Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Мониторинг атмосферного углекислого газа спектроскопическим методом

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Мониторинг атмосферного углекислого газа спектроскопическим методом"

9 113 2

КОЯ/ГСТ Г>0 ПЩОМКЖМ'ОЛОГКИ И МОКП'ОГНИГУ СЖТОЩ'Л CPF.1V ШГ/.ОТЕГОТВЛ ОКО ЮПИ! И ЛПЛРОДШХ Ш, УРГОР.

гесаисшг окдаши пшго-пга^аадтсвгашсв опшиште: "тг, тп

КШ'Д Селга.с Влрдямлро'мч

МОШ1ТОИС1Г АТКОСФЕШОГО УГЛЕКЕСЛОК) ГАЭЛ СПГКТГОСКОШГТШт! жидок!

,(04.00.23 - гг.офгетта)

ЛЕТСр^рат диссертации на сояскявгао поной стг-пони . кандидата {даико-млятштилбсзста наук

11я нрптзнг. руиоп;г

Сбттск - I®

Работа ганолг.зиа в Ктаглуутг' ¡жсги^шонталыюй мотооритлиа НПО "ТаЯрун".

Коутакз • рукоэ» <м7з;л: доктор 1м.-мко-матсатгоюских нпук, старшая таучний сотрудиж Арифьои В.Н.,

кандидат ^иоико-матам'тк'-'оокия илу:, стараиД мучнла согр.удми Кзаоп >Г|.1 дск;Ш К.Е.

Сф^ииальгше ощюн.'ттк доктор фчзито-мэтсг.;ГО11еск;тх иауг., профессор Хт-плочц^и 0.0., кандидат фкогасо-мз'гимЕТИчекшх наук, старший научны 1 сотрудник • Киоолспа Н.С.

Редурэя орглщзацля - Гллшшн гвофизнчаскяя обсерватория ;1М. А И.ВооШюьа.

Зацита сопгэитоя ''23 " цопбрл 1992 г. в 1-1 часоь и-ч эасодошш специализированного сомега К 024.07.01 в ШО "Тайфун" но эдросу: 219020, г.Обнинск Калузской обл., гтр.Лзиипг, - 02.

С дассир'/'ацкаа можно ознакомиться и Ог?блиотскп ШЮ "'Тайфун".

Аиторофират разослан "¿О" октября 1302 г.

УчсшЛ сикрмарь (■аьчаалятлур ммскп\> сОТУЛП

'':'.•■: В.П.Корпусов

„• п <У '

дзег,';^}

Л Тх<СА СО'у.а хар'^стортетика работа

Алгуальпсоть рябой. (..1.;пг.'чщчомсли ^морвнлч, нро:.одим«и па '-Ыл станцнЛ тьаторанга, являются эМкстявш-'м средством получения №кК)иМ1!Ц'.1Я об о^мино ух-ленисди:» г.чзоч между атмосферой, иото"юкамч и сто'гмч С02. Однако иггг.ется неншиь ка* естг-ст-вочш.'1 цшс." углша'слого газу, тш: а соотношение мо.кду естествен ними ьар'иэцилми иОг л лзмэчкчостмп, опродоляомой шггроногмлюй добаикоЯ. Это связано с тем, что отыгии paciior.oj.oHij в основном в окят^ческиу раЛоцзх, е континентальные районы оказалис); прак-'1чг!оскл но охвачош системой монитор'ляга атмосферного углонисдо-го газа. г/рл шло! яи.' лете» особенность щяшешяочего локальпото метода (измерения концентрации СОг оптико-акустическим гпзоанв-лиатором в пробах приземного ьездуха) - ого огДхжмъность при услош.г пространсгпешюД о-цюродаоота поля концентрации С02, которой выполняете! в окэашггосг'.к районах:. Контаненталышс* характеризуются нгличм;,.. источников и стоков углекислого гысе остестьошюто и антроаогьтюго проксхождония, что приводит к зчач.гтелыгок неоднородности толп концентрации СО. в приземном слоо воздуха и большим иогрошяос^'шд изыэр.лиЛ локально: методом. Поэтому ддп приваде.ып систематически* лзмерониЯ содержания атмосферного углекислого газа в кокттиштальш* условиях бил предложен спектроскопическая метод Но спектру прои-вдвого зтмос^ру солнечного излучения ытроделнется интегральное содержолив газа в толще птмооферц, на которое влишш, и&оэмних дате достаточно мощных источников и стоков СОг практически но сказывается. Тем самим упрощаются требования к выбору мест наблюдений, хотя применение спектроскопического метода эф1*тташю в районах с наибольшим КОЛНЧОСТООМ СОЛЛ11ЧШ1Х дней в году.

В основа опектроекопичоского метода лэ'-дп* зависимость поли-чини поглощенного излучения от количества поглопшщэго газа на пути луча. Существует насколько способов ее задания. Она моат определяться эмпирически по результатам лабораторных псслвдова-шй, рассчитываться по списнящич реальные . спектры поглощения юдолям полос или но спектроскопическим параметрам тонкой структуры спектра. Последний !.&тод в настоящее иремя наиболоо рас-тространен, так как имеет ряд достоинств по сравнешы с ос-рль-шмн. однако ого практическая реализация возмоаиа лишь при отги-плыюй процедуре расчета и высокой точности исходной спект(мс-:оттческоЯ информации о тонкой структуре спектра, что требует доведения гпециш. лих лабораторных я численных исследован .1

••.. »-vTí;íjJimi.jx характеристик ног.чощошы излучшия

Л'ш- partí -tu .íСтучать дашдо о иьрипцага а трмда тдорааная с-''. !' .tíjjciJ»)^'!! в itom-w эитадышх усльюш*.

Для muro требовалось решат i- сл^дувцао задачи:

1. Вшкшшч. лабиратогншо модьлыше акеиеримонти но vcra-i¡'¡ii-iuíu'а г.и»ти поглощения излучения с содерюхшьм углекислого ¡ía ücuoiin сpacüouüü результаты лобс/рьторшх исследований и чп'-ж-тшх расчетов ииясни'гь и'зыжшш погрешности парамэтров структуры спектра и оотиш.лгровьть процедуру расчета.

.IjIghlíCI'w измерения концаьграции С0г мокеланиы и&тодом и и; -j'j'jx ирнзоиииго воздуха и с различных ичсот, отобра.тих с Оор-'r;¡ самолета, для проверки цюдисиьасония о раштеремошашюсте углышслсл'о газь в атыоефиро и сопостмшышн с результатами из-ы '¡;ин,1й еиоктроскотиосюш мэтодом.

3. Разработать автоматазирсш^шиЛ комплекс сиектро,метрической аппаратура для систекзтичег ни изморониЛ егшктров иох'лощэний оолаочнот излучения атмосфо^юП и оцродедашю но ним содержания "Гл; кислого газа.

4. Подучати данные многолетних наблюдений изменчивости со-л-рж.-цыя угжншелого газа в толце чтмосЦорн в континента льна;* palioau. Ьыяешмь особенности саьошшх вариа^й и тренда С02 i< у ti« условиях.

На у 4iif.ii новизна. Вшрвш нолучмш данные (12-летн.й нопрзрии-}ШЙ ряд 1980-1992 it.) о содержании атмосферного углекислого газа в континентальном района (Сьворшй Тянь - Шань, оз. Исснк-it.i'j¡bJ и установлены оснсвше асобшшости изменчивости кищэии-¡m'usn С0г. ,

t; ог. лести полосы пог.човдия углекислого Г8ь-а 2,06 мкм в лабораторных условиях исследована зависимость поглощения излучения углекислым газом, водяным парой к смесью этих газов при различных тьшюратурах, (арциалышх и общих дг-влениях.

Luüpiiucj в ыракт.цда прмешмшп спектроскопического метода измерения углекислого газа л атмосфере ири, расчете граду ировоч-ной зависимости использованы результаты сравнения да шли лабораторных зкеиериментов и численных расчетов.

Научная к практическая ценность. Ыгаголэ'шяе систематмчвс-^ кие наблвдения атмосферного углы:ислого газа спектроскопическим методом позволила установить ссобеш^сти сезонной л межгодовой изменчивости коицрнтрации С02 в атмосфере нпд континентом а получить ивформацию об углекислом газе в области средних широт северного полушарй«. Эти лшпшв CVíaf CTliftiUlO .ЛОПОЛЛЯЮТ ГОфОрМЙЦШ

троРоЛ сэт'л мои.ямринга ат*к4орного углсшслого гтеч л но;':,« бить использованы для ана-тоо ямлю-дася состггожЛ ч ютыв углн-родрего цикла чрсцоссов обмана углокиегм газом можду птмосфороз и континентальной Зиотой и ггрн молитиросзнии роггюнальиих и глобвлышх. особотюотой измончшоста ^одртжати С0г дна грси-чигл изменений климата.

Результаты лаборатершх исследований пропусхглнл модель™?-: ггзошх сжсеЯ в ошвета Я. 0(5 ккм леоЗходомц ,[ля экспорлмэнтлль -цого обоснования то'пюстд расчетной градупроиочноЯ запксикасч'я стктроокг.тг?рс.1:ого метода я важты при расчетах пропускаячл ю-луч о га я атмосфарсй в ПК-област снегора.

На защиту выносятся следум^хе ссновнда яаложония.

1Л1з основе ерлпьенни результатов лаборатории« исолидова'ляЛ и чиелмшых расчетов зависимости поглощения голучония от содвр жшил углокиагкл о газа, водяного пара, температура и общего давления в спектральной области 2,06 мкм установлено гавитагсо на 5« иптенсквпостеа линий поглс'-дэпиа ушюжс.гого га^а VI занятие на 4.0% татенг-ивностей лйптй ч эгло'Двтдя водяного пара в современных КОМПИЛЯЦИЯХ СП61.*Тр0СК0ГШЧ0СК0'Л1!ЧфРрмаЦИЛ.

2. При расчете грэдуирово«но£ саячсндасти поглощения солнечного излучений от содержания СО, сдектраекгшпйского метода необходимо учитивать чзмеиаяия интенсивности даший поглощавших газов, устаноплешне а лабораторных несла дог.-энияг, а для описания неоднородно ста атмосферы достаточно использовать среднемесячные вертакальпыо распределения температуры. давления и влаж-яоети.

3.Г.о даннш исмзрг'тщЯ содержания углекислого газа отггико-. гаустаческим газоанализатором л проб «с воздуха, отобраших с юрта самолета па р&зшх высотах в ргКолв спектроскопических юботдешй, устзновлепо постоянство по Евртяхали относительной >съомной концентрации С0Л в кяздэм из сезонов, начиная с высота ¡00 м над семлоД повер.шостьо, что позволяет использовать этот :ачт прз пересчете интегрального содоркншл С02 ч голцо атмосфе-« к его отаосяклшд объемной концентрация.

4. По результатам многолетттх спектроскопических измерений райево наблюдений среднегодоиля концентрация С0г в атше^еро с

Р80 но 199Т гг. возросла с 340 дшГ' до 365 млн7* со сродней «оросил- 2 «отГ'/год, амплитуда среддого годового хода со-тавляэт - 9 млн", максимумы концентрация приходятся на В'-сен-ю месяцы, шшмумы - на осенние.

¿пиробацил работы. Результат« работы п полном объема шуб-

лкковаш и докладывалась в I&S1-IS33 гг. на всосотш/х и к&'Ш-ларод'шх кокфзрепдаж, г, ITO им. л. И. Воейкова, 1№А АН ГОИ.

Об-ьог.« и структура работ». Щ'.сссртэцин состоит из Въод;л?;>я, пята глав, Заюшчеш/i, плблиографзги ¡re наименований. Olía оо-дерзет ПО страниц машинописного токс.тэ, <!0 рисунков, 23 Таблицы.

Содержание püOoTU,

Во Спадении рассмотрена актуальность систематических измерений содорхэют атмосферного углекислого газа в континентальных районах. Далее форму.шруотел цэ.яь работа и задачи конкретных исследования, результаты которых, необходимы для практического применения спектроскопического метода в система мониторинга атмосферного углекислого газа.

В первой глаьо расомотрецн метода и результаты экспериментальных исследований изменчивости углокислого газа в атмосфер^.

Основные эксаерл.шнтальнна данные о содпруанли атмосферного углекислого газа получены локальным методом по результата?,• иьме-решй! концвктрацил С02 в пробах приземного воздуха.СпуОликован-ныь к настоящему времени работы, в которых применяется спектроскопический метод, содержат результата лшь эпизодических измерения содержании углекислого газа в япюсфере. Бо многих из них оригинал!,кие («етодячоскиь подходы только намечены и опробованы в серии непитательных язмэрениа. Из всех вариантов спектроскопического метода в серди достаточно лрэдолщпадгьшх тморегшй были пртаоаенн лиаь два, где изпользуэтея расчет зависимости поглощения со.чнечюго излучения от содержанием углекислого газа в атмосфере no i. рамзтрам тонкой структуры спектра, которые имеют определенные проимущества перед остальными.

Наиболее перспективной представляется мзтодоса, основанная на регистрации со орощтм спектральным разрешьшюм ("Зсм" ) прозодаего атмосферу солнечного излучения 8 области полосы поглощения углекислого газа Ш. В качества характеристики, зависящей от содержания С0з используется специальная Функция

Р + Р О - э-а ,

где - сроднпэ значок".;я чятенс^ности солнечного излучения в спс-ктрадьтшх r¡;repn¡urax Л, (i--I.2,3), на которые разбивается регаг-трирусмаЗ езе-чте:

^-4788,3 - 4807,4 (см"') , Л2-4Ш7,4 - 4вв6,Э (см"1)' , Аз-4386,9 - 4900,9 (см~') .

Опр.доллемак пс экспоркю.чтаяьпому спогстру сопостанляэт-ся с градуирэвочной зависимостью от произведения задаваемой относительной объемной концентрации с на поремошую величину атмосферной массы - Мр. Градуировка рассчитывается с использованием спектроскопических пар.-'мзтроз тонкой структуры в рабочей области спектра и вортккалышх профилей темлоратурн, давлении и маял/ости. Углекислый газ считается равномерно перемешанным в атмосфере. Методика является достаточно практично;!, так как процедура получения окспэримэнтялыпгх данных рязоита на два этапа. Расчет- градуиропочной зчвиси.юсти осуществляется на мощных ЭВМ, • а обработка опетцюгрзмм и вычисление конц«тгг\га1С1И СО проводите/! на мини-ЭВМ. Эта мет дика и была глято за основу.

Сравнение опубликованных данных о топкой; структура споктроа поглощения в области С,06 ш-м доказала, чте чяслогаше значения параметров спектральных л ;пгй из различных источшиюв отлича;эт-ся на десятки процентов. Постому п расчетах использован)! наиболее систематизггровап-мя комгшаяцм (21 ц ее последующие версии, а в качестве критерия оценки точности спектроскопических параметров - результаты лабораторных экспериментов .

йо второй главе продс-овлегш описание и технические харак-. теристикн комплекса аппаратуры, приведена экспериментальная оценка инструментальной погрешности измерений концентрации С02.

В соответствии с методикой, согласно которой содаргшгае углекислого газа определяется по спектру поглощения солнечного излучения атмосферой в спектральном диапазоне, включающем полосу поглощения С02, комплекс измерительной аппаратуры состоит из системы слежешад за Солнцем, спектрометра, оптического канала контроля стабильности прозрачности атмосфера. Управление комплексом, обработка экспериментальных спектров и вычисление по ним концентрации С02 осуществляется с помощьи мили-ЭВМ.

При измерениях регистрируется солнечное излучение в интервале 4779,7 - 4917,9 (см-'), содержащем полосу поглощении С0г 2,06 мкч и граничьте с ней области, гдэ поглощение углекислым газом мало. Полученная спектрограмма отбраковывается, если за ьремя ее регистрации отмечена мзмнчивость прозрачности атмосферы, контролируемой вторым оптическим каналом.

Случайная инструментальная погрешность комплекса при измерениях концентрации С0_ оцедава по результатам методичеегш ла-

''/ »раторн^х исследований аппаратуры. сравшг^елишх синхронвд из-м.>Ь'!1шй на разных комплексах в натурпих условиях и но основа ^»«юрясдаста {езулъл'Е^'оо. По полученной нор'.шровэннзй • функции реОНрОДеЛОНИЯ ЕМИИрИЧвСКл/ СрвДавКВЭДраГКЧИЫХ ОШИбОК рдаЫ1ЧШК 'зкеруций доверительная оценка эмпирического стандарта о для на-дег ,сти и,ЕЗ П0НЧД8ВТ в шпервал от 2 дс 10 млн"1 .

Аппаратурный комолеке используется для систематических из-ж-риниа в точении 12 нет. Максимальная щюдолжительность чаблкь «низ н тьчош-е дня в лотапо вроиь составляет 10 часов, в зам-н 11 - В часов. Основные параметры комплекса следующие:

- геометрическая ширина щоли 0,25 мм, соответствующая спектральному разрешении 3 см"1;

- скорость сканировали! споктра 0,5 сйГ'/сек;

- постоянная ьр«.;.;и1г.1 регистрируйте го устройства 1),5 см;;

В третьей главе из^ожвьа процедура пря.юго расчета градуи-).01:0411011 сависимоотк поглощения от содержания углекислого газа.

Количества ш. >я связь иацду содоряичилм углекислого газа в ьч;.13(4оро ¡1 ко 'пропускание« ыра^аотся в применяемом опоктроско-иичесчо!,« метода градировочной оаилтемостьа специальной функции

Р -I- Р

о- = —----

¿1

р.,«:

от концвнтрацил поглощзщого аздучелаэ СО на пути луча. Здесь Р 1 - функции пропускания в трех у» упоминав-дихся шшо интервалах д (3-1,2,3). Эта зависимость рассчитывается с использова нием ис.^Д имавдэйся иЩормацин о тонкой стру.стуре спектра в рабочем диапазоне с учс.гам неоднородности атмосферы.

гчОу -бу

1'де а(г-у') - нормированная аппаратная функция монохроматора, в нашем случае в вида треугольника;

С>1> - полуширина аппаратной функции (см-1);

• К*, !<, - монохроматические коаф^щпонты поглощения соответственно углекис лого газа и водчного чара (ом"1атм"1);

и(2). - уделышо содержания соответственно углекислого газа и водяного пара на шеоте г, приведенные к нормалышм условны (1?« - й7а,1Г. тс., л,- юха.ав

Интеграл по 2 продстэтыяот интегрирование но неоднородному оптическому пути от поверхности Зетл jio высота. та Scopol ат-гюсфорное дашмк.^ близко к пулю, Ьолнчшш n('¿) и w(z) определяются шрая»пиа*и

С -Г(г) То _ р.1го(z) Т

р т(а) р tíz)

о о

Здесь Cv копдтггрлцил углвкис^ото газа (M¡..f1);

Гя 0(s)- парциальное давления водяного пара irlia);

Р(к),'Г(2) - соответственно дзмонаь л точпорьтура (rTía.ií);' Нодахроиатичес^з коадиодопта лсглсд&вгя К,, продстгвлячт •сумму коэффициентов поглощения отдельными ляшягм:

контур которых опредзляотся деспзрсшишм соотиояйнисм: ,(2) »

' к (v-v .)'+(rt(5,>r ° «j i

где ^(z), a(z), y& t -■ гатшскшость (сирота-1), полуггиртгна

(см-1) .частотз центра (см-1) .лний на внсотй z.

Суммирование проводятся во 'всем 2 лилиям каждого лз газов, иона-

даяцих и спектрзяьшЛ интервал lv - 10, v + ICH см"1.

Температурная зависимость интенсивности задается в виде:

, Г* Г K.¡ г т

{ Г у (

S (") = 3 ' —-— -expJ-

"(Z) J ' И(!)

1

Здесь So - интопсавпость J-ой липли яря Г* = 29ü К;

m - эшшрзчоский пар«»<зтр (для угдзкасиого гагз а-Л,. дли водяного nsps n--I,5);

Е^ - зпзргяя нетнэго состояния вращательного перехода З-оЗ .¡шип (см"1):

К - постоянная Больдмапа; Ч* = 29S К.

О

Зависимость полуширины летни a (Z) от давленая и твмаерату-ра задастся в вида:

+ aljjz)

а[г) „ ----------

Г т*

Lñs)

где а* .. с£ - соответственно коэффициента сзмоуииропкя линия к их уширегая посторонним газом (сг.Г'атм"');

P„(z), Pu(z) - нарциальше давления погдоцавдего и постороннего газов СгПа);

п - чмлиричосЕий параметр (для углекислого газа п~0,5, для водяного пара п=0,К;).

Содержание С0г определяется сопоставлением аксперименталь-шх с расчвтшми Qp.

При расчете фушцдл пропускания численшш метода;«! необходимо учиилчш» две специфические трудности. Они связаны о выбором шагов чпслоошго интегрирования по икало длин волн и по i.ucoto. Поэтому в работа применена процедура, оптимизирущая интегрирование по длинам волн, а шаг интегрирования по внеоте получен по результатам часлеишх модельных расчетов.

Неоднородность атмосфера по висоте учитывается иутем задания вертикалкш профилей температуры, давления и влажное?-'.. Распределения, восстановленные по аэрологическим долшм, является наиболее реалистичной исходной информацией в случае совпадения зондирования по времени и месту со спектроскопическими измерениями. Но на практика удается получить лишь один набор аэрологических дзнкых для всего периода спектроскопических наб-лвдшщй в течение дня. Эта приводит, как показали численные оценки, к переменной систематичэскоЗ погрешности в среднеднев-шх концентрациях 00г боле о JZ. _ Л, я ее исключения необходимо усредченнз. по времени и тогда для периода усреднения систематическая погрешность среднедневных концентрации С0а ] становится случайноЛ. yin самоа.достигается, оели использовать средаяо для периода у рэднопад вертикальные распределения температурн, давление и влажности. В система могмторшеа углекислого газа наиболее представительными явлготсл' средпемеспчтае концентрация С0;. Поотсму месячный период бил внОран в качестве осповпого периода усреднения и при расчета градуировки применены сродаемэ-елчпш вертикальнее распределения температур«, давления и влаз:-ности, характерны» для моста шялэдотй. Сравнение среднедневных шзцигграцдй С02. 1ЮЛ}чошйК по градуировкам, расчет которых основан на г.-редга:кшоД модели атмосферы и данных аэрологического зондирования, показало, что среднедневные концентрации могут рссходиться до г%. ко для средних из месяц разжтз не превышает I мяГ\

Четвертая глава содержат ояасшше лабораторной установки и р5зул.тата 2кс:шр:!у,х1тйлыщх исследований пропускания газовых

окосей углек'лсд-й газ - азот, водяной пар - азот, углекислый газ - подслой пар - азот.

Основу установки для лабораторных гкспаримептов составляли оптическая шюгоходсвач кюьота с базой 50 м и спектрометр. В атмосфере и спектральной области 2,05 ккм основными поглотителя -•га являются углекислый газ и водяной пар. поэтому объектами исследования били гвзогий сл'-си углекислый газ-азот, водяной пар-азог и углвкчслий газ-водяной пэр-азот, которыми заполтлась кювета. Условия экспериментов приведет в табл.1.

Условия лабораторных экспериментов.

Таблица I.

]'а зева я емют. Ь.км ?,К ,гПа Рн О,г11о Рм ,гПа

____ _ __ 2____г__

со2 - г;г а ,"9я_з43 0.5-6,3 - 70-1000

Н^О - мг 1-2,6 ПЕЗ-341 - I,4-31,7 71Н1СОО С02- П20 - иг 2 0.3-1,4 1,7-10,5 70-1000

Примочат»: Ь- - дана траст:, Т - температура, Рсо , Ри 0, -

2 2 2

соответственно пзрцмлышо давления углекислого газа, водяного пара и азота.

Из сравнения оксперплоиталышх и расчетных спектров (здесь н ниже прзэддеш результаты расчетов, в которых использованы па-ршлэтри линий, версии 1980 г. компиляция СЗ!) дли модельной атмосферы с02- ма установлено расхоздехглэ в еьлит.шзх пропусканий Нбпосредствэтю в полосе поглощения углекислого газа 4Уг+г»э. Для его устрэнонпя с расчете были использоваш дза • параметра. 01-нормировочный игозятель 'для согласования абсолютных величин расчетных р п экспериментальных Рг, п и 0г- множитель к монохроматическим коэ№щнет^ч поглощения.

Параметры определены нелинейным методом иапменытах квадра-. тов, при этом мяоаатоль к коэффициентам поглощения оказался равным 0,95 ± 0,02. Численное зпачопяе нормировочного мжшггеля. не ва::яш, так как он сокращается при шчислешЪ функции 0р.

Для модельной атмосферы водяной пар - азот такта било установлено расхождение экспериментзлъных и расчетных спектров, но уха в узком спектральном интервале около 4901,5 стл"*. Для устранения этого расхождения оказалось достаточно увеличить в 1-4 раза интенсивности двух линяй водяного пара с центрами Vi= 4901,338 см".', V¡c= 4901,802 см"1, определявших в основном поглощение излучения вблизи 4901,5 см".

Наиболее подобна раальноП атмосфере модельная Х'оеовуч с.ре-состондая из углекислого газа, водяного пара и аьота.Основ-:.".« связанная' с комвропляш пропусхашЗ таких смесей задача со-стияла в том, нисколько рассчитанные Q , о учетом ирчдлсзашслг Bi.iie коррекция кооффдциентов поглощения отдельно дль лшиЛ полосы СО 4v2+i> и днух ланлЗ полосы водяного паре v +va, Слизкц к ¿ьморошчш величинам да одних и тех г» условий.

Сравнение окспгфимоат£.;,'ышх Q^ с расчетными показало, расхода нио .мехчу ними Ооз коррекции расчета составляет 1'Л>7,. Проведенная коррекции спектроскопических параметров линий • ¡•¡.'ло^еция углекислого газа тл водяного пара снизила расхождение - 0,07г.

Поправки, параметра с.ю1:тральних лашЛ пог-

лощения углекислого гсоа и водяного нарл, при ¿шосинип их в рас -.JT градуировочпоЛ зависимости кзшнлюг и величину содержания углекислого 1'аза. определяемую по этой градуировке. В частности, наодишш едшего керриктнрумедего интенсивности линий полосы СО ív.t-iv3 множителя в расчет тшводит к увеличению концентрации СО на множитель

I

е* =■--^ 1.05 ± 0,02

е*

по отношошш к той, которая была бы получена бег учета t>3. Влиянии коррекции интенсшшосгеП двух линий поглои,е1Шя водяного пара на градуировочиуо зависимость, а следовательно, и на концентрацию^ солее сло:шо. Если считать пропускание смеси догаощахдах газов (в данном случае углекислого газа и водяного пара) произ-иедеш.ем nponyciiaiEiü каждого газа отдельно, то поправка в концентрация С02 будет аддитивной. Это сооОр-тчто позволило ввести в рассмотрение в качестве поправки разность &С концентрация С02, определенных по градуировкам в которых соотвотствошо учтена и неучтена коррекция шигонснаностоЯ линий водяного пара я определить зависимость такой поправ:« от ссдерыяштч ь атмосфере водя-иого пара. Результата построения этой зависимости на основании дашшх натурных лзмзрогый и расчетов для -диапазон? из.ченотт оо-дэрисан'ля "водяного тара в столба атаоаХерн от 0,5 до 5 г/см2 показали, что при содержаниях водяного пара ¥) < Я г/ей2 поправка ДО зависят; от W и составляет С млн-1/(г/см2). При V > Z г/см2 поправка ДС практически остается постоянной и равной - S ылн"1.

. В пятой главе прнводеш результата систематические измерений кощеитращи .углекислого газа в атмосфере спектросшшесш®!

методом с юео no 19Sü гг., опрод&лени харпкторпш особенности времмгюй нзмзнчипостл, прождано сравнение дакш?: сп •«'роскошл-чеиси-. измерений о юзакисиг4и:.га пзраллэлышмл измерениями концентрации 00, локальнг.м методам в пробах воздуха на разных высотах.

Дгл проведения етстсмагдчг>схкг оптических наблюдений в атмосфере бил проьоден сгоцуедышй анализ климатических условий рэзлгашх географических районов обоспечг^а-кднх максимальное число sra.iepeiiir.T: достаточно равномерно распрэделенных в точение года. Одним из ппиЗолег, ентамялышх оказался Nation оз. Иссык-Куль, роена дотетшй примерно в центре Ррроазиатского континента (4?.if с.и., '¡7" il.д., гысота над уровнем торл IGG9 и).

"сс."п;ое;я!ия ¡лртн.чмьногэ распределения концентрации С0г с атмосаоре над оз. Исснк-Куль охватывали все сезони года и ирово-дя.тлсь чотырьмя отдол'/шмл гнкламн о IU по 25 октября I3Ä3 г., о 25 по 31 1!Ш 1034 г. , с 23 января но I ^опрьля и с 14 но апреля I9C5 г. В ходе о та/, измерении от^ор ароо осуществлялся с борта ссмолэта-.паСоратор:ш КЛ-14 на разных высотах над центральной частые озера. Пробы отбирализь во время горизонтального полота на девяти уровнях ноедед.эватольт по мере увеличения высоты полета до отметки 5700 н пзд уровнем моря. Во время полетов самолота проводился тг;с;э отбор проб и в приземном воздухе на берегу ооорэ. Измерения ».онцептспч-С! GO в каздой пробе пш-водились олтшсо-акусглчзоет.! газоашлизатсром.

По результата.'.! измерения получены вертшссльшэ распределения концентрации С02 в атмосфере пад оз. Иссык-Куль, особен-■ностья которых ппляатся сравнительно небольшие по воли'.ипе вертикальные градиенты,что дозволяет считать концентрации С02 постоянной но высоте. Этот результат представляет экспериментальное обоснование использования и применяемом спектроскопическом метода предположения о рзвнопврокзаашостл углекислого газа в атмосфера в районе проведения спектроскопических наблюдений.

Применяемый- в этих ипеледотвпиях локалънчй метод является независимом методом измерения концентрации С02 и полученные двшш могут быть дополниаддышм критерием оценки точности спектроскопических пз.дер&пий. Для ерзвшжш нешлъзоваю спект1">оско-пические среднедневные концентрации С02 и среяпю по высоте концентрация С02, которые олределени по дашшк саыолатних измерений

*) Автор благодарит Л.М.Броутигейна и его сотрудников за с-казги-„вую в этих экспериментах помощь.

"м разшл высотах для совпадали дней ио формуле:

51 Р. С

.1—4

I

■ .-,•> t', - давление на высоте. соответствующая 1-ому уровня; Cv t. нд'штрацая С02 в пробе воздуха на 1-ом уровне; М - количество ,(;ош1эа. Приведенные в табл.2 данные параллельных ¿змереннй игл с^адого дал цоказиваат, что раащгчие концентрация ®Jt не пре-юсходит I а средне длл ккздого цикла отличаются lie боло о, ><ы на I нтГ'.

Таблица 2.

Концентрации С0_, (клгГ') по результатам спектроскопических изменений - С , и по дашш самолетных зондировок - С

Дата с; Дата Cv,3 с;

1983 Г. 1984 Г.

21.10 34G 3-13,2 25.07 341 343,6

22.10 341 344,7 27. С7 346 341,9

23.10 342 344,8 28.07 345 345,7

Сроднее 343 344,2 Среднее о 44 343,7

isas г. 1985 г.

27.01 346 348,3 15.04 353 351,8

•29.01 350 348,0 18.04 350 353,4

31.01 345 348.3 v

Сроднее 347 348.0 Средное 351 352,1

Измерения содержания углекислого газа в атмосфера Сила начаты в мае I960 года и продолжаются, практически непрерывно, до настснщшо времзнн. Эти данные в виде средних за месяц почти за двенадцать лет представлены иа рие.1. ,

В первую очередь необходимо отметить наблюдаемые по этим данным колебания концентрации С02 о периодом в один год, которые свойственны згой газовой составляющей атмосферы и отражают се; зошше изменения обмана углекислым газом ко аду наземной Оиотой и атмосферой. Максимум и минимум концентрации попадает на весеа-ние и осенние месяцу. В среднем полная амплитуда. годового хода составляет - 9 млн-1. Этот результат согласуется с данными станций мониторинга С0г [31 и позволяет считать, что для коптилен-

С

тахь'шх ройсжоз характер с&зонной изшкчикостл угдокисл>*ч> в атмосфере с учетом зависимости амплитуды л фасы ко/обэний чт широтп в ocbobiícm аналогичен тому, который наблюдается в фюно-овых условиях п ОКОЯ1МЧОС1Г.ГХ районах.

Вторым вазпшм экспериментальным Фонгом ¡шляотся то, что результаты спектроскопически пгмерондй уворонче подтверждапт ш-баяьчов увеличение содержания углекислого газа б атмосфере, установленное по данным сети станций. Величина J. Ж'одово,! аом-яп i-тстн концентрации С0г определена по экспериментальным д.ягным .методом наимонксих ¡щадитой ó лшгоИнсм прнблгаешга (рис.i) По- ■ лученное значении тренда2,2 млн""Угод превюнаот :ю величине такую го характеристику для оимничэизи. районов, равпуэ за этот я» период времени ~ 1,5 млн-1 /год. На рис.2 приведет сглажеплие данные спектроскопических измерений в сравнении с аналогично полученными по результатам измерений пз базовой фоновой сташг.ы мониторинга СО, - Мэунг-Лоя. Как видно кз рис.2, глобальное увеличение содержания углекислого, газа в атмосфера примерно однча-ково. Однако по резу;штатам спзктросколлчеених /змеропий в I9Ü2-1983, TS86-I987. 19ЭЗ-1991 годах наблюдаются периоды аномального увеличения тренда концентрации СО , что приводит ;с его большей величине и является осповшм различием в изменчивости атмоп£ор-_ пого углекислого газа п континентальных и океанических районах.

В целом следует отмотать, что интерпретация _ положителшнх _ аномалий содержания углекислого газа в атмосфере с' точки еренпя выявления виэваваях их механизмов скорое всего прэдеталпэт свыо-столтсяьнуа задачу и выходи? за рзмки датой работы. • • Основные результата работ.

1.По давним лабораторных экспериментов и численных ^счетов исследована зависимое- п епшетралмгого поглощения излучзнля в области 2,00 мкм от содэрзапип углекислого газа и водяного пара и влаяняз нз нее температуру л дашгэння.УменьЕЭЦн на 5% интенсивности лини?) поглощения углекислого газа н увеличены на 402 - водяного пара нз компиляций спектроскопических данных о тонкой структура спектров, поглощения п области 2,06 гскм, применяем-« в задачах оптики атмосфера. На основе этих результатов исключена систематическая погрешности изменений концентрации.С02 в атмосфере спектроскопическим ыотодэи составляющая - 33. -

2.Для расчета зэвякюоети ¿огло'цшшл солнечного излучения от содержания углекислого газа в атмосфере продолжено использовать среднемесячные вертикальные распределения температуры, давления и влажности. Погрехпость среднемесячных значений концент-

Результаты спектроскопически;: измерений концентрации 00 С ,Шы"

370

360

ЭЭО

-а- - i - - 2

î\ i

/ û A

гт ^ у - Зг

CU

t J

ЗЗО ......

et. (i

вз • от ÜS 91 Года

I - сроднемвснчныо' значения, 2 - лилейный трещи

Вю.1.

Сгла:кеннис данные

Си ¿war

SSO

3 50

3-ю

зэо

si ез 63 07 s9 91

I - Иссык-Куль, 3 - Иаипа-Ъоа

Рис.2.

- lo -

рацпа СОг и этом случав ю превышает'3 млн"1.

3.Создан гштоматазпрой.нпшЛ спантрометршьскиД комплекс аппаратуры с мизш-ЭШ дан рогисграции проичдаьп атмосферу сотаеч-13010 излучипя н обработки результатов измерений. iincrpyментальная погрешность едюгичнсго измерзши концентрации углекислого газа ссскчллот 2%.

Í.Определены основное закономерности изменчивости содержания угле кислого газа в атмосфера в кочтшепгглыкм районе (ой-ворний Тянь-Шань, оз.Исснк-Куль) зв Т2-лапЕй поршд (19301992 гг.) систематических наблюдений:

- величина средних сезонных. тараацлЛ составляет около 9 fot"1

- максималшио концентрации С02 найлэдавтся ььсной, манн-малыш - озошлэ;

- сро.цяоа зцаченио нойгсдового роста концентрации углекислого газа (трР7ь.) разно 3,3 г-гл'1/год;

- в юряод-! j932-1333, ..986-1987, I990-I9M гг. наблюдаются оно,малыше увеличения содержания углекислого газа, заметно прэгимнщае подобнее и океанических районах.

5.Исследованы вертикальные распре долечил углекислого газа а итмосфэпе п континентальном рэЛонп но все созови года путем отбора проб воздуха с борю сонолета и их последу иного анализа оптико-акустическим гагошаиизатором. Установлено, что в районе пропвдышя измерений концентрация СОг, начиная с шсоти 200 м от зешюй поверхности, 1 дастоншш. Отклонение <оч среднего значеш1я не превосходит 2 шн"1.

6.Проведено сравнение розультатои спектроскопических измерения и парплло.:ьшик им независима измэрешй шщентрацта СОг в пробах воздуха, отобранных на разных высотах с борта самолета. Данные согласуются в разделах 1%.

Список работ, опубликованных по теме днссортации.

I. Арефьев В.Н., Кокеноградский U.E., Наш:ш Ф.В., Сизов H.H. О спектроскопическом измерении концентрация атдасЗорного углекислого газа//И Всесоюзное совещание по-атмосферной оптике (тезисы докладов),ч. 3. - Томск, 1980. - С. 16-18.

3. ¿рофьеп В.Н., Каменоградский Н.Е.. Кашин Ф.В., лушков Х.К., Погадаев Б.Н. Погрешности определения содержания углекислого газа в атмосфере полевым спектральным комплексом// Тр. 1Ш.-1Э81. - Bim. 12(96). - С. 15-21.

3. Кашин Ф.В., Планов A.A. Результаты сравнительных синхронии измерений концентрации СО в атмосфере двумя тит„м снект-

рилыюЯ аппаратуры// Тр. ЮМ. - 1981. Выи. 12(96).-С.23-У..

4. Ари^ьеь B.I1., Кааш Ф.В., Дианов-Клоков В.К., Малков К.II. !''i'Лавой очект^емотьическил комплекс для контроля содержания г.г.оы>х црцдесаВ в атьисЯ©рв//Всосошшй семинар "Тьхличоо-khj сродства для государственно.! сист.м контроля природам,' среди (тосты докладов),4.¿. - Обшлси,1281.-0.154-155.

Ч. Дудиикова II.И., КаменоградскМ Н.К., Кашин Ф.Ъ., Сорокина Л.'.!., Устинов В.П. 1'змеренил. концентрации С02 в атмосфере// 11Г üee союзной совещания по атмоЫсраой оптике и яктшомот-(тезисы докладов),ч. 2. - Томск, 1983. - С. 145-147.

6. йрофьов В.Я., Камоноградский Н.Е., Наины Ф.В., Устинов ч.п. Спектроскопические измерения кснцэнтрадии атмосферного угло-кислого газа// I Всесоюзная конфорешдя но анализу неорганических газов (тезисы докладов). - Ленинград, 1983. - С. 43.

7. ;..;нменки P.M., Хуков А.В., Кшэнограсдкий Н.Е., Кшг.ш Ф.В., Мухометшина Л.А.., Шашков A.A. ICoMoaeitc программ для расчета концентрации а/м. сферного углекислого газа по данным спектроскопических измерений// ОФАГТ Госкомищромота, ВНЮЯГММ МЦД, lffl-Г 0PR12Q8I4. - Обшшск. 1933. - Вып. 2. - 37 с.

J. Арефьев В.II., Дудникова II.И. .КамоноградскиЛ Н.Е.,Катч Ф.В., <1>.В., Сорокина Л.М., Снекторов Л.1., Устшюв В.П. Саектрос-когм"еские измерения атмосферного углекислого газа в районе оз. tfccuií-Куль// Тр. ИЭИ. - 1984. - Вия. 14(110). - С. 59-66.

9. дудши.ова Н.И., Кашн Ф.Е., Сорокина Л.И., Устинов В.П. Влияние водяного пара аа результата измерений концентрации С0г спектроскопическим методом// 1'р. ИЭМ. - IS84. - Вып.14(110)..

- 0. 71-75.

10. Арефььо В.И., КаменоградскиЗ. Н-Е., Кашин Ф.В., Снекторов. Л.А., Сорокина Л.И. Исследования углекислого газа и водяного пара спектроскопическим методом// Всесоюзный симпозиум по фотохимическим процессам земной атмосферы (тезисы докладов).

- Москве, I9C6. - С. 109.

11. Кашин Ф.В., Мухомэтшна д.а. Вычисление паракотроь подгонки теоретических спектров поглощения излучения углекислым газом л водннт. паром к экспэрименгалышм нелинейным методом наименьших квадратов// ; ОФАЛ Госкомгядромэта, ВНШПЛ» МЦЦ, ИН-0925, IIP 05.05.СО. - Обнинск, 198S. - Вып. 3. - С. 27. .

12. Арефьев tí.Я., Камоноградский И.Е., Наши Ф.В., Мухомэтшиаа Л.А. Модельные исследовании функции пропускания в ооласти 2,06 мкм// Тр. ИЭМ. - 1987. - Bun. 19(125). - С. 48-54.

13. Акнменко P.M., Баранова Е.Л., Камеиоградский Н.Е., Кьшш

Ф.В., Мухометйша Л.А., Сорокина Л.И., Сгюнторог Л. Д. Онр<-делетю содср^ния углекислого гага в атмос^ор^ в рЯоне сз. Кссии-Куль г I980-IS85 гг. спектроскопическим мете, дом// ?р. ИЭМ. - 1РЬ7. - Bim. K(J25). - С. 5 4--Г-7,

14. Казакова К.0., КаменоградсклЯ U.E., Чныил Ф.В., Погод;,ев S.H., Фабер Ii.В. Измерения кащсптращг,; углекислого газа в атмосфере в районе сз. Исзм-Куль// Тр. ЮМ. - I9S7. - Спи. 19(125). - С. Ь8-65.

1Ь. Арефьез В.Н.; Камоьогрэдйс^ К.Е., Каши» Ф.Р. йсатедовпнил углекислого газа в атмосц»ро в prJoiift оз. Иссык-Куль// Олтм-ка атмосфер!». - 198а.- - Т. 1. » V. - С. 49-53.

16. Надменно P.M., Арефьев В.К., Британская Л.Л., КэмоногрчдсйиД Н.Е., Кашин Ф.В., Пророк Л.Й.. Со{юкипа Л.И., Снокторов .I.A. Исследование йомзпчкрссти содержания углегаслого газэ в от мосфере спектроскопическим методом// Распространение оптических волп в атмосфере я адатгизгал оптика (Сборник трудов). - Томск, 1988. - С. 3-1-,?6.

17. Дрефьев B.H., КимоноградсстП U.E., Кашин Ф.В. Измерения г.т-дасферного углекислого газа з ра,1опэ оз. Исоык -Куль'/ L'c-э-. соленое совещание "Состояние у с хрена воздушного бассейна курортных районов" (тезисы докладов). - Кисловодск, 1989. -О. 26.

18. Лмокко V.U., Арефьев З.К., КемоноградскиЛ Н.Е*.. Кашин Ф.В., Пророк Л.А., Устинов В.П. Лаборатсрнне исследования спектрального поглощения водяннм паром .в области 2,06 мкм// тр. ИЭМ. - 1989. - Выл. 49(139). - С. 11Б-Г24.

• 19. Арефьев В.Н., Ка^ноградсккй-Н.Е., Кашин Ф.В. Систематические изморрния котезнтрЕца,! углекислого газа в атмосфере// Изв. All СССР. Сер. <Гяз. атм. и океана. - 1990. - Т. 26. - с. 584-593. •

20. КамэноградскиЯ U.E., Кагат Ф.В. Влияние поглощения излучения водяным паром на изчо.рон/.н концзнтрвцли углекисчого газа в зтмосфере спектроскопическим методом// Тр. ИЭМ. - 1992. ■ -Вкл. 23(14(3). - С- 137-142.

21. Кйменоградский Н.Е., Кашин , Пророк Л.Л. Модель птмосфе-рк для спектроскопического опродэлзшя концентрации углглсис лого газа// Тр. ИЭМ. - 1092. - Выя. 23(Т46). -. 0. 129-134.

22. Каменсградский Н.Е., Кашин Ф.В. Измирешм концентрации углекислого газа в толще атмосферы спектроскопэтеским методом я в пробах воздуха на различных виеотзх// Тр. ГО!.!, 1992. • Вып. 23(146). - С. 134-137.

- IB -

23. Лрофъев З.Н., Камзаогрпдсгла (I.E., Кашин Ф.В., Устинов Ь.П. Усоворш&нстьоваший спектроскопический метод для мочлторит'а углекислого газа и водяного пара б атмосфере// Первый мззду-народный семинар "экологил и спектроскопия. Мониторинг окру-язвдай срнда" (тагиен докладов). - Петрозаводск, 1991. С. 34-35.

24. Камвноградс.йШ U.E., Капай Ф.В., Сорокина Л Л. Моииторннг атмосферного С02 в Ниришик// V Совещание по атмосферной

• оптике С точней догсладов). - Томск, 1991. - С.' 116.

Список цитируемой литературы.

1. Броуштейн А..М., Парамонова H.H., Фролов А.Д., Шпиков A.A. Огшгшский катод определения общего содермшя С0г в верти-

■ кальном столбе атмосфоры// Тр. И'и. - 1976. - Вин. 369. -С.5-24.

2. McCatche? R.A., Beneölct У/.S., Clouai. S.A., Durch D.E , Calles R.i'., i'ox K,, Rpttoan L.S., Caring J.S. ATCRL Atmo3- • pherlc absorption line parameters compilation/ Environmental, research papers H 434, A?CPi-TR-73-0096. - Beflforû, Massachusetts: Air Force Camtrlöge Research Laboratories, 1973. - 75 p.

3. Ecflen T.A.,Kanclrui: P.. Parrel 1 K.P. ТгаМз'ЭО. А сояреп31ш of fla+a on global change/The Carbon Dloxlüe Information An&lysla Center- Oak El fige National laboratory, Тешеззеа, U.S.*.., 1999. - 257 p.

HffC, JOMj*