Оптические модели сферических гетерофазных сред в прикладной геофизике

Беликов, Юрий Евгеньевич

Автореферат диссертации по теме "Оптические модели сферических гетерофазных сред в прикладной геофизике"

□03056697

ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ГЕОФИЗИки имени академика Е.К. Федорова

На правах рукописи УДК 551.510+ 551.521

БЕЛИКОВ Юрий Евгеньевич

ОПТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ СФЕРИЧЕСКИХ ГЕТЕРОФАЗНЫХ СРЕД В ПРИКЛАДНОЙ ГЕОФИЗИКЕ

Специальность: 25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва - 2007

003056697

Работа выполнена в Институте прикладной геофизики имени академика Е.К. Федорова

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, Козлов Станислав Иванович

доктор физико-математических наук, Горчаков Геннадий Ильич

доктор физико-математических наук, Тулинов Георгий Филиппович

Ведущая организация: ГУ "Центральная аэрологическая обсерватория"

Защита состоится " 16" мая 2007 г. в 11 часов на заседании диссертационного совета Д 327.008.01 в Институте прикладной геофизики им. академика Е.К. Федорова по адресу: г. Москва, Ростокинская ул., д.9.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института прикладной геофизики им. академика Е.К. Федорова

Автореферат разослан " " ¿^¿л/г^хЯ. 2007 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 327.008.01, кандидат физико-математических наук Сыч\ А.Г.Старкова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Одним из методов исследования процессов, протекающих в атмосфере Земли, является инжекция различных веществ в околоземное космическое пространство с помощью спутников и ракет. При этом во многих экспериментах образуются искусственные гетерофазные образования, близкие по форме к сферическим. Поэтому создание оптических моделей сферических гетерофазных сред является необходимым инструментом для анализа и интерпретации такого рода экспериментов.

Важным обстоятельством является то, что сама атмосфера Земли с большой точностью является сферическим гетерофазным образованием (учитывая, что в ней могут находиться вещества в разном фазовом состоянии: аэрозоли в жидком или твердом состоянии, поглощающие излучение газы - озон и др.). Создание сферических моделей атмосферы Земли, которые являются частным (но важным) случаем оптических моделей гетерофазных сред, существенно расширяет класс задач, к которым могут применяться рассматриваемые модели. Поскольку многие эксперименты, в том числе и отмеченные выше, происходят в атмосфере Земли или в околоземном космическом пространстве, создание таких моделей может помочь учесть влияние атмосферы на результаты этих экспериментов.

Кроме того, существует целый комплекс проблем в прикладных науках (геофизике, метеорологии, климатологии, атмосферной оптике и др.), где задача переноса излучения, на которой основываются оптические модели, является неотъемлемой частью решения этих проблем. В ряде случаев без решения указанной задачи невозможно планирование геофизических экспериментов. Такие актуальные проблемы современности, как возникновение озоновых "дыр" или изменение климата на нашей

планете, невозможны без анализа переноса излучения, без радиационного блока.

Совокупность перечисленных проблем определяет актуальность данной диссертации.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является создание оптических моделей сферических гетерофазных сред, включая оптические модели сферической гетерофазной атмосферы Земли, для решения широкого круга задач атмосферной оптики и геофизики, в которые входят:

- задачи, связанные с анализом и интерпретацией оптической информации в спутниковых и ракетных экспериментах, сопровождаемых инжекцией различных веществ в верхнюю атмосферу или околоземную среду;

- задачи, связанные с интерпретацией наземных, ракетных и спутниковых оптических измерений;

- задачи, связанные с актуальными проблемами геофизики: анализ депрессий озонового слоя, влияние перераспределения озона и выбросов аэрозоля на потоки излучения в различных областях спектра, включая коротковолновую УФ область;

- методические вопросы, связанные с корректностью оптических измерений, а также с планированием оптических экспериментов.

Научная иовнзна.

1. Разработаны оригинальные численные модели переноса излучения в

сферических гетерофазных средах, включая модели сферической

гетерофазной атмосферы Земли.

2. Впервые получен широкий набор изображений аэрозольных облаков

различных конфигураций для оптически тонких и оптически плотных

условий при различных углах наблюдения. Сопоставление рассчитанных и наблюдаемых изображений аэрозольных облаков позволяет делать оценку оптической толщины аэрозольного облака и проводить качественный анализ распределения вещества внутри облака.

3. Впервые показано, что такое образование, как бариевое облако, окруженное аэрозольной оболочкой, может наблюдаться в виде различных структур в зависимости от угла наблюдения. Данный анализ призван помочь в планировании экспериментов по наблюдению искусственных образований.

4. Впервые создана методика анализа цветовых характеристик искусственных бариевых облаков в верхней атмосфере. Эта методика позволяет эффективно оценивать оптическую толщину бариевого облака и судить о некоторых физических процессах внутри него.

5. Впервые на основе детального исследования формирования яркости в видимой области спектра при измерениях с поверхности Земли в сумеречных условиях показано происхождение "избыточной" по сравнению с однократным приближением измеряемой яркости. Эта "избыточная" яркость ранее приписывалась рассеянию света на аэрозольных слоях в верхней атмосфере Земли.

6. Впервые разработан так называемый метод вариации ориентации применительно к ракетным исследованиям атмосферы, который позволяет совместно с разработанной оптической моделью оценивать оптические характеристики средней атмосферы.

7. Впервые показано, что при наблюдении из космоса индикатором присутствия аэрозоля в атмосфере может служить пурпурное пятно вблизи горизонта на цветном изображении сумеречного ореола. В присутствии аэрозоля это пятно существенно смещается под горизонт. Другим чувствительным индикатором является характер изофот

яркости на изображениях ореола вблизи направления на Солнце. Изофоты яркостей для молекулярной атмосферы существенно более вытянуты вдоль поверхности Земли по сравнению с аэрозольной атмосферой, в то время как присутствие аэрозольной компоненты как бы стягивает изофоты к околосолнечной точке и они более приподняты над поверхностью.

8. Впервые показано, что присутствие аэрозольной составляющей на высотах 27,5-37,5 км может усилить потоки радиации в нижней стратосфере в области спектра 300-315 нм в 2-3 раза.

9. Впервые показано, что при аномально высоком содержании аэрозоля на высотах 22-37 км сглаживается и исчезает эффект обращения в зависимости логарифма соответствующих яркостей от зенитного угла Солнца (Умкер эффект), что означает невозможность корректного восстановления из стандартных измерений высотного профиля озона.

10. Впервые обнаружены эффекты подавления длинноволновой (красной) радиации полярными стратосферными облаками в сумеречных условиях, и, как результат, накопление активного хлора в полярной сумеречной атмосфере над полярными стратосферными облаками.

Практическая значимость.

Разработанные численные модели переноса излучения для сферических гетерофазных сред несомненно представляют практическую ценность для решения целого ряда научных и прикладных задач. В диссертационной работе продемонстрированы возможности моделей, решен целый ряд актуальных научных и прикладных задач, а именно:

- задачи, связанные с анализом оптических измерений при наблюдении искусственных образований в атмосфере Земли;

- задачи анализа и интерпретации наземных, ракетных и спутниковых экспериментов;

- задачи, связанные с методикой измерений озона, с влиянием

распределения аэрозоля и озона на потоки излучения в стратосфере;

- задачи, связанные с механизмами возникновения депрессии озона полярной весной, и ряд других задач.

Внедрение численных оптических моделей сферических гетерофазных сред в практику несомненно будет способствовать более эффективному решению целого ряда актуальных научных и прикладных задач, связанных с атмосферными исследованиями. Этими задачами могут быть: мониторинг окружающей среды, анализ оптической информации со спутников и ракет, проблема озоновых "дыр", методические вопросы, связанные с корректностью оптических измерений, проблема загрязнения и фотохимия атмосферы, изменения климата и др.

Научные публикации н апробация работы

По результатам диссертации опубликовано 37 работ.

Основные результаты работы докладывались на следующих симпозиумах и конференциях:

The 19 Annual European Meeting on Atmospheric Stadies by Optical Method, Kiruna, Sweden, August 10-14, 1992; The 20 Annual European Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods, Apatity, 1993; Российская аэрозольная конференция, Москва, 18-22 октября, 1993 г.; Совещание "Математические модели ближнего космоса", Москва, 1993; 30th COSPAR Sci.Ass., Hamburg, Germany, 11-21 July, 1994; The 21 Annual European Meeting on Atmospheric Studies by optical methods, London, UCL, 1994; The European Sympos. on Satellite remote sensing, 26-30 Sept., 1994, Rome, Italy; The European Sympos. on Satellite remote sensing, 27-28 Sept., 1995, Paris, France; The Quadrennial Ozone Symposium, L'Aquila, Italy, 1996; The Quadrennial Ozone Symposium , Hokkaido University, Sapporo, Japan 3-8 July, 2000; The International Radiation Symposium IRS

2000: Current Problems in Atmospheric Radiation. Saint-Petersburg State University, St. Petersburg, Russia, July 24-29, 2000; 15 ESA Symposium on European Rocket and Balloon Programmes and Related Research, European Space Agency, 2001; The 29 Annual European Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods, Leibniz-Institute of Atmospheric Physics, Germany, Kuhlungsborn, 2002.

Личный вклад

В диссертационной работе представлены результаты, которые автор получил либо самостоятельно, либо его вклад был, по крайней мере, важным на всех этапах исследований от постановки задачи до анализа и моделирования. Значительная часть результатов по созданию оптических моделей получена в соавторстве с Ш.С. Николайшвили и сотрудниками руководимого им отдела Института Прикладной Математики Тбилисского Государственного Университета. Ряд важных результатов по анализу экспериментов в околоземном космическом пространстве получены в соавторстве с сотрудниками Института Прикладной Геофизики Ю.А. Романовским и А.В.Гурвичем. Некоторые результаты в прикладных задачах получены вместе с сотрудником Института Физики Атмосферы РАН К.Б. Моисеенко.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы. В ней содержится 209 стр. основного текста, 56 рисунков, 10 таблиц и список литературы из 163 наименований. В заключении приводятся основные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту.

Содержание работы

Во введении обсуждаются: цель работы, ее актуальность, научная новизна и практическая значимость.

В первой главе диссертации представлена теоретическая модель переноса излучения в сферических гетерофазных средах. Постановка задачи заключается в следующем. Неоднородное сферически- симметричное тело с радиусом Я облучается плоским потоком света. Параметры, определяющие взаимодействие излучения с веществом: сечения поглощения и рассеяния, а также индикатриса рассеяния, предполагаются заданными. Все эти параметры зависят только от расстояния от центра сферы. Требуется рассчитать угловые распределения многократно рассеянных фотонов как внутри сферического образования, так и на выходе из различных точек поверхности сферы. На основе указанных расчетов в ряде задач требуется построить изображение на удаленном экране. Последнее необходимо при сопоставлении расчетов с экспериментальными данными.

Задача в указанной постановке решается интегрированием уравнения переноса излучения вдоль фиксированного луча. Пусть Ф(г,0) интенсивность рассеянного излучения в точке М с радиус-вектором г в направлении единичного вектора £2 (рис.1).

Функция Ф(г.П) удовлетворяет уравнению:

Ы

о

и

Здесь:

(2)

<г(г)=о» + о-»,

Рис. 1. К геометрии задачи.

Ф'П1(г,£2) - интенсивность нерассеянного поля, о-,(г) и <т0(г) - коэффициенты рассеяния и поглощения, рассчитанные на единицу объема, g(r,fl) индикатриса рассеяния, нормированная согласно условию:

я

2л = 1,

-I

где р =со5/, у - угол рассеяния фотона.

В приближении однократного рассеяния поле излучения представляется формулой:

(4)

Функция Г"(г,П), стоящая под знаком интеграла, представляет собой распределение источников однократно рассеянной радиации:

где Б - плотность потока первичных фотонов, падающих на рассеивающую сферу, Ц, - единичный вектор вдоль направления распространения первичных фотонов, - радиус-вектор точки входа в сферу луча,

проходящего через точку М(г)в направлении Г2() (рис.1).

Уравнение (1) в условиях сформулированной задачи имеет решение, симметричное относительно оси, соединяющей центры рассеивающего тела и Солнца. Исходя из этого факта, будем пользоваться прямоугольной системой координат, которую построим следующим образом. Начало координат совместим с центром рассеивающей сферы. Ось О, направим вдоль оси симметрии в сторону Солнца (рис.1).

В качестве оси Ох возьмем пересечение плоскости г=0 с вертикальной плоскостью, проходящей через ось 02 и точку наблюдения М(г). Наконец, ось Оу направим так, чтобы выбранная система Оху2 была бы правой. Наряду с системой Оху/ будем пользоваться прямоугольной системой связанной с точкой наблюдения М. Ось М5 этой системы направлена вдоль радиус-вектора ОМ = г. Угол между вектором £1 и осью Мг будем

(5)

обозначать через 0, а азимутальный угол вектора 12 в плоскости М=л, отсчитываемый в положительном направлении относительно оси М^ - через а. Искомая функция Ф(г,П), вследствие симметрии задачи, зависит в действительности от четырех скалярных аргументов г, у, G и а. Здесь г=|г|-расстоянис точки наблюдения от центра рассеивающего тела; \(/ - угол, образованный радиус - вектором г с осью Oz; переменные Э и а имеют смысл, указанный выше.

Векторные уравнения (1)-(3) приводятся к скалярному виду и определяется итерационная процедура нахождения интенсивностей Ф""(г,1//;0,сг) источников рассеянных фотонов Р'"\г,у/;в,а), где п соответствует кратности рассеянного излучения. Процедура начинается с подстановки в уравнение решения в однократном приближении (4-5).

В диссертации приводятся алгоритмы и численные схемы решения указанных уравнений.

Во второй главе диссертации оптические модели, созданные на базе теории переноса излучения в гетерофазной среде, применяются для анализа оптических характеристик сферических гетерофазных облаков. Продемонстрированы возможности разработанных моделей при расчете изображений сферических аэрозольных облаков. При этом получены изображения аэрозольных облаков различных конфигураций для оптически тонких и оптически плотных условий при различных углах наблюдения. Анализ этих изображений показывает, что для оптически тонких условий изображения облака не зависит от угла наблюдения, в то время как для оптически плотных условий изображения существенно зависят от угла наблюдения и являются симметричными только для углов наблюдения 0 и 180° (рис.2). Угол наблюдения А определяется как угол дополнительный к углу рассеяния, т.е. А=180 - у, где у - угол рассеяния фотона.

Рис.2. Изображения оптически плотных аэрозольных об. i а кон для различных распределений вещества и углов наблюдения.

Проведено сравнение расчетного изображения с экспериментальным изображением аэрозольного облака (рис.3). Сопоставление рассчитанных и экспериментальных изображений позволяет проводить качественный анализ характера распределения вещества внутри облака, а также оценить его оптическую толщину и угол наблюдения.

1'пс.З. Модельное п экспериментальное изображение аэрозольного облака и верхней атмосфере Земли.

Анализ изображений бариевых облаков, окруженных аэрозольной оболочкой, показывает, что указанная структура может выглядеть совершенно по-разному (ядро, оболочка, однородное распределение) в зависимости от угла наблюдения. Сравнение рассчитанных и экспериментальных изображений подтверждает эти выводы. Данный анализ может помочь как в планировании эксперимента по выпуску бариево-аэрозольных и других смесей, так и в изучении динамики и происходящих физических процессов.

На основе теоретической модели создана оптическая модель переноса излучения в бариевом облаке, получены интенсивности свечения бариевого облака в различных спектральных линиях. При этом показано, что наблюдаемая цветовая окраска определяется смешением цветов и может не совпадать с цветом основных эмиссионных линий нейтрального бария.

Расчеты результирующего цвета и чистоты цвета на основе колориметрической системы ХУ7, показывают, что цветовые характеристики и распределение цвета вдоль бариевого облака существенно зависят от оптической толщины бариевого облака и угла наблюдения (рис.4). Эти зависимости особенно выражены при больших значениях оптической толщины на начальной стадии развития облака.

Показано качественное согласие модельных расчетов распределения цвета вдоль изображений бариевых облаков с результатами наблюдений в экспериментах по проекту «СШ1Е8». Разработанная методика анализа цветовых характеристик бариевого облака может служить методической основой для интерпретации цветных изображений.

В третьей главе диссертации созданные на базе теории численные модели сферической гетерофазной атмосферы применяются для анализа переноса излучения в атмосфере Земли и для интерпретации наземных, ракетных и спутниковых оптических измерений.

Рис. 4. Распределение по облаку цветов от -R до R. з - зеленый, з-ж - зелено-желтый, ж-з - желто-зеленый, ж - желтый, ж-о - желто-оранжевый, к - красный; а) для Т553.5 =11,2 и различных углов наблюдения: 1 - 0°, 2 - 90°, 3 - 180°; б) для угла наблюдения 90° и различных оптических толщин: 1 - 1553,5 =1,4; 2 - Т553.5 =2.8; З-Т553.5 =5,6; 4-т55з.5 =11,2

При интерпретации наземных измерений яркости в сумеречных условиях некоторые исследователи предполагали, что полученные ими избыточные яркости, превышающие расчетные в однократном приближении, являются результатом отражения солнечного света от аэрозольных слоев в верхней атмосфере Земли. Однако, проведенные расчеты показывают, что указанная "избыточная" яркость является следствием вклада многократного рассеяния света. Моделирование показало, что основной вклад в многократное рассеяние в сумеречных условиях в видимой области спектра на длине волны 530 нм дают слои

атмосферы на высотах, меньших -20 км. При этом выявлено, что чем больше зенитный угол Солнца, тем больше вклад высоких порядков рассеяния на данной высоте. В то же время, при данном зенитном угле Солнца 7.-:ь вклад высоких порядков рассеяния увеличивается с уменьшением высоты (рис.5).

Анализ измерений на ракетах МР-12 яркостей в видимой области спектра показывает, что наиболее критичными оказываются погрешности определения ориентации оптических осей спектрорадиометров СР-184. Для их устранения был разработан метод вариации ориентации, который заключается в уточнении ориентации оптических осей спектрорадиометров СР-184 с использованием дополнительной информации, а именно, - симметрии приведенных к единичной воздушной массе яркостных сигналов. Моделирование яркостного сигнала в ракетных экспериментах совместно с применением указанного метода уточнения ориентации оптических осей спектрорадиометров позволяет определить верхнюю границу замутненности атмосферы в серии ракетных экспериментов, проведенных на 20° с.ш. в Атлантическом океане в сентябре 1976 г.

Моделирование показывает, что если в области мезопаузы существует аэрозольный слой, то его оптическая толщина не превышает-МО"5для случая логнормального распределения частиц по размерам со средним радиусом 0.3 мкм. Если аэрозольная оптическая толщина и больше указанной величины, то размер частиц в атмосфере существенно меньше, чем ~0.3 мкм.

Показано, что при интерпретации оптических измерений из космоса весьма информативными оказываются не только черно-белые, но и цветные изображения земной атмосферы. В частности, на основе анализа таких изображений продемонстрированы возможности разработанной модели для выявления космических индикаторов глобальных изменений аэрозольной компоненты.

порядок рассеяния

Рис. 5. Вклад различных порядков рассеяния п зенитную яркость неба для указанных высотных диапазонов: —•—0-5 км; —А—5-10 км; —о— 10-15 км; —х— 15-20 км. (а) 2л=96°; (Ь)2<=100°; (с) 2-7=104°;. (<1) 2->=106°.

Расчеты результирующего цвета и чистоты цвета Р на основе колориметрической системы XYZ показывают, что цветовые характеристики сумеречного ореола для условий наблюдения с космической станции "Союз-5" весьма чувствительны к присутствию аэрозольной компоненты. Это выражается в том, что в гамме цветов в случае присутствия аэрозольной компоненты оранжево-красные оттенки смещаются к горизонту и даже заходят за горизонт, а насыщенность цветов уменьшается. Однако главным индикатором здесь может служить пурпурное пятно вблизи горизонта па изображении сумеречного ореола, которое в присутствии аэрозоля существенно смещается под горизонт. В таблице 1 приведены расчеты для случая чистой атмосферы без аэрозоля, в то время как в таблице 2 расчеты сделаны для случая присутствия аэрозольной компоненты. Моделирование производилось при зенитном угле Солнца 105,9° , высоте полета 252,3 км и азимутальном угле визирования 6°. При такой геометрии сканирования видимый угол захода Солнца за горизонт8 составил 0°.

Анализ черно-белых изображений сумеречного ореола из космоса показывает, что основным признаком присутствия аэрозоля в атмосфере является характер изофот яркости на таких изображениях вблизи направления на Солнце. Изофоты яркостей для молекулярной атмосферы существенно более вытянуты вдоль поверхности Земли по сравнению с аэрозольной атмосферой, в то же время присутствие аэрозольной компоненты как бы стягивает изофоты к околосолнечной точке и они более приподняты над поверхностью Земли. Этот эффект является следствием того, что даже небольшое присутствие аэрозоля в атмосфере, существенно усиливает рассеяние света "вперед" - по направлению первичного распространения фотонов.

Таблица 1. Результаты вычислений цветовых характеристик

атмосферы без аэрозольной компонентой

Ь, км X У /., пга Р цвет'

-10 0.209 0.193 473 0.25 с

-8 0.215 0.204 475 0.23 с

-5 0.227 0.220 476 0.20 с

-3 0.242 0.238 477 0.17 с

-1 0.252 0.248 476 0.14 с

-0.5 0.355 0.286 - 0.10 п-к

0 0.459 0.324 613 0.37 К-0

1 0.504 0.339 609 0.55 К-0

2 0.508 0.352 605 0.62 К-0

3 0.507 0.365 599 0.65 о

5 0.504 0.373 594 0.70 о

7 0.501 0.378 593 0.70 О

10 0.403 0.399 579 0.53 ж

12 0.356 0.366 577 0.25 ж

15 0.286 0.317 488 0.08 с

20 0.203 0.199 476 0.27 с

25 0.186 0.158 473 0.30 с

30 0.191 0.164 471 0.27 с

35 0.199 0.175 471 0.25 с

40 0.216 0.205 475 0.25 с

45 0.251 0.262 479 0.15 с

50 0.258 0.258 479 0.14 с

Таблица 2. Результаты вычислений цветовых характерней

атмосферы с аэрозольной компонентой

Ь, км X У А., нм Р цвет'

-10 0.279 0.265 470 0.05 с-ф

-8 0.306 0.288 420 0.03 ф

-5 0.352 0.319 - 0.05 п-к

-3 0.384 0.337 600 0.23 О

-1 0.415 0.353 594 0.37 О

-0.5 0.423 0.356 594 0.40 О

0 0.430 0.359 593 0.45 О

1 0.437 0.370 589 0.47 О

2 0.444 0.380 589 0.57 О

3 0.449 0.390 586 0.60 о-ж

5 0.459 0.406 583 0.72 о-ж

7 0.410 0.391 582 .0.50 о-ж

10 0.330 0.346 560 0.09 ж-з

12 0.289 0.300 480 0.07 с

15 0.227 0.232 478 0.23 с

20 0.201 0.184 473 0.25 с

25 0.200 0.181 473 0.25 с

30 0.208 0.190 472 0.23 с

35 0.221 0.211 477 0.20 с

40 0.227 0.231 478 0.20 с

45 0.237 0.233 475 0.15 с

50 0.241 0.235 476 0.17 с

* к-красный, о-оранжевый, ж-желтый, з-зеленый, с-синий, ф -фиолетовый, п-пурпуршлй

В четвертой главе диссертации показано, что при изменении и перераспределении озонной составляющей, наряду с изменением потоков в видимой области спектра, происходит существенное изменение потоков в нижней стратосфере в УФ-области спектра. Это изменение может достигать нескольких порядков величины в области спектра 230-280 нм, однако абсолютные значения потоков в этой области спектра невелики. Показано, что присутствие аэрозольной составляющей атмосферы на высотах -12-18 км практически не влияет на потоки излучения в нижней стратосфере, в то время как присутствие аэрозольной составляющей на высотах 27,5-37,5 км может усилить потоки радиации в области спектра 300-315 нм в условиях сумерек в 2-3 раза. Рассмотренные выше эффекты могут складываться. Основной причиной усиления УФ-радиации как при изменении и перераспределении озона, так и при изменении аэрозольной составляющей, является увеличение потока рассеянной радиации вследствие изменения альбедо однократного рассеяния в верхних слоях атмосферы, куда еще проникает прямое солнечное излучение.

Проведено моделирование наземных измерений яркостей стандартным озонометром Добсона на двух длинах волн 311.4 нм и 332. 5 нм (пара С) при различных зенитных углах Солнца и различном составе атмосферы. При этом показано, что при аномально высоком содержании аэрозоля на высотах 22-37 км (мощные вулканические извержения, загрязнение выбросами ракетно-космической техники), сглаживается и исчезает эффект обращения в зависимости логарифма соответствующих яркостей от зенитного угла Солнца (Умкер эффект), Это означает невозможность корректного восстановления из измерений высотного профиля озона.

При моделировании радиационных потоков в полярной стратосфере обнаружен эффект подавления длинноволновой (красной) радиации полярными стратосферными и обычными облаками в сумеречных условиях, когда солнце находится неглубоко под видимым горизонтом. На рис.6

поясняется этот эффект. Как видно из этого рисунка, потоки рассеянного излучения, приходящие в стратосферу в сумеречных условиях из нижних слоев атмосферы (угол поворота линии визирования меньше 90°), сосредоточены в длинноволновой красной области спектра, тогда как коротковолновые потоки УФ излучения приходят из верхних слоев атмосферы (угол поворота линии визирования больше 90°). Расчеты показывают, что когда зенитный угол Солнца превышает 90°, появление полярных стратосферных и обычных облаков фактически перекрывает как прямой солнечный поток, так и рассеянный поток, идущий из нижних слоев атмосферы. В области "тени" над границей полярных стратосферных облаков, остаются только рассеянные коротковолновые потоки излучения. Таким образом, резко изменяется спектр излучения над поверхностью этих облаков, что приводит к изменению фотохимических реакций и соответствующему изменению в концентрации ряда атмосферных веществ. В частности показано, что это приводит к увеличению концентрации активного хлора в конце зимы или ранней весной над поверхностью полярных стратосферных облаков. Предложен новый механизм накопления активного хлора в полярной стратосфере Земли. Этот механизм заключается в накоплении хлора посредством перекачки менее устойчивого соединения СЮЫ02 в другое, более устойчивое N¡0^ с выделением СЮ. Проведен подробный анализ работы нового механизма, получены аналитические выражения его функционирования. При этом показано, что существуют условия резонансного функционирования данного механизма, при которых появляются области атмосферы с быстрым накоплением СЮ. Одним из условий такого функционирования является наличие низких температур в этих областях. Указанный эффект позволяет объяснить наличие небольших депрессий озона над поверхностью полярных стратосферных облаков в конце зимы или ранней весной, которые наблюдаются в некоторых экспериментах в полярных областях.

70 80 90 100 110 120 130

угол поворота

-600 пт

-500 пт

-400 пт

....... 350 пт

Рис.6. Зависимость интенсивности рассеянного солнечного излучения от угла поворота линии визирования для различных длин воли при зенитном угле Солнца 92 градуса на высоте 20 км для безоблачной атмосферы.

На защиту выносятся:

1) Оптические модели сферических гетерофазных сред, включая оптические модели сферической атмосферы Земли.

2) Результаты анализа переноса излучения в газо-аэрозольных искусственных образованиях: диагностика изображений аэрозольных облаков, анализ структуры бариево-аэрозольных образований в зависимости от направления визирования, "цветовая" диагностика искусственных образований, а также сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными.

3) Результаты анализа переноса излучения в сферической гетерофазной атмосфере: особенности интерпретации наземных, ракетных и спутниковых оптических измерений, включая исследование формирования зенитной яркости в сумерках, определение замутненности средней атмосферы Земли на ракетах МР-12, анализ индикаторов аэрозольной компоненты по черно-белым и цветным изображениям атмосферы из космоса.

4) Прикладные аспекты оптических моделей: влияние озона и аэрозоля на радиационные потоки в стратосфере, сумеречный эффект, влияние выбросов аэрозоля на эффект обращения при измерениях озона, механизм радиационного влияния полярных стратосферных облаков на накопление активного хлора в полярной стратосфере.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Беликов Ю.Е. Способ определения ориентации оптических спектрометров СР-184 и СР-185, устанавливаемых на ракетах МР-12 П Труды ИПГ. - М: Гидрометеоиздат, 1983, вып.61, с. 74-86.

2. Беликов Ю.Е. Методы коррекции и проверки ориентации прибора СР-184 // Труды ИПГ - М: Гидрометеоиздат, 1985, вып.65, с.46-56.

3. Беликов Ю.Е. Обработка и исследование спектральных индикатрис яркости рассеянного излучения верхней атмосферы // Труды ИПГ - М: Гидрометеоиздат, 1985, вып.65, с.56-83.

4. Беликов Ю.Е. Свечение вокруг метеоракет МР-12 // Оптика атмосферы и океана. - Томск: Институт Оптики Атмосферы СО РАН, 1990, т.З, N9, с.946-953.

5. Беликов Ю.Е., Николайшвили Ш.С. и Перадзе Р.К. Модель рассеяния солнечного света на искусственном сферическом газодисперсном облаке в верхней атмосфере Земли // Космические исследования. — М: Наука, 1993, вып.1, с.135-142.

6. Беликов Ю.Е., Гурвич A.B., Николайшвили Ш.С. Цветовая диагностика искусственных облаков в околоземном космическом пространстве // Космические исследования. — М: Наука, 1993, т.31, N I, с.108-114.

7. Миленсвский Г.П., Романовский Ю.А., Алпатов В.В., Беликов Ю.Е., Белоцерковский М.Б., Гурвич A.B., Грицай Э.И., Евтушевский A.M., Кравченко В.А., Николайшвили Ш.С., Платов Ю.В., Савченко В.А., Черноус С.А. Оптические наблюдения искусственных облаков в верхней атмосфере // Космические исследования. — М: Наука, 1993, т.31, N 1, с.41-53.

8. Belikov Yu.E., Gurvich A.V. Images of optically thick artificial aerosol clouds in the near-Earth Space // Adv. Space Res., 1995, v.15, N12, pp.103-106.

9. Belikov Yu.E., Gurvich A.V., Nicolaishvily S.Sh., Nicolaishvily Sh.S., Romanovsky Yu.A. Propagation of the solar radiation in the optical thick irregular medium // SP1E Proceedings, 1995, v.2580, p.l 15-126.

10. Belikov Yu.E., Gurvich A.Y. Influence of the multiple scattering radiation and aerosol component on the twilight atmosphere images from space // SPIE Proceedings, 1995, Vol. 2582, pp. 144-153.

11. Belikov Yu.E. Modelling of the twilight sky brightness using a numerical solution of the radiation transfer equation // J. of Atmospheric and Terrestrial Physics, 1996, vol.58, No.16, pp.1843-1848.

12. Petropavlovskikh, I., DeLuisi, J., Herman, B., Loughman, Bartia, P.K., Mateer, C.L., Lenoble, J., and Belikov, Yu.E. A comparison of radiance calculations by spherical atmosphere radiation transfer codes for modelling the Umkehr effect // Proc. of the XVIII Quadrennial Ozone Symposium, L'Aquila, Italy, p.163-166, 1996.

13. Belikov Yu.E., Romanovsky Yu.A., Nikolaishvili Sh.S., Peradze R. Numerical model of scattering radiation in the earth atmosphere for scientific investigations and applications // Phys. Chem. Earth (B), 2000, No. 5-6, pp. 427-430.

14. Belikov Yu.E., Nikolaishvili Sh.S., Romanovsky Yu.A. A model of scattered radiation field in the Earth // Abstracts of The International Radiation Symposium IRS 2000: Current Problems in Atmospheric Radiation. Saint-Petersburg State University, St. Petersburg, Russia, July 24-29, 2000, pp.76-77.

15. Belikov Yu.E. Dependence of Solar Radiation in the Polar Stratosphere on the Distribution of Ozone and Stratospheric Aerosol // J. Physics and Chemistry of the Earth, part B, 2000, v.25, No. 5-6, 423-426.

Содержание диссертации, доктора физико-математических наук, Беликов, Юрий Евгеньевич

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Математические основы моделирования процессов переноса излучения в гетерофазных средах

1.1. Математическая модель переноса излучения в сферической гетерофазной среде

1.1.1. Постановка задачи и исходное интегральное уравнение

1.1.2. Геометрия задачи

1.1.3. Расчет сечений взаимодействия

1.1.4. Расчет оптических путей

1.1.5. Интегрирование уравнения переноса излучения вдоль фиксированного луча

1.1.6. Расчет однократно рассеянной составляющей

1.1.7. Расчет интеграла рассеяния

1.2. Верификация модели и анализ точности модели Сравнение алгоритмов решения уравнения переноса излучения

1.2.1. Оптические модели атмосферы

1.2.2. Результаты в УФ области спектра

1.2.3. Результаты в видимой области спектра

1.2.4. Результаты сравнения

1.2.5. Выводы

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Оптические модели сферических гетерофазных сред в прикладной геофизике"

2.3.2. Модельные расчеты 79

2.3.3. Сопоставление модельных расчетов с экспериментом 88

2.3.4. Выводы. 92 2.4. Заключение по главе 93

Глава 3. Моделирование переноса излучения в сферической гетерофазной атмосфере, расчеты полей излучения 95

3.1. Особенности интерпретации наземных оптических измерений 95

3.2. Особенности интерпретации ракетных оптических измерений 106

3.3. Особенности интерпретации оптических измерений из космоса 126

3.4. Заключение по главе 137

Глава 4. Прикладные аспекты оптических моделей 140

4.1. Влияние распределения озона и аэрозоля на радиационные потоки в стратосфере. Сумеречный эффект 140

4.2. Оценка эффекта обращения при исследовании озонового слоя 153

4.3. Оценка радиационного влияния полярных f стратосферных облаков и крупномасштабных выбросов на накопление активного хлора в полярной стратосфере 160

4.3.1. Механизм влияния полярных стратосферных облаков и крупномасштабных выбросов на накопление активного хлора в полярной стратосфере 160

4.3.2. Аналитическое решение и его анализ 168

4.3.3. Численные эксперименты 178

4.3.4. Выводы 186

4.4. Заключение по главе 188

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

191

192

1. Введение.

Оптические модели сферических гетерофазных сред основаны на решении уравнения переноса излучения. Решением уравнения переноса излучения занималось огромное количество исследователей, как в России, так и за рубежом. Написано множество монографий, в том числе и по переносу излучения в атмосферах планет (см., например, [1-3]). Поэтому охватить в полной мере эту тему во вводной части диссертационной работы не представляется возможным. Автор и не ставил такой задачи, а сосредоточился в основном только на тех аспектах проблемы, которые связаны с решением поставленных задач и особенностями разработанного подхода решения уравнения переноса излучения. Одним из классов задач, с которым столкнулся автор, это задачи интерпретации экспериментов при наблюдении искусственных образований в верхней атмосфере и околоземном космическом пространстве. В этих экспериментах в околоземное космическое пространство инжектировались различные вещества, например, аэрозоль или пары бария. При этом наблюдались различные формы искусственных образований и самые разнообразные, а порой загадочные световые эффекты. Например, облако паров бария имело желтый оттенок и наблюдалось на нем белое пятно, хотя известно, что основная линия излучения паров бария является зеленой. В ракетных экспериментах по выпуску паров бария наблюдалась очень интересная динамика разлета компонентов: от быстро возникающих при выбросах сферических образований отделялись быстро расширяющиеся полусферы, исчезающие в околоземном космическом пространстве. Причем эти полусферы наблюдались только с самолета при наблюдении почти против солнца, тогда как с других наземных точек наблюдения были видны только более стационарные сферические образования. Как выяснилось позднее, более стационарные образования - это пары бария и окиси бария, которые быстро тормозятся на высотах выпуска (~150 км) молекулами окружающей среды, в то время как быстро отлетающие полусферы - это аэрозольные частицы, которые слабо тормозятся окружающей средой. Эти эксперименты показали, что результаты наблюдений существенно зависят от выбираемой точки наблюдения, а дальнейшее моделирование ситуации показало, что вообще при различных направлениях визирования могут наблюдаться различные формы искусственных образований. Упомянутые выше эксперименты будут подробно обсуждаться и анализироваться в данной работе.

Как уже говорилось, решение уравнения переноса излучения это та область знаний, где существует огромное количество наработок и казалось бы, что просто надо выбрать необходимую и применить ее. Однако, в действительности дело обстоит несколько сложнее. Поэтому кратко рассмотрим историю этого вопроса.

Напомним, что теория переноса излучения начала развиваться в астрофизике при исследовании переноса излучения в атмосферах звезд и планет. Первые работы, опубликованные в основном в начале прошлого века, связаны с именами К.Швардшильда, А.Шустера, Э.Милна, А.Эдцингтона, О.Д.Хвольстона. Были разработаны основы теории, в которой получено интегральное уравнение, а также исследованы некоторые предельные (асимптотические) случаи. Наиболее значительные работы в теории переноса излучения сделаны В.А. Амбарцумяном [4], С.Чандросекаром [5] и В.В. Соболевым [6]. Однако в большинстве этих работ рассматривается плоско-параллельная рассеивающая среда. Более того, классические задачи, имеющие аналитическое решение, рассматривают полубесконечную среду и изотропное рассеяние (например, задача Милна). Эти упрощения позволяют получить красивые аналитические решения, в частности, представить решение уравнения переноса излучения в виде специальных функций Амбарцумяна [4] или более общих функций Чандрасекара [5]. Эти решения крайне важны для понимания сути проблемы и пригодны для оценки поля излучения в ряде задач. Такую же роль играют и асимптотические решения, полученные либо для очень малых оптических толщин, либо для очень больших. Однако в реальных задачах, как правило, рассеивающие (поглощающие) среды обладают конечной оптической толщиной. Кроме того, эти среды, как правило, неоднородны и рассеивают анизотропно. Если учесть, что в общем случае среда необязательно является плоско-параллельным образованием, то становится понятным, что получить решение уравнения переноса для общего случая - это сложнейшая задача. Поэтому автор диссертации прежде всего ориентировался на тот класс задач, которые ему предстояло решать. Как упоминалось ранее, это, прежде всего, задачи анализа поля яркости искусственных образований, которые во многих случаях обладают сферической симметрией. Кроме того, атмосфера Земли, в которой производятся геофизические эксперименты, сама с большой точностью является сферическим образованием. Т.е. основным классом задач является нахождение поля излучения сферических образований. Сферической геометрией занимался ряд авторов, однако в основном она прилагалась для сферической атмосферы. Так в работе И.Н. Минина [1] анализируются общие уравнения для сферической атмосферы, а в работах О.И. Смоктия [7,8] получены близкие к аналитическим уравнения для однородной сферической атмосферы. В то же время, сферические образования в общем случае не являются однородными. Например, это может быть бариевое облако, окруженное аэрозольной оболочкой или земная атмосфера, включающая озонный и аэрозольные слои. Таким образом, необходимо рассматривать сферические гетерофазные среды, т.е. среды, состоящие в общем случае из веществ в различном фазовом состоянии, например, воздуха и твердых или жидких аэрозольных частиц.

Существуют две большие группы методов решения уравнения переноса излучения - численное интегрирование уравнения переноса [9-15] и метод Монте-Карло [16-20]. С помощью численных методов хорошо решаются уравнения переноса излучения в средах, обладающих какой-либо симметрией (сферической, цилиндрической и др.). Именно этот метод мы будем использовать для решения поставленных задач. Метод Монте-Карло также позволяет решать данную задачу, однако он обладает тем недостатком, что точность этого метода зависит от числа разыграеваемых ситуаций и в ряде случаев для получения необходимой точности требуется большое количество машинного времени.

Актуальность проблемы.

Одним из методов исследования процессов, протекающих в атмосфере Земли, является инжекция различных веществ в околоземное космическое пространство с помощью спутников и ракет. При этом во многих экспериментах образуются искусственные гетерофазные образования, близкие по форме к сферическим. Поэтому создание оптических моделей сферических гетерофазных сред является необходимым инструментом для анализа и интерпретации такого рода экспериментов.

Важным обстоятельством является то, что сама атмосфера Земли с большой точностью является сферическим гетерофазным образованием, учитывая, что в ней могут находиться вещества в разном фазовом состоянии (например, аэрозоли в жидком или твердом состоянии или поглощающие излучение газы - озон и др.). Создание сферических моделей атмосферы Земли, которые являются частным (но важным) случаем оптических моделей гетерофазных сред, существенно расширяет тот класс задач, к которым могут применяться указанные модели. В частности, рассмотренные выше, а также многие другие эксперименты, происходят в атмосфере Земли или наблюдения ведутся через атмосферу Земли, поэтому создание оптических моделей атмосферы может помочь учесть влияние атмосферы на результаты этих экспериментов.

Кроме этого, существует целый комплекс проблем в прикладных науках (геофизике, метеорологии, климатологии, атмосферной оптике и др.), где задача переноса излучения является неотъемлемой частью решения этих проблем. В ряде случаев без решения указанной задачи невозможно планирование геофизических экспериментов. Такие актуальные проблемы современности как возникновение озоновых "дыр" или изменение климата на нашей планете, невозможны без анализа переноса излучения, без радиационного блока.

Совокупность перечисленных проблем определяет актуальность данной диссертации.

Цель работы.

Целью диссертационной работы является создание оптических моделей сферических гетерофазных сред, включая оптические модели сферической гетерофазной атмосферы Земли, для решения широкого круга задач атмосферной оптики и геофизики, в которые входят:

- задачи, связанные с анализом и интерпретацией оптической информации в спутниковых и ракетных экспериментах, сопровождаемых инжекцией различных веществ в верхнюю атмосферу или околоземную среду;

- задачи, связанные с интерпретацией наземных, ракетных и спутниковых оптических измерений;

- задачи, связанные с актуальными проблемами геофизики: анализ депрессий озонового слоя, влияние перераспределения озона и выбросов аэрозоля на потоки излучения в различных областях спектра, включая коротковолновую УФ область;

- методические вопросы, связанные с корректностью оптических измерений, а также с планированием оптических экспериментов.

Научная новизна.

1. Разработаны оригинальные численные модели переноса излучения в сферических гетерофазных средах, включая модели сферической гетерофазной атмосферы Земли.

2. Впервые получен широкий набор изображений аэрозольных облаков различных конфигураций для оптически тонких и оптически плотных условий при различных углах наблюдения. Сопоставление этих изображений с наблюдаемыми изображениями аэрозольных облаков позволяет делать оценку оптической толщины аэрозольного облака и проводить качественный анализ распределения вещества внутри облака.

3. Впервые показано, что такое образование, как бариевое облако, окруженное аэрозольной оболочкой, может наблюдаться в виде различных структур в зависимости от угла наблюдения. Данный анализ призван помочь в планировании экспериментов по наблюдению искусственных образований.

4. Впервые разработана методика анализа цветов искусственных бариевых облаков в верхней атмосфере. Данная методика позволяет весьма эффективно оценивать оптическую толщину бариевого облака, а также судить о некоторых физических процессах внутри облака.

5. Впервые на основе детального исследования формирования яркости в видимой области спектра при измерениях с поверхности Земли в сумеречных условиях показано происхождение "избыточной" по сравнению с однократным приближением измеряемой яркости. Эта "избыточная" яркость ранее приписывалась рассеянию света на аэрозольных слоях в верхней атмосфере Земли.

6. Впервые разработан так называемый метод вариации ориентации применительно к ракетным исследованиям атмосферы, который позволяет совместно с разработанной оптической моделью оценивать оптические характеристики средней атмосферы.

7. Впервые показано, что при наблюдении из космоса индикатором присутствия аэрозоля в атмосфере может служить пурпурное пятно вблизи горизонта на цветном изображении сумеречного ореола. В присутствии аэрозоля это пятно существенно смещается под горизонт. Другим чувствительным индикатором является характер изофот яркости на изображениях ореола вблизи направления на Солнце. Изофоты яркостей для молекулярной атмосферы существенно более вытянуты вдоль поверхности Земли по сравнению с аэрозольной атмосферой, в то время как присутствие аэрозольной компоненты как бы стягивает изофоты к околосолнечной точке и они более приподняты над поверхностью.

8. Впервые показано, что присутствие аэрозольной составляющей на высотах 27,5-37,5 км может усилить потоки радиации в нижней стратосфере в области спектра 300-315 нм в 2-3 раза.

9. Впервые показано, что при аномально высоком содержании аэрозоля на высотах 22-37 км сглаживается и исчезает эффект обращения в зависимости логарифма соответствующих яркостей от зенитного угла Солнца (Умкер эффект), что означает невозможность корректного восстановления из измерений высотного профиля озона.

10. Впервые обнаружены эффекты подавления длинноволновой (красной) радиации полярными стратосферными облаками в сумеречных условиях, и, как результат, накопление активного хлора в полярной сумеречной атмосфере над полярными стратосферными облаками. Практическая значимость.

Разработанные численные модели переноса излучения для сферических гетерофазных сред несомненно представляют практическую ценность для решения целого ряда научных и прикладных задач. В диссертационной работе продемонстрированы возможности моделей, решен целый ряд актуальных научных и прикладных задач, а именно:

- задачи, связанные с анализом оптических измерений при наблюдении искусственных образований в атмосфере Земли;

- задачи анализа и интерпретации наземных, ракетных и спутниковых экспериментов;

-задачи, связанные с методикой измерений озона, с влиянием распределения аэрозоля и озона на потоки излучения в стратосфере;

- задачи, связанные с механизмами возникновения депрессии озона полярной весной, и ряд других задач.

Внедрение численных оптических моделей сферических гетерофазных сред в практику несомненно будет способствовать более эффективному решению целого ряда актуальных научных и прикладных задач, связанных с атмосферными исследованиями. Этими задачами могут быть: мониторинг окружающей среды, анализ оптической информации со спутников и ракет, проблема озоновых "дыр", методические вопросы, связанные с корректностью оптических измерений, проблема загрязнения и фотохимия атмосферы, изменения климата и др.

Научные публикации и апробация работы

По результатам диссертации опубликовано 37 работ.

Основные результаты работы докладывались на следующих симпозиумах и конференциях:

The 19 Annual European Meeting on Atmospheric Stadies by Optical Method, Kiruna, Sweden, August 10-14, 1992; The 20 Annual European Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods, Apatity, 1993; Российская аэрозольная конференция, Москва, 18-22 октября, 1993 г.; Совещание "Математические модели ближнего космоса", Москва, 1993; 30th COSPAR Sci.Ass., Hamburg, Germany, 11-21 July, 1994; The 21 Annual European Meeting on Atmospheric Studies by optical methods, London, UCL, 1994;

The European Sympos. on Satellite remote sensing, 26-30 Sept., 1994, Rome, Italy; The European Sympos. on Satellite remote sensing, 27-28 Sept., 1995, Paris, France; The Quadrennial Ozone Symposium, L'Aquila, Italy, 1996; The Quadrennial Ozone Symposium , Hokkaido University, Sapporo, Japan 3-8 July, 2000; The International Radiation Symposium IRS 2000: Current Problems in Atmospheric Radiation. Saint-Petersburg State University, St. Petersburg, Russia, July 24-29, 2000; 15 ESA Symposium on European Rocket and Balloon Programmes and Related Research, European Space Agency, 2001; The 29 Annual European Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods, Leibniz-Institute of Atmospheric Physics, Germany, Kuhlungsborn, 2002.

Личный вклад

В диссертационной работе представлены результаты, которые автор получил либо самостоятельно, либо его вклад был, по крайней мере, важным на всех этапах исследований от постановки задачи до анализа и моделирования. Значительная часть результатов по созданию оптических моделей получена в соавторстве с Ш.С. Николайшвили и сотрудниками руководимого им отдела Института Прикладной Математики Тбилисского Государственного Университета. Ряд важных результатов по анализу экспериментов в околоземном космическом пространстве получены в соавторстве с сотрудниками Института Прикладной Геофизики Ю.А. Романовским и А.В.Гурвичем. Некоторые результаты в прикладных задачах получены вместе с сотрудником Института Физики Атмосферы РАН К.Б. Моисеенко.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения и списка литературы. В ней содержится 209 стр. основного текста, 56 рисунков, 10 таблиц и список литературы из 163 наименований.

Заключение Диссертация по теме "Физика атмосферы и гидросферы", Беликов, Юрий Евгеньевич

4.3.4. Выводы.

Предложен новый механизм накопления активного хлора в полярной стратосфере Земли.

Новый механизм заключается в накоплении хлора посредством перекачки менее устойчивого соединения CIONO2 в другое, более устойчивое, N2O5 с выделением СЮ.

Проведен подробный анализ работы нового механизма, получены аналитические выражения его функционирования. При этом показано, что существуют условия резонансного функционирования данного механизма, при которых появляются области атмосферы с высокой денитрификацией и быстрым накоплением СЮ. Одним из условий такого функционирования является наличие низких температур в этих областях.

Эти условия определяются также совокупностью факторов, основными из которых являются наличие и оптическая толщина аэрозольных слоев (ПСО, выбросов вулканов, выбросов ракетно-космической техники), количество озона, а также начальные (ночные) концентрации резервуаров.

Особыми областями в сумеречных условиях при небольших углах захода Солнца за горизонт являются область высот ~25-28 км над более низкими аэрозольными слоями и область высот ~ 10-20 км под аэрозольными слоями, когда Солнце находится над горизонтом. Причем эффект денитрификации в последнем случае сильно увеличивается с возрастанием оптической толщины аэрозольных слоев.

Проведены оценки величины накопления СЮ с помощью рассматриваемого механизма, которые показывают, что в обычных условиях эффект небольшой, однако, при наличии условий, близких к резонансным, о эффект накопления может сильно возрастать и достигать уровня ~(1-4)-10 молекул СЮ на высотах ~20-27 км.

4.4. Заключение по главе.

В данной главе оптическая модель переноса излучения применяется для анализа различных прикладных задач, таких как влияние распределения озона и аэрозоля на радиационные потоки в стратосфере и связанные с этим методические вопросы измерения озона. Кроме этого, исследуется радиационное влияние полярных стратосферных облаков и крупномасштабных выбросов на накопление активного хлора в полярной стратосфере. При этом получены следующие результаты:

1. Показано, что при изменении и перераспределении озонной составляющей наряду с изменением потоков в видимой области спектра, происходит существенное изменение потоков в нижней стратосфере в УФ-области спектра, которое может достигать нескольких порядков величины в области спектра 230-280 нм, однако абсолютные значения потоков в этой области спектра невелики.

2. Показано, что присутствие аэрозольной составляющей атмосферы на высотах -12-18 км практически не влияет на потоки излучения в нижней стратосфере, в то же время как присутствие аэрозольной составляющей на высотах 27,5-37,5 км может усилить потоки радиации в области спектра 300-315 нм в условиях сумерек в 2-3 раза.

3. Рассмотренные выше эффекты могут складываться. Основной причиной усиления УФ-радиации как при изменении и перераспределении озона, так и при изменении аэрозольной составляющей, является увеличение потока рассеянной радиации вследствие изменения альбедо однократного рассеяния в верхних слоях атмосферы, куда еще проникает прямое солнечное излучение.

4. Проведено моделирование наземных измерений яркостей стандартными озонометрами Добсона и Брюера на двух длинах волн 311.4 нм и 332. 5 нм (пара С) при различных зенитных углах Солнца и различном составе атмосферы. При этом показано, что при аномально высоком содержании аэрозоля на высотах 22-37 км (мощные вулканические извержения, загрязнение выбросами ракетно-космической техники) сглаживается и исчезает эффект обращения в зависимости логарифма соответствующих яркостей от зенитного угла Солнца (Умкер эффект). Это означает невозможность корректного восстановления из измерений высотного профиля озона.

5. При моделировании радиационных потоков в полярной стратосфере обнаружен эффект подавления длинноволновой (красной) радиации полярными стратосферными облаками в сумеречных условиях. При появлении полярных стратосферных облаков резко изменяется указанным образом спектр рассеянного излучения над поверхностью этих облаков, что приводит к изменению фотохимических реакций и соответствующему изменению в концентрации ряда атмосферных веществ. В частности показано увеличение концентрации активного хлора во время полярной весны над поверхностью полярных стратосферных облаков.

6. Предложен новый механизм накопления активного хлора в полярной стратосфере Земли. Новый механизм заключается в накоплении хлора посредством перекачки менее устойчивого соединения CIONO2 в другое, более устойчивое, N2Os с выделением СЮ. Проведен подробный анализ работы нового механизма, получены аналитические выражения его функционирования. При этом показано, что существуют условия резонансного функционирования данного механизма, при которых появляются области атмосферы с быстрым накоплением СЮ. Одним из условий такого функционирования является наличие низких температур в этих областях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На защиту выносятся:

1) Оптические модели сферических гетерофазных сред, включая оптические модели сферической атмосферы Земли.

2) Результаты анализа переноса излучения в газо-аэрозольных искусственных образованиях: диагностика изображений аэрозольных облаков, анализ структуры бариево-аэрозольных образований в зависимости от направления визирования, "цветовая" диагностика искусственных образований, а также сравнения результатов моделирования с экспериментальными данными.

3) Результаты анализа переноса излучения в сферической гетерофазной атмосфере: особенности интерпретации наземных, ракетных и спутниковых оптических измерений, включая исследование формирования зенитной яркости в сумерках, определение замутненности средней атмосферы Земли на ракетах МР-12, анализ индикаторов аэрозольной компоненты по черно-белым и цветным изображениям атмосферы из космоса.

4) Прикладные аспекты оптических моделей: влияние озона и аэрозоля на радиационные потоки в стратосфере, сумеречный эффект, влияние выбросов аэрозоля на эффект обращения при измерениях озона, механизм радиационного влияния полярных стратосферных облаков на накопление активного хлора в полярной стратосфере.

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора физико-математических наук, Беликов, Юрий Евгеньевич, Москва

1. Минин И.Н. Теория переноса излучения в атмосферах планет. М: Наука. Гл. ред. физ.-мат.лит., 1988. - 264 с.

2. Иванов В.В. Перенос излучения и спектры небесных тел. М.: Наука, 1969.-472 с.

3. Соболев В.В. Рассеяние света в атмосферах планет. М.: Наука, 1972,- 335 с.

4. Амбарцумян В.А. Научные труды, т.1. Ереван: Изд-во АН АрмССР, 1960. - 428 с.

5. Чандрасекар С. Перенос лучистой энергии. М.: Изд-во Иностр. литер., 1953,- 432 с.

6. Соболев В.В. Перенос лучистой энергии в атмосферах звезд и планет. М.: Гостехиздат, 1956. -391 с.

7. Смоктий О.И. Рассеяние света в аэрозольной сферической атмосфере // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. М: Наука, 1969, т.5, N 1, с.46-61.

8. Кондратьев К.Я., Марчук Г.И., Бузников А.А., Минин И.Н., Михайлов Г.А., Назаралиев М.А., Орлов В.М., Смоктий О.И. Поле излучения сферической атмосферы. Л., Изд-во Ленинградского ун-та, 1977. 215 с.

9. Stamnes К., Tsay S.C., Wiscombe W., Jayaweera К. Numericaly stable algorithm for discrete-ordinat-method radiative transfer in multiple scattering and emitting layered media // Appl. Opt., 1988, v.27, p.2502

10. Dahlback A. and Stamnes K. A new spherical model for computing the radiation field available for photolysis and heating at twilight // Planet. Space Sci.39, 1991, pp. 671-683

11. Herman В. M., Ben-David A. and Thome K.J. Numerical technique for solving the radiative transfer equation for a spherical shell atmosphere // Appl.

12. Opt. 33, 1994, pp.1760-1770.

13. Rozanov VV, Diebel D, SpurrRJD, Burrows JP. GOMETRAN: A radiative transfer model for the satellite project GOME, the plane parallel version//J. Geophys. Res. 1997, 102, pp. 16683-16695.

14. Метод Монте-Карло в атмосферной оптике / Под ред. Марчука.-Новосибирск: Наука, 1976. 283 с.

15. Marchuk, GI, Mikhailov GA, Nazaraliev MN, et al. The Monte Carlo method in atmospheric optics. Berlin- Heidelberg-New York: Springer Verlag, 1980.

16. Postylyakov O.V. Linearized vector radiative transfer model MCC-H-for spherical atmosphere // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 2004, v.88,1-3, pp.297-317.

17. Postylyakov O.V. Radiative transfer model MCC++ with evaluation of weighting functions in spherical atmosphere for use in retrieval algorithms // Adv. Space Res., 2004, v.34,4, pp.721-726.

18. Постыляков O.B. Модель переноса радиации в сферической атмосфере с расчетом послойных воздушных масс и некоторые ее