozone Non-thermal IR Emission Using ISAMS Observations, Dissertation, University of Oxford. -1998.

78. Kumer J.B., James T.C. SPIRE data evaluation and nuclear IR fluorescence processes. Report DNA001-79-C-0033. 1983.

79. Leblanc T., Hauchecorne A., Chanin M.L., Taylor F.W., Rodgers C.D., Livesey N. Mesospheric temperature inversions as seen by ISAMS (UARS) in December 1991 // Geophysical Research Letters. 1995. - V. 22. - № 12. - P. 1485-1488.

80. Leblanc T., Hauchecorne A. Recent observations of mesospheric temperature inversions // Journal of Geophysical Research. 1997. - V. 102. - № D16. - P. 19471-19482.

81. Le Doucen R., Cousin C., Boulet C., Henry A. Temperature dependence of the absorption in the region beyond the 4.3-jam band head of CO2. 1. Pure CO2 case // Applied Optics. -1985.-V. 24.-P. 897-906.

82. Liu H.-L., Hagan M.E. Local heating/cooling of the mesosphere due to gravity wave and tidal coupling // Geophysical Research Letters. 1998. - V. 25. - № 15. - P. 2941-2944.

83. Liu H.-L., Hagan M.E., Roble R.G. Local mean state changes due to gravity wave breaking and impacts on turbulence and mean state // Journal of the Atmospheric Sciences. 1999. -V. 56.-P. 2152-2177.

84. Lopez-Puertas M., Lopez-Yalverde M.A., Taylor F.W. Vibrational temperatures and radiative cooling of the CO2 15 p.m bands in the middle atmosphere // Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 1992. - V. 118. - P. 499-532.

85. Lopez-Puertas M., Lopez-Valverde M.A., Rinsland C.P., Gunson M.R. Analysis of the upper atmosphere CO2 (v2) vibrational temperatures retrieved from ATMOS/Spacelab 3 observations// Journal of Geophysical Research.- 1992.- V. 97. №D18.-P. 20469-20478.

86. Lopez-Puertas M., Taylor F.W. Non-LTE radiative transfer in the atmosphere. In: "Series on Atmospheric, Oceanic and Planetary Physics". 2001. - V. 3. - 504 p.

87. Lubken F.J., Zahn U.v. Thermal structure of the mesopause region at polar latitudes // Journal of Geophysical Research. -1991. V. 96. - № D11. - P. 20841-20857.

88. Luebken F.J., Fricke K.H., Langer M. Noctilucent clouds and the thermal structure near the Arctic mesopause in summer// Journal of Geophysical Research. 1996.- V. 101. — P. 9489-9508.

89. Luebken F.J. Thermal structure of the Arctic summer mesosphere// Journal of Geophysical Research. 1999. -V. 104. - P. 9135-9149.

90. Luebken F.J. Nearly zero temperature trend in the polar summer mesosphere// Geophysical Research Letters. 2000. - V. 27. - P. 3603-3606.

91. Manuilova R.O., Shved G.M. The 4.8 and 9.6 pm 03 band emissions in the middle atmosphere // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 1992.- V. 54. -№9.-P. 1149-1168.

92. Marks C.J., Rodgers C.D. A retrieval method for atmospheric composition from limb emission measurements // Journal of Geophysical Research. 1993. - V. 98. - P. 14939.

93. Marsh D., Smith A., Brasseur G., Kaufmann M., Grossmann K. The existence of a tertiary ozone maximum in the high-latitude middle mesosphere // Geophysical Research Letters. -2001. V. 28.-№ 24. - P. 4531-4534.

94. Menoux V., Le Doucen R., Boulet C. Line shape in the low frequency wing of self-broadened C02 lines // Applied Optics. 1987. - V. 26. - P. 554-562.

95. Menoux V., Le Doucen R., Boissoles J., Boulet C. Line shape in the low frequency wing of self- and ^-broadened V3 CO2 lines: Temperature dependence of the asymmetry line // Applied Optics. 1991. - V. 30. - P. 281-286.

96. Meriwether J.W., Mlynczak M.G. Is chemical heating a major cause of the mesosphere inversion layer? // Journal of Geophysical Research.- 1995.- V. 100. №D1.-P. 1379-1388.

97. Meriwether J.W., Gao X,.Wickwar V.B., Wilkerson T., Beissner K., Collins S., Hagan M.E. Observed coupling of the mesospheric inversion layer to the thermal tidal structure // Geophysical Research Letters. 1998. - V. 25. - № 9. - P. 1479-1482.

98. Meriwether J. W., Gardner C.S. A review of the mesosphere inversion layer phenomena // Journal of Geophysical Research. 2000. - V. 105. - № D10. - P. 12405-12416.

99. Miller S.M., Winick J., Snell H.E. Non-LTE effects on retrieval of temperature from the CO2 laser bands using CIRRIS 1A data // Journal of Geophysical Research. 2000. -V. 105. - № D8. - P. 10193-10202.

100. Mlynczak M.G., Drayson S.R. Calculation of infrared limb emission by ozone in the terrestrial middle atmosphere. 1. Source functions // Journal of Geophysical Research. -1990. V. 95. - № D10. - P. 16497-16511.

101. Mlynczak M.G., Drayson S.R. Calculation of infrared limb emission by ozone in the terrestrial middle atmosphere. 2. Emission calculations // Journal of Geophysical Research. 1990. - V. 95. - № D10. - P. 16513-16521.

102. Mlynczak M.G., Solomon S. A detailed evaluation of the heating efficiency in the middle atmosphere // Journal of Geophysical Research. 1993. - V. 98. - №> D6. - P. 10517-10541.

103. Mlynczak M.G. Energetics of the middle atmosphere: Theory and observation requirements // Advances in Space Research. 1996. - V. 11. - № 1. - P. 117-126.

104. Mlynczak M., Zhou D.K. Kinetic and spectroscopic requirements for the measurement of mesospheric ozone at 9.6 pm under non-LTE conditions // Geophysical Research Letters. -1998. V. 25. - № 5. - P. 639-642.

105. Natarajan M., Remsberg E.E., Gordley L.L. Ozone budget in the upper stratosphere: Model studies using the reprocessed LIMS and the HALOE datasets // Geophysical Research Letters. 2002. - V. 29. - № 7. - doi:10.1029/2001GL014262.

106. Natarajan M., Deaver L.E., Thompson E., Magill B. Impact of twilight gradients on the retrieval of mesospheric ozone from HALOE // Journal of Geophysical Research. 2005. -V. 110. -№D13305. -doi:10.1029/2004JD005719.

107. Oberheide J., Liu H.-L., Gusev O.A, Offermann D. Mesospheric surf zone and temperature inversion layers in early November 1994// Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 2006. - V. 68. - P. 1752-1763.

108. Offermann D., Grossmann K.U. Thermospheric density and composition as determined by a mass spectrometer with cryo ion source // Journal of Geophysical Research. 1973. -V. 78. № D5. - P. 8296-8304.

109. Offermann D., Friedrich V., Ross P., von Zahn U. Neutral gas composition measurements between 80-120 km // Planetary and Space Science. 1981. - V. 29. - № 4. - P. 747-764.

110. Offermann D., Graef H.H. Messungen der OH-temperature. Promet. 1992. - P. 125-128.

111. Ogibalov V.P., Kutepov A.A., Shved G.M. Non-local thermodynamic equilibrium in CO2 in the middle atmosphere. II. Populations in the V1V2 mode manifold states // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. 1998. - V. 60. - № 3. - P. 315-329.

112. Ortland D.A., Hays P.B., Skinner W.R., Yee J.-H. Remote sensing of mesospheric temperature and (^('S) band volume emission rates with the high-resolution Doppler imager // Journal of Geophysical Research. 1998. - V. 103. - № D2. - P. 1821-1835.

113. Philbrick C.R., Faucher G.A., Trzcinski E. Rocket measurements of mesospheric and lower thermospheric composition // Space Research, Akademie Berlin. 1973. - V. 13. -P. 255-260.

114. Pogoreltsev A.I., Vlasov A.A., Froehlich K., Jacobi Ch. Planetary waves in coupling the lower and upper atmosphere // Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics. -2007. V. 69. - P. 2083-2101, doi:10.1016/j.jastp.2007.05.014.

115. Preusse P., Schaeler B., Bacmeister J.T., Offermann D. Evidance for gravity waves in CRISTA temperatures // Advances in Space Research.- 1999.- V. 24. №11.-P. 1601-1604.

116. Preusse P., Eckermann S.D., Oberheide J., Hagan M.E., Offermann D. Modulation of gravity waves by tides as seen in CRISTA temperatures // Advances in Space Research. -2001.-V. 27.-№ 10.-P. 1773-1778.

117. Rawlins W.T., Caledonia G.E., Gibson J.J., Stair A.T., Jr., HIRIS rocketborne spectra of infrared fluorescence in the Oa(v3) band near 100 km// Journal of Geophysical Research. 1985. - V. 90. - № A3. - P. 2896-2904.

118. Rawlins W.T. Chemistry of vibrationally excited ozone in the upper atmosphere // Journal of Geophysical Research. 1985. - V. 90. - № A12. - P. 12283-12292.

119. Rawlins W.T., Woodward A.M., Smith D.R. Aeronomy of infrared ozone fluorescence measured during an aurora by the SPIRIT 1 rocket-borne interferometer// Journal of Geophysical Research. 1993. - V. 98. - № A3. - P. 3677-3691.

120. Rodgers C. D. Retrieval of atmospheric temperature and composition from remote measurements of thermal radiation // Review of Geophysics. 1976. - V. 14. - P. 609.

121. Rodgers C.D. Characterization and error analysis of profiles retrieved from remote sensing measurements // Journal of Geophysical Research. 1990. - V. 95. - P. 5587-5595.

122. Rodgers C.D., Taylor F.W., Muggeridge A.H., Lopez-Puertas M., Lopez-Valverde M. Local thermodynamic equilibrium of carbon dioxide in the upper atmosphere // Geophysical Research Letters. 1992. - V. 19. - № 6. - P. 582-592.

123. Rodgers C. D. Inverse methods for atmospheric sounding. Theory and practice. Series on Atmospheric, Oceanic and Planetery Physics V. 2. Singapore - New Jersey - London -Hong-Kong: World Scientific, 2000. - 238 p.

124. Rodrigo R., Lopez-Moreno J.J., Lopez-Puertas M., Moreno F., Molina A. Neutral atmospheric composition between 60 and 220 km: A theoretical model for mid-latitudes // Planetary and Space Science. 1986. - V. 34. - № 4. - P. 723-743.

125. Roscoe H.K, Pyle J. A. Measurements of Solar Occultation: the Error in a Naive Retrieval if the Constituent's Concentration Changes // Journal of Atmospheric Chemistry. 1987. -№5.-P. 323-341.

126. Rozenkrantz P. W. Shape of the 5 mm oxygen band in the atmosphere // IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 1975. - № AP-23. - P. 498-506.

127. Russell J. M. Ill, Gordley L.L., Park J.H., Drayson S.R., Hesketh D.H., Cicerone R.J., Tuck A.F., Frederick J.E., Harries J.E., Crutzen P.J. The Halogen Occultation Experiment// Journal of Geophysical Research.- 1993.- V. 98. № D6.-P. 10777-10797.

128. Schmidlin F.J. Temperature inversions near 75 km // Geophysical Research Letters. -1976. V. 3.-№3.-P. 173-176.

129. Schmidlin F.J. The inflatable sphere: a technique for the accurate measurement of middle atmosphere temperatures// Journal of Geophysical Research.- 1991.- V. 96. -P. 22673-22682.

130. Schmidt H., Brasseur G.P. Simulation of the mesospheric ozone response to natural and anthropogenic climate variability, Proceedings of the Quadrennial Ozone symposium, Kos, Greece, 2004.

131. Seinfeld J.H., Pandis S.N. Atmospheric chemistry and physics from air pollution to climate change, John Wiley & Sons, Inc, 1998. - 1326 pp.

132. Sharma R.D., Wintersteiner P.P. Role of carbon dioxide in cooling planetary atmospheres // Geophysical Research Letters. 1990. - V. 17. - P. 2201-2204.

133. She C.Y., Yu J.R., Chen H. Observed thermal structure of a midlatitude mesopause// Geophysical Research Letters. 1993. - V. 20. - № 7. - P. 567-570.

134. She C.Y., Zahn U.v. Concept of a two-level mesopause: Support through new lidar observations // Journal of Geophysical Research. 1998. - V. 103. - № D5. - P. 5855-5863.

135. Sica R.J., Thorsley M.D. Measurements of superadiabatic lapse rates in middle atmosphere // Geophysical Research Letters. 1996. - V. 23. - № 20. - P. 2797-2800.

136. Siskind D.E., Froidevaux L., Russell J.M. Ill, Lean J. Implication of upper stratospheric trace constituent change observed by HALOE for O3 and CIO from 1992 to 1995. // Geophysical Research Letters. 1998. - V. 25. - № 18. - P. 3513-3516.

137. Solomon S., Russell J.M. Ill, Gordley L.L. Observations of the Diurnal Variation of Nitrogen Dioxide in the Stratosphere // Journal of Geophysical Research. 1986. - V. 91. -№ D5. - P. 5455-5464.

138. Solomon S., Kiehl J.T., Kerridge B.J., Remsberg E.E., Russell J.M. III. Evidence for nonlocal thermodynamic equilibrium in the V3 mode of mesospheric ozone // Journal of Geophysical Research. 1986. - V. 91. - № D9. - P. 9865-9876.

139. Sonnemann G.R., Grygalashvyly M., Hartogh P., Jarchow C. Behavior of mesospheric ozone under nearly polar night conditions // Advances in Space Research. 2006. - V. 38. -P. 2402-2407.

140. Stair A.T. Jr., Sharma R.D., Nadile R.M., Baker D.J., Grieder W.F. Observations of limb radiance with cryogenic spectral infrared rocket experiment// Journal of Geophysical Research. 1985. - V. 90. - № A10. - P. 9763-9775.

141. States R.J., Gardner C.S. Thermal structure of the mesopause region (80-105 km) at 40°N latitude. I. Seasonal variation // Journal of the Atmospheric Sciences. 2000. - V. 57. -№ 1.- P. 66-77.

142. States R.J., Gardner C.S. Thermal structure of the mesopause region (80-105 km) at 40°N latitude. II. Diurnal variation // Journal of the Atmospheric Sciences. 2000. - V. 57. -№ 1. - P. 78-92.

143. Strand O.N., Westwater E.E. The statistical estimation of the numerical solution of a Fredholm integral equation of the first kind // Journal of the Association for Computing Machinery. 1968. -V. 15. - P. 100.

144. Thomas L., Marsh A.K.P., Wareing D.P., Astin I., Chandra H. VHF echoes from the midlatitude mesosphere and the thermal structure observed by lidar // Journal of Geophysical Research. 1996. - V. 101. - № 8. - P. 12867-12877.

145. Timofeyev Y.M., Kostsov V.S. IR remote sensing of non-LTE atmosphere, Proceedings ofth

146. SPIE, 8 International Symposium on Remote Sensing, 17-21 September 2001, Toulouse, France, Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere VI. 2002. - V. 4539. -P. 418-430.

147. Trinks H., Fricke K.H. Carbon dioxide concentration in the lower thermosphere // Journal of Geophysical Research. 1978. - V. 83. - № D12. - P. 3883-3886.

148. Walterscheid R.L., Schubert G. Nonlinear evolution of an upward propagation gravity wave: Overturning, convection, transience and turbulence // Journal of the Atmospheric Sciences. 1990. - V. 47. - № 1. - P. 101-125.

149. Ward W.E., Oberheide J., Riese M., Preusse P., Offermann D. Tidal signature in temperature data from CRISTA 1 mission // Journal of Geophysical Research. 1999. -V. 104. - № D13. - P. 16391-16403.

150. Whiteway J.A., Carswell A.I., Ward W.E. Mesospheric temperature inversions with overlaying nearly adiabatic lapse rate: An indication of well-mixed turbulent layer // Geophysical Research Letters. 1995. - V. 22. - № 10. - P. 1201-1204.

151. WMO, Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1998, Global Ozone Research and Monitoring project Report No. 44. Geneva, Switzerland. - 1999. - 507 p.

152. WMO, Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2002, Global Ozone Research and Monitoring project Report No. 47. Geneva, Switzerland. - 2003. - 498 p.

153. Wofsy S.C., McConnell J.C., McElroy M.B. Atmospheric CH4, CO, and C02 // Journal of Geophysical Research. 1972. - V. 77. - № D8. - P. 4477-4493.

154. Yu J.R., She C.Y. Climatology of a midlatitude mesopause region observed by a lidar at Fort Collins, Colorado // Journal of Geophysical Research. 1995. - V. 100. - №D4. -P. 7441.7452.

155. Zachor A.S., Sharma R.D. Retrieval of non-LTE vertical structure from a spectrally resolved infrared limb radiance profile// Journal of Geophysical Research.- 1985. -V. 90.-№A1.-P. 467-475.

156. Zaragoza G., Lopez-Puertas M., Lopez-Valverde M.A., Taylor F.W. Global distribution of CO2 in the upper mesosphere as derived from UARS/ISAMS measurements // Journal of Geophysical Research. 2000. - V. 105. - № D15. - P. 19829-19839.

157. Zhou D.K., Mlynczak M.G., Bingham G.E., Wise J.O., Nadile R.M. CIRRIS-1A limb spectral measurements of mesospheric 9.6-pm airglow and ozone // Geophysical Research Letters. 1998. - V. 25. - № 5. - P. 643-646.

Информация о работе

Косцов, Владимир Станиславович
доктора физико-математических наук
Санкт-Петербург, 2008
ВАК 25.00.29

Диссертация

Исследование мезосферы со спутников (эксперимент CRISTA): температура, содержание углекислого газа и озона, неравновесная населенность колебательных состояний молекул - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы