Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Восстановление концентраций мезосферного озона и атомарного кислорода по данным спутниковых лимбовых наблюдений яркости атмосферы

ВАК РФ 04.00.22, Геофизика

Автореферат диссертации по теме "Восстановление концентраций мезосферного озона и атомарного кислорода по данным спутниковых лимбовых наблюдений яркости атмосферы"

РГ6 0

тОЦ РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК I ) ' ИНСТИТУТ ФИЗИКИ АТМОСФЕРЫ

На правах рукописи

Шмаков Андрей Владиславович

ВОССТАНОВЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИЙ МЕ30СФЕРН0Г0 ОЗОНА И АТОМАРНОГО КИСЛОРОДА ПО ДАННЫМ СПУТНИКОВЫХ ЛММБОРЧХ НАБЛЮДЕНИЙ ЯРКОСТИ

АТМОСФЕРЫ.

Специальность 04.00.22 - Геофизика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание научной степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель -доктор физико-математических наук Гречко Георгий Михайлович

Москва - 1994

Работа выполнена в Институте физики атмосферы РАН Научный руководитель - доктор физико-математических наук

Г.М.Гречко.

Официальные оппоненты - доктор физико-математических наук

Н.Ф.Еланский, кандидат физико-математических на! Г.И.Кузнецов. Головная организация - Центральная Аэрологическая

Обсерватория

Защита диссертации состоится мг^^гщ

19£

часов на заседании Специализированного Совета К 003.18.01 Института физики атмосферы РАН (109017, Мо Ж-17, Пыжевский пер., д.З).

Автореферат разослан _1994 г.

С диссертаицией можно ознакомиться в библиотеке Инсти физики атмосферы РАН.

Ученый секретарь Специализированного совета ИФА РАН

кандидат географических наук Л.Д.Краснокут

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Настоящая работа посвящена разработ-э методики восстановления озона и атомарного кислорода в взосфере, обработке большого количества данных, полученных элерадиометром "Фаза" с борта орбитального комплекса "Са-ют-7/Космос-1686", и построению широтных разрезов распреде-зния концентраций этих компонент.

Область высот от 40 до 100 км в настоящее время являет-а наименее исследованной частью верхней атмосферы. В то же эемя совокупность процессов, протекающих в ней, в достаточ-з большой степени контролирует состояние лежащих ниже слоев гмосферы, и именно в средней атмосфере следует искать решете нескольких проблем аэрономии, таких, как судьба озонного ноя, связь солнечной активности и погоды и т.д.

Одним из многочисленных составляющих средней атмосферы зляется озон - единственная компонента, способная эффектив-) поглощать ультрафиолетовое излучение в области 250 - 300 1, предохраняя растения и животный мир от опасной радиации, шгодаря этому вопрос о стабильности озонного слоя является пкным в изучении средней атмосферы, особенно стратосферы, [е расположена основная его часть и происходит довольно ак-[вное разрушение, возможно связанное со все возрастающим [тропогенным воздействием. В связи с этим с конца 70-х го-

дов началось бурное изучение средней атмосферы и создание международной Программы средней атмосферы.

В то же время знание распределения озона в мезосфере необходимо для решения таких задач как изучение атмосферной циркуляции, фотохимических процесов, радиационного баланса. Все это убедительно показывает необходимость постоянного мониторинга озона, изучение его динамики и временных изменений. И если стратосферному озону уделяется большое внимание, то мезосферный озон в глобальном масштабе изучен в меньшей степени. В связи с этим, в данной работе предлагается методика получения высотной и широтной зависимости мезосферного озона в диапазоне высот 45- 90 км.

Цель работы. Целью настоящей работы является создание алгоритма восстановления концентрации озона в мезосфере с учетом переноса излучения в линиях и построение широтных разрезов малых газовых составляющих 03 и О в мезосфере.

Были решены следующие задачи:

1) Разработка методики восстановления концентрации 02(1Д^) по данным высотной зависимости свечения 02 в полосе 1.27 мкм.

2) Исследование и выбор замкнутой системы фотохимических уравнений, позволяющих получить из высотного хода концентрации 02(1Д^) высотный ход концентраций 03 и 0.

3) Обработка большого количества данных лимбового зондирования высотного хода яркости атмосферы из космоса и

строение широтных разрезов концентраций малых газовых сос-злящих 03 и 0 в мезосфере за октябрь и ноябрь 1985 г.

Научная новизна и основные результаты работы состоят в ) дующем:

Разработана методика восстановления концентрации О (1А )

2 в

основе решения обратной задачи рассеяния с учетом перено-излучения в линии; получены формулы для перехода к описа-) переноса излучения в полосе и учета спектрального конту-прибора.

Исследован, по возможности, наиболее полный круг фотохи-'.еских реакций и других механизмов образования и потери 1А^) в мезосфере; выбраны II реакций, которые образуют кнутуго систему для описания изменения концентрации 1Д^) в этом диапазоне высот.

Обработано большое количество данных, полученных телера-метром "Фаза" и построены широтные разрезы распределения высоте озона и атомарного кислорода за октябрь и ноябрь 5 года; проведен анализ ошибок, возникающих в данной рае и показано, что предложенная методика является работо-собной, и в диапазоне высот 45-75 км ошибка не превышает %.

Практическая значимость. Построенный алгоритм решения обратной задачи может приме-ься и для восстановления других газовых составляющих ат-5еры, находящихся в условиях сходных с теми условиями, в

которых находится возбужденный кислород 02(1Ag), а также для дальнейшей обработки уже имеющихся массивов данных, полученных телерадиометром "Фаза".

2) Полученные широтные профили могут быть использованы для составления моделей распределения озона и атомарного кислорода и для наблюдения глобальных сезонных и широтных изменений.

Апробация результатов. Основные результаты диссертаций опубликованы в 4 печатных работах, а также докладывались v обсуадались: на Всесоюзной конференции "Использование спутниковой информации в исследовании океана и атмосферы (Звенигород, 1989), на Международном симпозиуме по средней атмосфере (International Symposium on Mlddle Atmosphere Science Kyoto, Japan, 1992), на Международном радиационном симпозиуме (International Radiation Symposium Tallinn, Estonla, 1992), на семинарах в Институте Астрофизики и Физики Атмосферы Эстонской Академии Наук и семинарах Отдела распространения волн в атмосфере Института физики атмосферы РАН.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Она содержит 106 страниц машинописного текста, включая список литературы из 72 наименований, 17 рисунков и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении обосновывается актуальность темы диссерта-, сформулирована цель работы и перечислены основные этапы недования, кратко излагаются полученные результаты.

В первой главе описываются способы и методы наблюдения 1а в мезосфере, включающие в себя наземные, ракетные и гниковые.

В § 1.1 описаны наземная методика наблюдения, которая гатся наиболее простой и дешевой и состоит в использова-сумеречного метода, заключающегося в наблюдении рассеян-радиации в полосе Шаппюи, и микроволнового метода, осно-зющегося на измерении резонансных линий вращательного стра озона в миллиметровом диапазоне длин волн. Ошибка в с методах накапливается с ростом высоты, что является од-из их недостатков.

В § 1.2 дается описание ракетных методов, которые можно эазделить на группу контактных методов, когда хемилюми-дентный датчик измеряет озон с помощью специального ве-рва, которое реагирует с ним в пробах воздуха, берущихся юянно во время полета на парашюте, и не контактных, ког-юмеряется ослабленное атмосферой УФ излучение Солнца или >тный профиль свечения возбужденного кислорода 02(1Ав).

Хемилкминесцентный метод является наиболее точным и не-гсимым от погоды и времени суток, но он довольно дорог

при применении для массовых наблюдений.

УФ метод является наиболее распространенным для наблк дения высотного распределения концентрации озона. При это может наблюдаться не только Солнце, но и Луна, и таким обра зом этот метод может быть использован и для измерений в тем ное время суток.

Последний метод основан на измерении свечения 02(1Де> является, в отличие от предыдущих, не прямым для получени концентрации озона, так как в начале восстанавливается кон центрация 02(1Д^), а только потом, с помощью фотохимически уравнений, концентрации 03. Математический аппарат этого ме тода довольно прост, так как , во-первых, наблюдения произ водятся либо в зенит, либо под малыш зенитными углами и во-вторых, оптическая толщина атмосферы в полосе 1.27 мкм на которой происходит эмиссия 02(1Дв>, довольно мала. К не достаткам метода можно отнести его довольно жесткие ограни чения на зенитный угол Солнца и зависимость точности экспе римента от точности коэффициентов реакций, которые определи ют фотохимическую модель для получения концентрации 03 и концентрации 02(1Дв).

В § 1.3 приведено описание спутниковых методов, которы в основном основываются на тех же принципах, что и ракетные но позволяют получить гораздо больший объем информации.

Например в эксперименте БВТЛ/ измерения проводились надир в диапазоне 240-306 нм для получения высотного распре

деления концентрации озона и в диапазоне 310-340 нм для измерения общего содержания. Метод основан на том, что рассеяние для разных длин волн происходит в разных высотных диапазонах.

В таких экспериментах как LIMS и SAGE измерения проводились в видимом и инфракрасном диапазонах, причем в случае LIMS измерялось свечение на лимбе планеты, что позволяло получать данные и днем и ночью, а в случае SAGE измерения про-зодились во время восходов и заходов Солнца. Но эти методы ie дают возможности получить концентрацию озона на высотах 5олее 60 км.

В эксперименте SME, основанном на измерении эмиссии юзбужденного кислорода на лимбе планеты, восстановление сонцентрации озона происходит до высот 90 км, чего не удава-юсь получить ни одним из перечисленных методов. Однако в юответствуюцих работах отсутствует описание методики интер-[ретации.

Вторая глава посвящена фотохимии возбужденного кислоро-;а в мезосфере и вычислению высотного хода коэффициентов фо-одиссоциации. Это вызвано тем, что в данной методике именно а основе модели, описывающей возникновение и потерю 2(1Ag), получают однозначную связь между концентрацией воз-увденного кислорода и озоном.

В § 2.1 рассмотрены 11 основных фотохимических реакций, твечающих за образование и потерю О (1А ) в мезосфере, на

основе которых, зная константы и коэффициенты соответствующих реакций и их зависимость от температуры, получены формулы для вычисления концентраций 03 и 0. Они были выбраны из большого числа реакций, как наиболее полно описывающие процесс существования 02(1Дв).

В § 2.2 описан способ вычисления высотного хода коэффициентов фотодиссоциации, который строился с учетом широтных изменений концентраций газовых составляющих и температуры. При вычислении учитывалось, что на коэффициент фотодиссоциации кроме прямого солнечного излучения оказывает влияние молекулярное рассеяние и отраженное от облаков и подстилающей поверхности излучение.

В третьей главе рассмотрена измерительная аппаратура и представлен вывод уравнений и соотношений, которые составляют методику восстановления концентрации возбужденного кислорода из лимбовых наблюдений высотного профиля яркости эмиссии возбуаденного кислорода в полосе 1.27 мкм.

В § 3.1 приведены краткое описание и основные характеристики прибора "Фаза", разработанного в Институте Астрофизики и Физики Атмосферы Эстонской Академии наук, а также дано описание эксперимента и представлены полученные профили яркости атмосферы на лимбе планеты с шагом по высоте около 3.5 км.

В § 3.2 изложены основные принципы решения и трудности задачи, возникающей при интерпретации данных наблюдения

злучения в полосе 1.27 мкм, основная из которых заключается том, что приходится решать обратную задачу рассеяния, зязанную с переносом излучения с самопоглощением и эреизлучением в линиях. Это вызвано тем, что время жизни эзбужденного кислорода О (1Д ) многократно превышает время эжду соударениями молекул. Поэтому возбужденные молекулы зпевают термализоваться, т.е. приобретают распределение по юростям и направлениям такое же как и окружающих молекул 5возбужденного кислорода. Важным следствием термализации зляется то, что допплеровские контуры поглощения и злучения возбужденных и невозбувденных молекул совпадают, экие условия не являются типичными для большинства газовых эставляющих в атмосфере Земли в условиях, когда контур шии определяется тепловыми скоростями молекул. Поэтому для гасания данного эффекта были использованы соотношения, зпользуемые для решения задач переноса излучения в звездных гмосферах.

В § 3.3 изложен вывод интегрального уравнения, которое пользуется при восстановлении 02(1Д^) для условий данного ■ссперимента.

В § 3.3.1 представлен вывод уравнения баланса равновес-эй концентрации молекул в возбужденном состоянии для данно-э эксперимента и произведена оценка величины альбедо одно-ратного рассеяния.

В § 3.3.2 приведен вывод интегрального уравнения, свя-

зывавдего наблюдаемую прибором яркость в условиях эксперимента с концентрацией возбужденного кислорода при условии переноса излучения в линии.

В § 3.3.3 полученное в предыдущем параграфе интегральное уравнение конкретизируется с использованием известных параметров линий полосы свечения О^А ), что позволяет сформулировать обратную задачу рассеяния для конкретной эмиссионной линии.

В § 3.3.4 изложен переход от интегрального уравнения для переноса излучения в отдельной линии в уравнение для переноса в полосе с учетом спектрального контура прибора. Это сделано на основе того, что полоса излучения 02(1Д^) состоит из множества отдельно стоящих линий, расстояние между которыми больше их полуширины.

В § 3.4 описывается решение обратной задачи. Также показано, что для нахождения ошибок методики очень удобно воспользоваться некоторыми соотношениями и формулами, используемыми при решении некорректных задач методом статистической регуляризации.

В § 3.5 обсуждаются полученные результаты. Сравнение с результатами аналогичного эксперимента на американском спутнике БМЕ показывают неплохое согласие и в высотном ходе, и в широтной зависимости концентраций 03 и 0. Для 03 отчетливо наблюдается второй максимум на высоте около 80 км.

В четвертой главе дан анализ погрешностей, связанных

Ю

к с выбором фотохимической модели, так и относящийся к ал-ритму для восстановления 02(1Д^).

В § 4.1 описываются ошибки, вызванные тем, что данная тохимическая модель образования 02(1А^) не включает полный бор реакций, отвечающих за образование и потерю возбувден-го кислорода, которые не превышают Ъ% на нижней границе следуемого диапазона и убывают с ростом высоты.

В § 4.2, посвященному анализу ошибок, возникающих при ^становлении 02(1д^), разобраны основные источники ошибок, знинающих в этой работе, такие как шум прибора, модельная, тодическая и т.д. Показано, что методика работоспособна, и диапазоне высот 45-75 км ошибка не превышает 10%.

В заключении кратко перечислены основные результаты и воды работы.

1. Разработана методика восстановления концентрации (1Д^) по измерениям высотного хода яркости "на лимбе шнетн. Получаемая при этом обратная задача является слабо корректной, что позволяет, дискретизировав ее по высоте, шить численным методом с достаточной точностью, ¡пользование некоторых следствий метода статистической :гуляризации позволяет легко оценить ошибку эксперимента, ¡язэнную с шумом прибора. Данная методика позволяет щучить не только высотный, но и широтный ход концентраций 1лых газовых составляющих в мезосфере, таких как 03, О, 1Б),02(12).

2. При восстановлении концентрации 02(1Ag) была решен задача по учету переноса излучения в линиях полосы с само поглощением и с перераспределением по частотам, что нехарак терно для наблюдений эмиссий других газовых составляющих i атмосфере Земли. Это вызвано относительно большой интенсивностью вращательно-колебательной полосы \ 1.27 мкм и обилием С>2 в основном состоянии в земной атмосфере.

3. Исследован круг фотохимических реакций в мезосфере ( участием 02(1Ag). На основе количественного анализа выбран« замкнутая система фотохимических уравнений, отвечающих зг образование и потерю 0g(1Ag) в диапазоне высот 40-80 км. Hi основе предположения о фотохимическом равновесии концентрации компонент получены выражения для вычисления концентравдй 03, 0(1D), 0, 0г(12).

4. Произведена обработка большого числа данных, более 500 фотометрических разрезов, высотного хода яркости атмосферы на лимбе планеты, полученных с помощью прибора "Фаза", установленного на борту станции "Салгот-7/Космос-1686". Полученные профили озона хорошо согласуются с модельными и полученными с помощью ракет и спутников. На высоте около 80 км хорошо виден так называемый второй максимум. Построенные широтные разрезы за октябрь и ноябрь 1985 г. для 03 и 0(1D) хорошо согласуются с данными по MAP (Middle Atmosphere Program).

5. Проведен анализ ошибок в данной работе. Показано,

что в диапазоне высот 45-75 км ошибка в восстановлении озона не превышает 10%. 12

иое содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Устинов Е.А., Шлаков А.В. Оценка объемной концентра-/езосферного озона по данным телерадиометра "Фаза" с

орбитального комплекса пСалют-7/Космос-1686", Исследо-Земли из Космоса, Ш, 1991.

2. A.V.Shmakov, E.A.Ustinov, Retrieval of the mesosphe->zone using satellite limb-scan measurements, Interna-1 Symposium on Middle Atmosphere Science, Abstracts,

Kyoto, Japan, 1992.

3. A.V.Shmakov, E.A.Ustinov, Restoration of the meso-lc ozone using satellite limb-scan measurements, Internal Radiation Symposium, Abstracts, p.4T, Tallinn, Es, 1992.

4. A.V.Shmakov, E.A.Ustinov, Retrieval of the mesosphe-zone using satellite limb-scan measurements. Journal of pherlc and Terrestrial Physics (special issue), 1993.

Тираж 60 экз. Заказ !h 17.

Подразделение оперативной полиграфии НИИУ Москва, 125319, Кочновский проезд, дом 3