Введение к работе
Актуальность темы
Атмосфера Земли является естественной средой обитания человечества и всей биосферы Земли. По этой причине стабильность ее состава представляет собой необходимое условие выживания и качества жизни человечества. Кроме этого очевидного соображения, состав атмосферы влияет на радиационный баланс всей планеты и ее поверхности, на уровень и спектральный состав ультрафиолетового облучения, на климат и погоду. В большинстве развитых стран эти Идеи попали в фокус внимания общества приблизительно в середине прошлого столетия, когда стало заметным антропогенное влияние на окружающую среду и, в частности, на атмосферу.
В последние годы чрезвычайно большое значение придается проблемам изменения климата Земли и разрушения озонного слоя нашей планеты. Важность экологических проблем признается в настоящее время многими странами, принимаются различные меры для минимизации отрицательных последствий современного развития человеческого общества, его индустрии, сельского хозяйства и т. д. Вследствие этого, исследования характеристик газового и аэрозольного состава атмосферы являются одной из центральных задач современной физики и химии атмосферы. Эти исследования вызваны как необходимостью детального изучения естественного состояния атмосферы для целей климатологии и метеорологии, так и необходимостью контроля антропогенных воздействий на климат Земли и озонный слой нашей планеты.
Все более актуальной становится проблема изучения долговременных трендов различных характеристик атмосферы и анализ причин этих трендов. Важной научной задачей в настоящее время является изучение глобальной картины уменьшения общего содержания озона и выявление вкладов антропогенных и естественных факторов, определяющих это явление. Изучение пространственно-временной изменчивости озона в атмосфере представляет собой актуальную задачу в связи с влиянием озона на климат (уровень
УФ радиации), а также с его токсичностью и высокими окислительными способностями в тропосфере. Экспериментальные исследования озона осуществляются с помощью наземных и спутниковых методов измерений. Они стали особенно актуальными в связи с уменьшением содержания озона над Антарктидой («озонная дыра») и в северном полушарии.
С 60-х годов прошлого столетия существует сеть измерений общего содержания озона (ОСО). Однако, для определения вертикальной зависимости временных трендов в содержании озона необходимы космические измерения вертикальных профилей содержания на долговременной основе. Таким образом, современной научной задачей является достоверное установление пространственного (трехмерного) распределения содержания озона на высотах от поверхности Земли до 70-80 км, особенно в связи со значительными изменениями состояния атмосферы в тропосфере и верхней атмосфере, наблюдаемыми в последние десятилетия.
Атмосферные аэрозоли оказывают существенное влияние на климат Земли как прямым, так и косвенным образом. Суммарное влияние аэрозолей, по современным представлениям, приводит к охлаждению и может оказывать компенсирующее действие на процессы потепления, вызываемые антропогенными парниковыми газами. Современные потребности научных исследований делают необходимыми долговременные измерения оптических (оптические толщи, вертикальные профили коэффициентов аэрозольного рассеяния и поглощения) и микрофизических характеристик (функция распределения частиц по размерам (ФРР), фазовое состояние, форма и структура аэрозольных частиц). Аэрозольная оптическая толща — важнейший параметр, который существенно определяет радиационные эффекты аэрозолей, — должна измеряться с высокой точностью и хорошей периодичностью.
Таким образом, важнейшая задача исследований состояния атмосферы и трендов атмосферных параметров — постоянный мониторинг:
а) изменчивости в трендах газов — источников естественного и антро
погенного происхождения, которые высвобождают свободные радикалы и
поэтому определяют содержание стратосферного озона. Примерами таких
газов являются CFCs, N20, СН4;
б) содержания и распределения стратосферных аэрозолей и полярных
стратосферных облаков.
Для такого мониторинга необходима глобальная система наблюдений за составом атмосферы. Важной ее составной частью является глобальная космическая система наблюдений, бурное развитие которой наблюдается последние два-три десятилетия. Спутниковые методы измерений интенсивно используются для изучения характеристик газового состава атмосферы и, прежде всего, для исследований пространственно-временных вариаций и трендов в содержании озона. Огромное количество информации, как о содержании озона, так и о других атмосферных параметрах получено с помощью различных спутниковых методов измерений.
Одним из них является затменный метод, основанный на измерении поглощения атмосферой солнечного излучения на касательных трассах при восходе и заходе Солнца за горизонт планеты. Этот метод характеризуется высокой потенциальной точностью, хорошим высотным разрешением, отсутствием необходимости абсолютной калибровки прибора для получения функций пропускания. С применением этого метода проводился целый ряд спутниковых экспериментов. В частности, первый многоспектральный спутниковый эксперимент был проведен с помощью аппаратуры «Озон-Мир» в 1996-1997 гг. С марта 2002 по июнь 2006 г. на борту российского спутника «Метеор-ЗМ №1» оперативно функционировал прибор SAGE III.
Развитию, совершенствованию и применению этого метода при исследованиях атмосферы посвящена данная диссертационная работа.
Непосредственные измерения прибором — лишь начальный этап дистанционных измерений. Решение задачи определения параметров среды осуществляется в алгоритме обработки данных измерений (алгоритме интерпретации). Поэтому, помимо специализированной аппаратуры, существенной составляющей методов дистанционного зондирования атмосферы являются также физико-математическая модель переноса излучения и алгоритмы интерпретации измерений. Следующий не менее существенный этап — ассимиляция полученных результатов дистанционного зондирования в системы прогноза погоды, климатические модели и т. д.
Растущие современные требования кточности дистанционных измерений делают необходимым постоянное развитие и совершенствование физико-математических моделей спутниковых экспериментов и алгоритмов обращения измерений. Существенной спецификой последних является некорректность решаемых обратных задач, которая ведет к неустойчивости решения и высокой чувствительности получаемых результатов к погрешностям измерений, физико-математической модели эксперимента и используемого метода обращения измерений.
Наша работа посвящена этапу интерпретации результатов дистанционных измерений, т. е. получению из значений прозрачности атмосферы, измеренных с помощью затменного метода, данных о составе последней. После рассмотрения ряда общих и методологических вопросов изложены результаты обработки информации, поступившей от спектрометра «Озон-Мир» в космических экспериментах. Анализируются результаты восстановления вертикальных профилей содержания озона для отдельных районов измерений. Вследствие ограниченного объема измерений эксперименты на ДОС «Мир» не позволили изучать пространственно-временные вариации в содержании озона, но представляли несомненный интерес и благодаря им в России был получен опыт дистанционного измерения озона методом затменного зондирования с помощью многоканального спектрометра.
Основная часть работы посвящена интерпретации данных затменных измерений аппаратурой SAGE III. Оперативная методика обработки измере-
ний прибора SAGE III, используемая в NASA для интерпретации измерений прозрачности, основана на ряде приближений. В частности, вместо функций пропускания используются оптические толщины (предполагается справедливость монохроматического приближения, что позволяет перейти к оптическим плотностям и решению линейной обратной задачи); спектральное и высотное интегрирования выполняются приближенно; при восстановлении профилей газов аэрозольное ослабление не учитывается, а исключается с использованием упрощающих предположений и т. д. В данной работе мы предлагаем и используем независимую методику, свободную от перечисленных приближений, и анализируем вертикальные профили содержания озона, двуокиси азота и спектрального коэффициента аэрозольного ослабления, полученные по измерениям прозрачности атмосферы аппаратурой SAGE III (данные уровня 1Ь) с помощью разработанной нами методики.
Один из существенных недостатков затменного метода при измерениях по Солнцу — малое количество измерений в течение суток. Избежать этого недостатка позволяет измерение прозрачности по звездам. В нашей работе мы также рассматриваем этот подход и исследуем потенциальные возможности затменного метода при использовании излучения звезд.
Цель работы
Таким образом, целью работы является как развитие и совершенствование спутникового затменного метода определения атмосферных параметров, так и получение и анализ данных о составе атмосферы по измерениям прозрачности атмосферы этим методом.
Для достижения этой цели необходимо предварительно решить основные задачи: построить модель (математико-алгоритмическую) эксперимента, т. е. ослабления излучения атмосферой на касательных трассах, и построить алгоритм решения обратной задачи. Каждая из этих задач, в свою очередь, распадается на частные задачи:
-
построение физико-математической и алгоритмической модели расчета функций пропускания атмосферы в спутниковых измерениях прозрачности;
-
разработка методики и алгоритма расчета траектории распространения солнечного излучения (с учетом рефракции) в спутниковом затменном эксперименте;
-
разработка и программная реализация алгоритма решения нелинейной обратной задачи;
-
интерпретация измерений аппаратурой «Озон-Мир» и сопоставление результатов с независимыми спутниковыми данными;
-
интерпретация измерений аппаратурой SAGE III и сопоставление полученных результатов с независимыми спутниковыми и наземными измерениями;
-
массовая интерпретация измерений аппаратуры SAGE III и получение пространственно-временных полей атмосферных параметров;
7) анализ полученных пространственно-временных распределений ат
мосферных параметров;
Как известно, одним из наиболее существенных недостатков затменного метода является малое количество измерений в течение суток и ограниченные широты измерений. Чтобы избежать указанных ограничений, можно использовать в качестве источника излучения звезды, что и реализуется в некоторых проектах (GOMOS, MSX). Использование удаленного точечного источника излучения приводит к появлению специфических эффектов — мерцания, рефракционного ослабления, квантового шума. Поэтому мы также поставили и выполнили задачу
8) оценка перспектив использования затменных измерений звезд для зон
дирования состава атмосферы.
Научная новизна
Разработана оригинальная методика и алгоритмы интерпретации затменных спутниковых измерений прозрачности, основанные на решении нелинейной обратной задачи методом статистической регуляризации и оптимальной параметризации спектрального хода коэффициента аэрозольного ослабления (КАО).
Разработана оригинальная методика расчета траектории луча в атмосфере с учетом рефракции.
Проведена интерпретация данных затменных измерений аппаратурой «Озон-Мир», результаты сопоставлены с независимыми спутниковыми измерениями.
Проведена интерпретация данных затменных измерений аппаратурой SAGE III, результаты сопоставлены с независимыми спутниковыми и наземными измерениями и с данными оперативной обработки измерений SAGE III (NASA).
Проведена массовая обработка измерений аппаратурой SAGE III по оригинальной методике.
Построены и проанализированы пространственно-временные поля атмосферных параметров, восстановленных из измерений аппаратурой SAGE III.
Разработана методика оценки погрешности восстановления атмосферных параметров в затменных измерениях по звездам.
Впервые, на основе численных экспериментов, оценены погрешности определения атмосферных параметров в затменных измерениях по звездам, проведено исследование их зависимостей от условий измерения.
На зашиту выносятся следующие основные положения:
Физико-математическая модель спутникового затменного эксперимента. Методы и алгоритмы прямого расчета функций пропускания и излучения в колебательно-вращательных полосах поглощения атмосферных газов.
Метод и алгоритмы интерпретации спутниковых измерений прозрачности затменным методом, основанные на решении нелинейной обратной задачи методом статистической регуляризации и оптимальной параметризации спектрального хода КАО.
Результаты интерпретации измерений аппаратурой «Озон-Мир» и их сопоставление с независимыми спутниковыми данными.
Результаты интерпретации измерений аппаратурой SAGE III и их сопоставление с независимыми данными спутниковых и наземных измерений.
Результаты массовой интерпретации измерений аппаратурой SAGE III — пространственно-временные поля атмосферных параметров.
Методика оценивания погрешностей определения содержания атмосферных газов в затменных измерениях по звездам и результаты ее использования.
Практическая значимость
работы состоит в разработке методов и алгоритмов интерпретации затменных измерений прозрачности, в получении опыта интерпретации измерений аппаратурой «Озон-Мир» и SAGE III. Несомненную практическую ценность представляют пространственно-временные поля атмосферных параметров, полученные при обработке измерений аппаратурой SAGE III. Полученные результаты позволяют сделать выводы о долготно-высотном распределении озона и микрофизических параметров аэрозоля. Эти результаты могут быть использованы для уточнения динамических моделей стратосферы и мезосферы в отношении озона и стратосферного аэрозоля. Данные о долготно-высотном распределении озона на высотах до 80-90 км в высоких (до 80 с. ш.) широтах и, в частности, над территорией России являются уникальными.
Разработанные в ходе работы алгоритмы прямого расчета и решения нелинейной обратной задачи использовались в ряде работ автора, в том числе и не вошедших в настоящую диссертацию, и некоторых независимых исследованиях.
Достоверность полученных результатов обеспечена обоснованностью использованных в работе математических и физических методов, анализом погрешностей восстановления атмосферных параметров и сопоставлением результатов с независимыми данными спутниковых и наземных измерений.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на семинарах отдела физики атмосферы Физического факультета СПбГУ, на семинарах ЦАО и ИФА РАН, на международных симпозиумах: International Radiation Symposium — IRS 1992, 1996, 2000, 2004; 27th Int. Symp. on Remote Sens, of Environ, 1998; XXV Annual European Meeting on Atmospheric Studies by Optical Methods, 1998; Quadrennial Ozone Symposium, 2000; 8th Scientific Assembly ofIAMAS-2001; SPIE, 2004; на Международных симпози-
умах стран СНГ «Атмосферная радиация» — МСАР 1999, 2000, 2002, 2004, 2006; III Всесоюзном совещании по атмосферной оптике и актинометрии, 1983; I Всес. конф. по количественному анализу неорганических газов, 1983, III Всесоюзной конференции по аэрологии, 1985; Всесоюзном симпозиуме по атмосферному озону, 1985; Всесоюзной конференции «Использование спутниковой информации в исследовании океана и атмосферы», 1989 и т. д.
Вклад автора
в проведенное исследование заключается в разработке методик, алгоритмов и компьютерных программ для исследования и решения обратных задач атмосферной оптики, расчета переноса радиации в атмосфере, численного моделирования экспериментов по дистанционному зондированию. Лично автором выполнена интерпретация спутниковых данных измерений аппаратуры «Озон-Мир» и SAGE III. Ниже в разделе «краткое содержание диссертации» подробно указан вклад автора в отдельные этапы работ и исследований.
Обшая структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения. В конце представлен список цитируемой литературы из 279 наименований и приведен перечень использованных в работе аббревиатур. Общий объем работы составляет 372 страницы, она содержит 92 иллюстрации и 20 таблиц.
