Радиометрия атмосферного озона и окиси хлора на миллиметровых волнах

Диссертационная работа посвящена исследованиям газового состава атмосферы Земли, её озонного слоя, одним из наиболее эффективных методовметодом наземного дистанционного зондирования на миллиметровых волнах [1 — 12]. Таким образом, объектом исследований является атмосфера Земли и её газовый состав, а основным предметом — изменения в атмосферном озонев важной составляющей земной атмосферы, образующей защитный озонный слой. Работа выполнена на кафедре радиофизики Физического факультета МГУ и в лаборатории спектроскопии миллиметровых волн Отделения оптики Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН).

Актуальность темы

обусловлена глобальными изменениями в атмосфере, происходящими в последние десятилетия (изменения температуры, газового состава, климата, динамики атмосферы). В связи с этим возникла настоятельная необходимость исследований изменяющейся атмосферы, состояния защитного озонного слоя Земли, влияния на содержание озона атмосферных процессов и техногенных загрязнений, изучения связи между различными слоями атмосферы и др. задачи. Отмечаемое с 80-х годов ухудшение состояния озонного слоя атмосферы, возникновение таких масштабных явлений, как «озонные дыры» над Антарктидой, наметившаяся глобальная убыль озона [13,14], требует постоянного контроля за процессами, происходящими в озонном слое. Значительное уменьшение содержания озона стало наблюдаться и над нашей страной [13−17]. Поэтому для России проблема надёжного контроля за состоянием озонного слоя, особенно над густонаселёнными областями, над московским регионом, является чрезвычайно актуальной. Необходимо знать также результаты мер, предпринимаемых международным сообществом для снижения техногенных выбросов в атмосферу озоноразру-шающих веществ. После подписания в 1987 г. Монреальского протокола, обязывающего сократить производство озоноразрушающих веществ и постепенно прекратить их выброс в атмосферу, глобальное производство этих веществ стало уменьшаться. Время жизни многих из этих соединений составляет до сотни лет и более, что приводит к однородному распределению их по всей тропосфере и стратосфере. Поэтому ещё длительное время будет необходим контроль за содержанием в стратосфере озоноразрушающих веществ, особенно соединений хлора.

Традиционные методы исследования озона имеют ограничения, в первую очередь, по максимально доступной высоте зондирования. Например, традиционные наземные оптические методы обладают предельными высотами обычно около 45−50 км, шары-озонозонды — около 35 км, лидары — около 40 км. Радиофизические методы дистанционного зондирования атмосферы в силу ряда присущих только им особенностей эффективно дополняют традиционные методы исследований атмосферы. Большой вклад в развитие радиофизических методов исследования атмосферы внесён отечественными организациями: ФИАН, НИРФИ, ИРЭ РАН, НПФ РАН, ИФА РАН, ЦАО, ГГО и др. [1−5,8,15−26], а также зарубежными исследователями [7]. Первые в нашей стране измерения поглощения СВЧ излучения в атмосферных газах были выполнены в ФИАН и НИРФИ в конце 40-х — начале 50-х гг. прошлого столетия [5]. Следует отметить исследования атмосферы в субмиллиметровом диапазоне радиоволн с высотных аэростатов и спутников, выполненные в ФИАН [5], и исследования линий поглощения атмосферных газов, проведённых в НИРФИ и ИПФ РАН [20]. Наземное зондирование на миллиметровых (ММ) волнах позволяет регистрировать вертикальное распределение содержания озона (ВРО) на значительно больших высотах по сравнению с традиционными оптическими методами, лидарами: диапазон зондируемых высот озоно-сферы на миллиметровых волнах составляет от 15 до 70−75 км [6] (в ночное время до 95 км [27]). Значительный объём информации о состоянии озоно-сферы в настоящее время получают с помощью зондирования со спутников в различных участках электромагнитного спектра. Однако в силу геометрии спутниковых наблюдений при лимбовом зондировании горизонтальное разрешение получаемых данных оказывается грубым (примерно 300+500 км), что не позволяет исследовать явления в озоносфере с меньшим характерным масштабом. Наземные методы наблюдений на ММ волнах, напротив, характеризуются хорошим горизонтальным разрешением, и дают возможность круглосуточных непрерывных наблюдений над одной и той же географической точкой. Существенно и то, что стоимость наземных спектрорадиометров оказывается ниже, чем у спутниковой аппаратуры.

Для ММ волн характерно значительно более слабое, чем в оптическом диапазоне, ослабление излучения в гидрометеорах, частицами облаков, осадков, туманов, и аэрозольными частицами. Поэтому преимуществами наземных наблюдений озона на ММ волнах перед наземными оптическими и ли-дарными измерениями является возможность получать информацию о ВРО при различных атмосферных условиях, включая, например, присутствие слоев аэрозоля, сплошную облачность и независимо от времени суток (днём и ночью). Таким образом, наземные наблюдения озона на ММ волнах, обеспечивая регулярные длительные ряды данных о ВРО (мониторинг озоносферы), позволяют получать наиболее полную картину пространственно-временного распределения озона и его вариаций, включая короткои долгопериодные изменения.

Из истории дистанционных исследований атмосферного озона известно [30], что первые оптические приборы для наблюдений озона были созданы в 20−30-е годы прошлого столетия. Сконструированный в этот период спектрофотометр Добсона, измеряющий общее содержание озона над пунктом наблюдения по ослаблению ультрафиолетового излучения Солнца, до сих пор служит основой мировой сети станций для наблюдений озона. Большой вклад в изучение озоносферы внесён ведущими отечественными организациями: ИФА РАН, МГУ, СПбГУ, ЦАО, ГГО и др. [16−18,22,28−31].

О результатах первых измерений спектров атмосферного озона на миллиметровых волнах в 1967;68 гг. с помощью крупных радиотелескопов сообщалось в работе [32]. В нашей стране первые измерения спектров поглощения атмосферы, включая спектры молекул озона, в коротковолновой части ММ диапазона волн были выполнены в НИРФИ, а затем в ИПФ РАН [20]. Регулярные наблюдения вертикального распределения озона на ММ волнах над Московским регионом осуществляются в ФИАН с 1987 г. [33]. При этом в ФИАН и ИПФ РАН для регистрации спектра озона используют супергетеродинные приёмники со смесителем на диоде с барьером Шоттки. Спектральная аппаратура ФИАН для наблюдений озона по своим параметрам находится на мировом уровне [33].

Исследования на ММ волнах атмосферной окиси хлора, считающейся одним из главных озоноразрушающих соединений в стратосфере [13], затрудняются значительно меньшей, по сравнению с озоном, интенсивностью спектра её излучения. Первые наблюдения стратосферной окиси хлора на ММ волнах были выполнены за рубежом в начале 80-х годов [7,34]. В нашей стране наблюдения атмосферной окиси хлора на ММ волнах до сих пор не проводились. В настоящее время в ФИАН создаётся спектрорадиометр для исследований атмосферной окиси хлора на частоте 204,35 ГГц [35].

Для восстановления ВРО из измеренных спектров собственного теплового излучения озона в миллиметровой области в ФИАН используется предложенный К. П. Гайковичем [36] итерационный алгоритм, в котором на каждом шаге применяется метод регуляризации Тихонова в форме принципа обобщённой невязки [64]. Методическими задачами диссертационной работы были: а) дальнейшее развитие методики восстановления ВРО, особенно на высотах мезосферы и нижней термосферы (от 50 до 95 км), оценка ошибок восстановления и определение путей повышения точности измеренийб) расчёт спектров излучения атмосферной окиси хлора и оптимизация частотных характеристик создаваемого спектрорадиометра для изучения атмосферной окиси хлора, а также оптимизация частотных характеристик создаваемого в ФИАН спектрорадиометра-озонометра нового поколенияв) разработка методики восстановления вертикального распределения (BP) атмосферной окиси хлора из измеренных спектров её собственного теплового излучения на частоте 204,35 ГГц и последующее определение ошибок восстановления BP окиси хлораг) разработка методов учёта реального спектра мощности шума радиоспектрометра и спектрального сглаживания в каналах радиоспектрометра при восстановлении BP озона и окиси хлорад) модернизация программного обеспечения для автоматизации процесса регистрации и обработки спектров озонае) создание базы данных о полях температуры, давления и потенциальной завихренности на различных высотах атмосферы с использованием спутниковой и радиозондовой информации, а также пользовательского интерфейса к этой базе данных, удобного для анализа атмосферных динамических процессовж) разработка способов применения имеющихся в базе данных сведений о полях температуры и давления для повышения точности восстановления ВРО над Москвой из измеренных спектров излучения озона на ММ волнах.

Экспериментальными задачами диссертационной работы были: а) проведение наблюдений атмосферного озона с помощью спектрорадиометра ФИАН на высотах от 15 до 75 км над Москвой, а также наблюдений озона на высотах от 15 до 95 км в ночное времяб) анализ полученных результатов для выяснения влияния на высотно-временное распределение озона атмосферных процессов, а также анализ связей между различными слоями озоносферыв) сравнение полученных в ФИАН профилей ВРО с данными других экспериментов.

Научная новизна диссертационной работы:

1) Получены новые данные о высотно-временном распределении озона над Москвой.

2) Показано, что под влиянием атмосферных процессов в зимние периоды происходит значительная деформация вертикального распределения озона. Обнаружено значительное понижение содержания озона на высотах 25−40 км и образование локального минимума содержания озона на высоте около 30 км в отдельные периоды холодных полугодий.

3) Получены новые данные, подтверждающие гипотезу о связи вариаций содержания ночного озона в мезосфере и нижней термосфере с динамикой стратосферы.

4) Улучшена методика восстановления ВРО в диапазоне от 20 до 30 км по сравнению с ранее использовавшейся в ФИАН путём учёта реального спектра мощности шума радиоспектрометра при решении обратной задачи восстановления ВРО, а также повышена точность восстановления профиля ночного озона в мезосфере и нижней термосфере.

5) На основе метода регуляризации Тихонова создан новый алгоритм, который позволяет эффективно восстанавливать вертикальное распределение окиси хлора на высотах от 15 до 45 км из измеренных спектров её собственного теплового излучения на ММ волнах.

Научная и практическая значимость.

1) Показана высокая эффективность метода исследований атмосферного озона в стратосфере и мезосфере и окиси хлора в статосфере, основанного на регистрации с поверхности Земли их собственного теплового излучения в ММ диапазоне. Создана новая методика восстановления вертикального распределения окиси хлора и усовершенствована методика восстановления высотного профиля озона из спектров излучения этих газов. Использованные методики, основанные на методе регуляризации Тихонова в форме принципа обобщённой невязки, позволяют с высокой точностью восстанавливать ВРО в диапазоне высот от 15 до 75 км (в ночное времядо 95 км) и вертикальное распределение окиси хлора в диапазоне высот от 15 до 45 км.

2) Результаты оптимизации частотных параметров спектральной аппаратуры были использованы при разработке и изготовлении новых фильтровых анализаторов спектра. Один из них, АС-50, предназначенный для исследований ночного озона в мезосфере и нижней термосфере, успешно прошёл испытания и с 2005 г. включён в состав спектрорадиометраозонометра ФИАН. В акустооптических АС эти результаты используются для оптимального объединения спектральных каналов. Проводимые по усовершенствованной методике измерения атмосферного озона над Москвой позволяют оперативно получать надёжную информацию о состоянии озонного слоя и своевременно обнаруживать неблагоприятные изменения в нём.

Получены новые данные об изменениях в высотно-временном распределении озона под влиянием крупномасштабных атмосферных процессов в Северном полушарии. Исследования позволили установить корреляционные связи между содержанием озона на разных высотах стратосферы и другими параметрами атмосферы, что важно для выявления предвестников аномальных изменений в озонном слое.

Исследования ночного озона на высотах стратосферы, мезосферы и нижней термосферы позволили получить уникальные данные о связях между различными слоями атмосферы. Показано, что крупномасштабные динамические процессы в стратосфере влияют на вариации содержания озона на высотах мезосферы и нижней термосферы.

Выполненные подспутниковые наземные наблюдения озоносферы на ММ волнах показали высокую эффективность радиофизических методов для контроля работы спутниковой аппаратуры.

На защиту выносятся следующие результаты и положения:

Показано, что радиоспектрометры миллиметровых волн с оптимизированными частотными характеристиками позволяют регистрировать с высокой точностью спектры собственного теплового излучения атмосферного озона и окиси хлора. Применение метода регуляризации Тихонова для восстановления вертикальных профилей содержания этих газов из их спектров обеспечивает большой высотный диапазон зондирования при минимальных ошибках восстановления.

Спектральные методы ММ волн позволяют получать данные о вертикальном распределении озона круглосуточно при различных атмосферных условиях. В результате проведенных регулярных наблюдений озоносферы над Московским регионом на ММ волнах с помощью высокочувствительного спектрорадиометра построено высотно-временное распределение содержания озона, отражающее его сезонный ход и короткопериодные вариации под влиянием атмосферных процессов.

3) Установлено, что наиболее значительные изменения вертикального распределения озона в стратосфере происходят в холодное полугодие и связаны с перемещениями воздушных масс, с появлением в стратосфере над Московским регионом полярного воздуха. Под влиянием атмосферных процессов в этот период нередко наблюдается значительная деформация профилей вертикального распределения озона, характеризуемая пониженным (по сравнению со справочной моделью) содержанием озона на высотах 25−45 км.

4) Обнаружены значительные вариации содержания озона в мезосфере и нижней термосфере ночью. Установлена связь этих вариаций с крупномасштабными процессами атмосферной динамики, с перемещениями основных барических систем стратосферы.

Апробация работы.

Материалы работы сообщались на VIII и IX Всероссийских школах-семинарах «Волновые явления в неоднородных средах» (Моск. обл., 2002 и 2004 гг.), Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (Санкт-Петербург, 2002 г.), XX и XXI Всероссийских научных конференциях по распространению радиоволн (Н. Новгород, 2002 г., Йошкар-Ола, 2005 г.), II Всероссийской конференции «Необратимые процессы в природе и технике» (Москва, 2002 г.), IX и X Всероссийских школах-семинарах «Физика и применение микроволн» (Моск. обл., 2003 и 2005 гг.), Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2004» (Москва, 2004 г.), 4-й Всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии (Экологическая физика)» (Москва, 2004 г.), научном семинаре «Обратные задачи математической физики» (рук. А. Б. Бакушинский,.

А.В. Тихонравов, А.Г. Ягола) (Москва, 2005 г.), Всероссийском семинаре по радиофизике ММ и субММ диапазона (Н. Новгород, 2005 г.), IX Всероссийской конференции молодых учёных «Состав атмосферы и электрические процессы» (Ярослав, обл., 2005 г.), XXIII Съезде по спектроскопии (Звенигород, 2005 г.). Материалы диссертации многократно докладывались и обсуждались на семинарах кафедры радиофизики физического факультета МГУ.

По результатам работы опубликованы 5 статей в реферируемых журналах [35,59,109,118,119].

Основные результаты и выводы диссертационной работы:

1) Получила развитие математическая модель радиоизлучения атмосферы. Исследованы спектры излучения и поглощения атмосферы в миллиметровой области длин волн. Рассчитаны интенсивности удобных для наземного наблюдения спектральных линий озона (с учётом экспериментально наблюдавшихся значительных изменений содержания озона в стратосфере и мезосфе-ре), окиси хлора, закиси азота, азотной кислоты и окиси углерода. Рассчитаны оптимальные частотные параметры радиоспектрометров для исследований атмосферного озона и окиси хлора на ММ волнах.

2) Усовершенствована основанная на методе регуляризации Тихонова методика восстановления вертикальных распределений озона в стратосфере, ме-зосфере и нижней термосфере из измеренных с поверхности Земли спектров собственного теплового излучения озона на ММ волнах. Сделан вывод о том, что эта методика позволяет с высокой точностью восстанавливать вертикальные распределения озона.

3) Разработана методика восстановления вертикального распределения атмосферной окиси хлора. Показана высокая эффективность этой методики для восстановления вертикальных распределений окиси хлора на высотах от 15 до 45 км из измеренных с поверхности Земли спектров собственного теплового излучения СЮ на ММ волнах.

4) С помощью численных экспериментов исследовано влияние шума аппаратуры, погрешностей задания профилей температуры и давления, а также определения тропосферного поглощения на точность восстановления вертикального распределения озона и окиси хлора из наблюдений их спектральных линий с поверхности Земли.

5) Получены новые данные о высотно-временном распределении содержания озона в стратосфере и мезосфере над Московским регионом. Зарегистрирован сезонный ход содержания озона и его более короткопериодные вариации с характерными временами вариаций от нескольких дней до нескольких недель. Обнаруженной особенностью явилось увеличение амплитуды ко-роткопериодных колебаний содержания озона при переходе от лета к зиме. Анализ результатов наблюдений на ММ волнах показал, что обнаруженные изменения в озоносфере связаны с атмосферными физико-химическими процессами. Установлено, что наиболее значительные изменения вертикального распределения озона в стратосфере происходят в холодное полугодие и связаны с перемещениями воздушных масс, с появлением в стратосфере над Московским регионом полярного воздуха с пониженным содержанием озона.

6) Показано, что под влиянием атмосферных процессов в зимние периоды происходит значительная деформация профилей вертикального распределения озона. Нередко наблюдаются профили с пониженным содержанием озона на высотах 25−45 км и с локальным минимумом, расположенным в области высот вблизи 30 км.

7) Исследованы корреляционные связи между содержанием озона на разных высотах и другими характеристиками атмосферы (общим содержанием озона, высотой изобарических поверхностей, потенциальной завихренностью и температурой). Анализ результатов наблюдений озона на высотах средней и верхней стратосферы свидетельствует о значительном влиянии крупномасштабных атмосферных процессов на содержание озона в указанных слоях.

8) Получены новые данные о содержании мезосферного озона и его вариациях. Зарегистрирован суточный ход мезосферного озона, характеризуемый значительным увеличением содержания озона ночью, что соответствует выводам фотохимической теории. Обнаружены эффекты возникновения ночью трёх максимумов в высотном распределении озона, расположенных соответственно в стратосфере, мезосфере и нижней термосфере. Зарегистрированы значительные вариации содержания ночного мезосферного озона на высотах 60−70 км и в нижней термосфере на высотах 85−95 км. Установлена связь этих вариаций с динамикой стратосферы.

9) Сопоставление результатов наблюдений вертикального распределения озона над Московским регионом, полученных в ФИАН и из космоса, показало хорошее согласие этих результатов.

Внедрение результатов диссертации.

1) Созданный в ИПФ РАН (A.M. Штанюк, П.Л. Никифоров) по техническому заданию ФИАН анализатор спектра для исследований мезосферного озона АС-50 успешно прошёл натурные испытания и был включён в состав озонометрического комплекса ФИАН в 2005 г. Автор участвовал в разработке технического задания на АС-50 и в его натурных испытаниях. Программное обеспечение для регистрации спектров озона с помощью этого АС также было разработано автором.

2) Созданная автором автоматически обновляемая база данных с информацией о полях температуры и давления на различных высотах атмосферы, позволяющая осуществлять автоматизированное построение профилей вертикальных распределений температуры и давления, регулярно используется в ФИАН с 2004 г. для восстановления ВРО над Москвой по данным наблюдений на ММ волнах.

3) Доработанная автором методика восстановления вертикальных распределений озона из измеренных спектров озона на частоте 142,175 ГГц применяется в ФИАН с 2005 г.

Автор выражает глубокую благодарность научным руководителям — профессору Ю. А. Пирогову и ведущему научному сотруднику С. В. Соломонову, а также научным сотрудникам ФИАН Е. П. Кропоткиной и С. Б. Розанову за плодотворное обсуждение работы и ряд ценных замечаний и рекомендаций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.