Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор основньгх характеристик УФР и методов его измерения 17
1.1 Основные характеристики УФР и влияющие на них факторы 17
1.2 Методы измерения солнечной ультрафиолетовой радиации
1.2.1 Наземные измерения солнечной УФ радиаци и 26
1.2.2 Спутниковые измерения солнечной УФ радиации 30
Глава 2. Спектрофотометр приземной солнечной УФ радиации 34
2.1 Требования к спектрофотометру 34
2.2 Состав измерительного комплекс а 39
2.3 Абсолютная калибровка спектрофотометра 44
2.4 Погрешности измерений 47
Глава 3. Спектральные измерения УФР 49
3.1 Методика измерений приземной уф радиации 49
3.2 Коррекция абсолютных интенсивностей УФР 55
3.3 Погрешности определения абсолютных значений прямой УФР 59
Глава 4. Характеристики и поведение приземной Уфр в восточной Сибири 62
4.1 Особенности спектрального состава уфр 62
4.2 Межсуточные и сезонные вариации уф радиации 70
4.3 Влияние изменчивости и аномалий осо на уфр 80
4.4 Зависимость уфр от аэрозоля и облачности 91
4.5 Реакция уфр на изменения давления 93
4.6 Отклик уфр на вариации солнечной активности 95
4.7 Различия уфр в городе и вне города 104
Заключение 109
Литература 1
- Наземные измерения солнечной УФ радиаци
- Состав измерительного комплекс а
- Коррекция абсолютных интенсивностей УФР
- Зависимость уфр от аэрозоля и облачности
Наземные измерения солнечной уф радиаци
Цель работы и направленность исследований. Целью данной работы является - исследовать межгодовые изменения, особенности сезонного хода УФР, связь вариаций УФР с геофизическими явлениями в Восточно-Сибирском регионе и зависимость УФР от солнечной активности, а также исследовать различия в уровнях и спектральном составе приземной УФР при городских и внегородских условиях регистрации. Исходя из изложенного, научная проблема диссертационного исследования определяется так: определение особенностей поведения приземной УФР в регионе Восточной Сибири. В связи с этим решались следующие конкретные задачи: разработка и создание аппаратуры для измерения приземной УФР; отработка методики определения прямой УФР и оценка инструментальной и методической погрешностей; исследование свойств спектрального состава УФР и факторов, которые его контролируют; оценка влияния кратковременных вариаций и длительных аномалий ОСО на УФР; определение зависимости поведения УФР от аэрозольного и облачного состояния атмосферы; изучение реакции УФР на сезонные и кратковременные резкие изменения атмосферного давления; сопоставление эритемной радиации в г. Иркутске полученной по наземным измерениям и по спутниковым измерениям; выявление особенностей сезонного и нерегулярного поведения приземной УФР в г. Иркутске; изучение реакции УФР на изменения солнечной активности: выявление колебаний с периодами порядка солнечных вариаций, проведение корреляционного анализа для рядов УФР и солнечной активности WVL F107. определение характера влияния городской атмосферы на уровни и спектральный состав УФР. Содержание работы. Во введении обсуждается актуальность и необходимость изучения вариаций приземной УФР в регионе Восточной Сибири и степени влияния на них различных геофизических факторов. Дан краткий обзор работ, посвященных изучению приземной УФР в мире и имеющих непосредственное отношение к предмету исследований диссертационной работы. Сформулированы цели работы, приводится краткое изложение содержания диссертации и положения, выносимые на защиту.
В первой главе диссертационной работы приведен обзор методов измерения приземной УФР, основных характеристик УФР и влияющих на них различных факторов.
В разделе 1.1 рассмотрены основные факторы, оказывающие влияние на УФР. Отражена степень их влияния, которая в целом сохраняется для любого места на Земле. Указаны наиболее существенные закономерности в поведении спектрального состава УФР и ее широкополосных областей, выявленные в результате исследований прошлых лет.
Наличие измерительных систем наземного и спутникового базирования дает возможность проведения глобальных и региональных исследований. С помощью спутниковых измерений можно изучать пространственное распределение УФР по всему земному шару и отслеживать проявление динамических атмосферных процессов. Однако для решения региональных вопросов они не всегда подходят, т.к. не обладают достаточным для решения многих задач пространственным, временным и спектральным разрешением. В таких случаях наиболее пригодными становятся наземные методы измерения УФР. Обзор существующих наземных и спутниковых методов измерения УФР проводится в разделе 1.2.
В конце каждой главы дается краткое заключение. Вторая глава содержит требования, предъявляемые к прибору, призванному решать поставленные задачи и описание самого прибора с калибровочными процедурами и оценками погрешностей измерений. В разделе 2.1 подробно рассмотрены требования к техническим характеристикам спектрофотометра с целью корректного учета всех факторов, способных оказать заметное влияние на точность измерения. Определены необходимые и достаточные границы таких параметров прибора как: угол поля зрения, спектральный диапазон, спектральное разрешение, спектральная чувствительность, точность установки длин волн, точность регистрации (фотометрирования), динамический диапазон.
Описанию того, как решались выдвинутые в разделе 2.1 требования, посвящен раздел 2.2. Процедура абсолютной калибровки спектрофотометра приведена в разделе 2.3. Далее она будет подвергнута дополнительной коррекции в разделе 3.2 и проверке в разделах посвященных анализу причин вариаций измеренных данных.
В разделе 2.4 произведена оценка погрешностей измерений. Благодаря неизменности измерительной конфигурации в течение всего периода наблюдений, а также применению ежедневной относительной корректирующей калибровки, относительная погрешность фотометрирования оценивается равной 0,2%. В эту величину не входит методическая погрешность определения прямой компоненты приземной УФР, которая рассчитывалась отдельно.
Третья глава посвящена решению задачи выделения прямой компоненты из регистрируемой солнечной УФ радиации. Прямая компонента обладает наибольшей чувствительностью к изменчивости атмосферных параметров по сравнению с рассеянной и суммарной УФР.
В результате учета конструктивных особенностей прибора и использования независимых измерений ОСО, атмосферного давления и аэрозольной оптической толщи (АОТ), определены эмпирические формулы, позволяющие значительно упростить расчет прямой радиации, а также провести коррекцию абсолютной калибровки спектрофотометра. В разделе 3.1 описывается методика измерений УФ радиации с помощью разработанного спектрофотометра. Обосновывается возможность применения фиксированной геометрии входного оптического тракта, без использования следящей за Солнцем системы, для определения прямой приземной УФР в исследуемом спектральном диапазоне (300-350 нм).
В разделе 3.2, приводится процедура коррекции измеренной радиации и ее представление в энергетических спектральных единицах прямой приземной УФР. Для этого применены результаты измерений параметров атмосферы: ОСО, атмосферного давления и АОТ и использован известный метод прямых Бугера. В результате определена формула для абсолютной коррекции измеренных спектров, вид которой зависит от высоты Солнца над горизонтом.
Осуществляется расчет погрешностей определения абсолютных значений прямой УФР, который представлен в разделе 3.3. Указываются возможные источники появления дополнительных погрешностей, которые возникают на стадии расчета. Оценивается величина вклада каждого из них в суммарную погрешность вычислений прямой УФР, которая составляет 12-16% в зависимости от длины волны и условий регистрации.
Состав измерительного комплекс а
Определению степени влияния отдельных факторов на интенсивность УФР посвящено множество теоретических и экспериментальных работ [12, 35, 36, 37 и др.]. Сделаем обзор основных закономерностей представленных в этих работах, которые проявляются в поведении УФР и которые могут быть справедливы для любого места на земном шаре.
Наиболее существенным фактором, влияющим на уровень коротковолновой части приземного УФ излучения, является наличие озона в атмосфере. Помимо ОСО основными факторами, оказывающими заметное влияние на уровни и форму спектра УФР у земной поверхности, являются наличие и характер облачности, угловая высота Солнца. Другие факторы, такие как аэрозоль, содержание SO2 и N02, также оказывают влияние на УФР, но в значительно меньшей степени, и только в условиях загрязненного города или при природных катаклизмах, таких как извержение вулкана, вклад этих факторов становится существенным [38, 39].
При определении влияния озона на УФР обычно рассматривается влияние ОСО, но даже при сохранении величины ОСО уровень УФР может изменяться в ту или иную сторону вследствие перераспределения озона по высоте. Так в работе [40] отмечается, что перераспределение озона из стратосферы в тропосферу при сохранении ОСО стремится уменьшить УФР, но при малых угловых высотах Солнца может быть увеличение УФР. В работе [14] обнаружено, что летом уровни биологически активной УФР в Новой Зеландии почти в 2 раза выше, чем летом в Германии, что авторы связывают с уменьшением стратосферного озона над Новой Зеландией и увеличением тропосферного озона над Германией. Однако должен отметить, что авторы этой работы не учли разницу в высоте над уровнем моря и, хоть и небольшое (-3), различие в широте мест наблюдения. Кроме того, эти два места существенно отличаются аэрозольным режимом. Таким образом, относить столь большие различия в уровнях УФР только на счет влияния озона неправомочно.
Выявлением долговременных трендов УФР обусловленных уменьшением общего содержания озона занимались различные исследователи. В докладе ВМО [41], который делался по совокупности различных работ, касающихся трендов ОСО и УФР, приводились прогностические значения реакции интегральной УФР в полосе широт 40- 52 с. гл., которые должны изменяться от 1,5 - 1,6% (июль) до 4,7 - 4,8% (март) [42] при отрицательных трендах озона 2,2 и 5,6% за 12 лет [43]. Расхождения между прогнозом трендов УФР и измеренных данных объясняются за счет отсутствия долговременной стабильности приборов на сети США. Однако, в работе [29] показывается, что для доверительного обнаружения трендов УФР обусловленных уменьшением ОСО необходим более длительный период наблюдений, который, например, при наибольшем тренде ОСО в Иркутске 0.5%/год [44] составляет как минимум 14 лет. В той же работе [29] приводится прирост суммарной УФР с Я 315 нм равный 0,7%) при уменьшении ОСО на 1%, а не 1,6 - 1,9%) при ясном небе согласно [15]. Такое смягчение отклика происходит при учете влияния облачности.
Видно, что даже в таком, казалось бы простом, вопросе, как определение степени влияния уменьшения озона на УФР среди различных исследователей нет единодушия. Очевидно это связано со сложностью отождествления влияния именно озона на УФР и исключения из рассмотрения других факторов, поэтому исследования проводившиеся в разных регионах могут давать разную величину отклика УФР на изменения озона. Это указывает на необходимость проведения исследований в как можно большем количестве мест, обладающих отличными от других мест геофизическими условиями. Другим фактором, влияющим на УФР, является рассеяние на молекулах воздуха. Рассеяние радиации не зависит от внутреннего строения молекул. Поэтому при рассмотрении этого явления нет необходимости прибегать к понятиям квантовой механики, а достаточно воспользоваться классической теорией света. Классическое исследование молекулярного рассеяния принадлежит Рэлею. Поэтому такое рассеяние называется также рэлеевским.
В результате молекулярного рассеяния распределение энергии в спектре прямой и рассеянной солнечной радиации существенно отличается от распределения энергий в спектре Солнца, за пределами атмосферы. По мере увеличения пути, проходимого солнечным лучом в атмосфере, рассеянная радиация относительно все более и более обогащается ультрафиолетовыми, а прямая радиация инфракрасными лучами. Поэтому рассеянная радиация неба является мощным вторичным источником естественного УФ изучения.
Особенностью коэффициента рассеяния Рэлея является чрезвычайно сильная зависимость его от длины волны, так как //Я входит в него в четвертой степени. Для нас наибольший интерес в рэлеевском рассеянии будет представлять линейная зависимость коэффициента молекулярного рассеяния fix от давления, поскольку оно является весьма изменчивой величиной, а в нашем регионе четко проявляется сезонность в поведении давления, причем это явление даже получило собственное название - устойчивый зимний Азиатский антициклон. В работе [45] получены результаты, указывающие на тесную связь областей минимумов ОСО в Сибири с Сибирским антициклоном и на основании 105-летних наблюдений обнаружено сильное возрастание в последние годы давления в центре антициклона.
Наряду с исследованиями озона в последние годы значительно возрос интерес к изучению свойств, состава и поведения аэрозоля. Его исследованию даже посвящаются целые тематические выпуски журналов. Термин аэрозоль относится ко всем атмосферным взвесям, не зависимо от их агрегатного состояния, физического состава, формы, размеров [46].
Коррекция абсолютных интенсивностей уфр
В принципе, такая процедура абсолютной калибровки по эталонной лампе достаточна для перевода любых измеренных величин в энергетические единицы в рабочем спектральном диапазоне. Однако, как показала практика, переводные спектральные коэффициенты, определенные в нескольких калибровочных сеансах, принимают недопустимо большие расхождения. Причем расхождения возникают как между измерениями спектра лампы в процессе одного калибровочного цикла (цикл состоит из 10 повторяющихся измерений с последующим усреднением), так и между калибровочными циклами, которые проводились с промежутком в полгода. Такой факт можно объяснить недостаточной мощностью лампы и, как следствие, недостаточной чувствительностью прибора к ее излучению. Приборы для измерения УФР обычно калибруют таким способом, но с использованием эталонной лампы мощностью 1000 Вт [1, 8, 74], т. е. на порядок мощнее используемой нами. Кроме того, погрешность в определении температуры рабочего тела лампы могла достигать десятков процентов, так как температура находилась на верхнем пределе шкалы измерения пирометра. Таким образом, использовать данный метод на имеющейся аппаратуре для абсолютной калибровки прибора с удовлетворительной степенью точности не удалось. Тем не менее, он пригоден для определения относительной спектральной чувствительности измерительного тракта, поскольку спектральные формы кривых переводных коэффициентов повторяются для всех процедур калибровок, а отличия заключаются в их абсолютных величинах.
В связи с этим, наряду с использованием результатов этого способа калибровки, в разделах 3.1 и 3.2 описаны процедуры коррекции приземной УФ радиации с привлечением дополнительной экспериментальной информации. 2.4 Погрешности измерений.
Погрешности, возникающие при определении УФР, могут быть разделены на две группы. К первой группе будут относиться погрешности измерения. Ко второй - методические погрешности, возникающие при вычислениях, в процессе которых производится перевод измеренных величин в единицы спектральной плотности мощности прямой радиации. В этом разделе определим величину первого типа погрешности. К расчету методической погрешности обратимся в следующей главе.
В приборе дополнительно используется опорный источник света, который предназначен для ежедневной относительной калибровки измерительного тракта. измеряемая прибором радиация; JU3M - истинная радиация; AJU3M - абсолютная погрешность при измерении радиации; Jкая - измеряемый сигнал калибратора; JKajt - эталонный сигнал калибратора; SJUiM - абсолютная погрешность измерительного тракта при проведении калибровки; &JKWJ -абсолютная погрешность калибровочного источника. Введем поправочный коэффициент относительной калибровки J кал/J кал Считая, что относительная погрешность при измерениях (AJгшм/jгизм) и относительная погрешность при калибровке l&JU3MlJKCm) равны, а также пренебрегая относительной погрешностью калибровочного источника {bJKajtIJKCUt), поправочный коэффициент определится как J кал IJKOJI =] + измНкап =1+ шРит Следовательно, разделив измеренную радиацию (JmM) на поправочный коэффициент относительной калибровки, можно устранить все флуктуации, возникающие во всем электронном тракте прибора. Среднеквадратичное отклонение этого поправочного коэффициента за весь период измерений составило 0,048 или менее 5%. То есть, по верхней оценке относительная погрешность фотометрирования не превышает 5%, а реально значительно ниже, т.к. погрешности измерительного тракта устраняются, поскольку они входят в поправочный коэффициент, а остается только погрешность калибровочного источника. Погрешность калибровочного источника можно оценить путем многочисленных последовательных калибровочных циклов в течение непродолжительного периода времени, когда параметры измерительного тракта остаются стабильными. Поскольку цикл калибровки длится в течение около 15 секунд, то за 10 минут можно провести до 40 таких циклов. В результате такой проверки среднеквадратичное отклонение поправочного коэффициента (или относительная погрешность калибровочного источника) оказалось равным 0,2%. Следовательно, относительную погрешность фотометрирования можно принять равной 0,2%. Подведем краткий итог, основанный на изложенных в данной главе положениях. Для исследования влияния гелио- и геофизических процессов на приземную УФР наиболее удобным является использование прибора с высоким спектральным разрешением, способным регистрировать прямую компоненту радиации. Удовлетворяющий таким требованиям прибор был разработан и изготовлен. Проведена абсолютная калибровка и оценены погрешности измерений.
Зависимость уфр от аэрозоля и облачности
Некоторые особенности спектрального состава УФР у поверхности земли ранее уже исследовались как с чисто теоретической точки зрения [12], так и с использованием экспериментальных данных [10, 35]. Здесь мы продолжим такого рода исследования с целью выяснения степени влияния различных параметров атмосферы, характерных для Восточной Сибири, на изменчивость приземной УФР области 300-350 нм. Определим наиболее существенные из них в отдельных полосах выбранного диапазона. Покажем, чем определяется структура приземного спектра различных спектральных масштабов.
Вариации параметров состояния атмосферы наиболее значимых в УФ области спектра таких как ОСО, атмосферное давление и аэрозоль оказывают различное и при этом спектральнозависимое влияние на изменчивость приземной УФР. Величина влияния каждого из них может отличаться для различных регионов планеты, поскольку всегда существуют разнообразные региональные особенности состояния и динамики атмосферы. Здесь мы будем рассматривать поведение спектров УФР в г. Иркутске. Можно определить степень влияния каждого отдельного параметра на УФ радиацию. Для этого используем формулу Бугера (2). Будем брать от нее частные производные по соответствующему параметру. В результате получаются следующие
Здесь обозначение частной производной заменено на А, а нижний индекс в левой части уравнений указывает на то, вариации от изменения какого из параметров испытывает приземная прямая УФ радиация. Влияние аэрозольных вариаций разделено на отклик от вариаций коэффициента мутности Ъ и на отклик от изменения аэрозольного параметра Ангстрема а в предположении, что аэрозольная оптическая толща (АОТ) подчиняется закону Ангстрема (1).
Из (17) и (18) следует, что влияние колебаний X а Р на относительные вариации УФР зависят только от оптической массы, т.е. от высоты Солнца, таким образом, что зимой это влияние максимально, а летом минимально. На рис. 4.1.1а приведены спектральные отклики прямой полуденной УФР 29.05.01 какими бы они были при изменении атмосферных параметров на 1% от их средних значений для Иркутска, т.е. при AY=3 е.Д., АР=7 мм рт.ст., А6=0.005 и Аа=0.01, следует оговориться, что в случае с вариациями аэрозоля говорить о процентном изменении и средних значениях его параметров можно только весьма условно, поскольку они очень непостоянны [48]. Поскольку графики, приведенные на этом рисунке, отражают реакцию УФР на однопроцентное изменение параметров атмосферы, то их можно назвать весовыми. На рис. 4.1.16 - то же, но при изменении атмосферных параметров на "типичную" в течение года величину от их средних значений для Иркутска, т.е. при АА бО е.Д., АР=10 мм рт.ст., Ай=0.1 и Аа=0.5. Наиболее сильное влияние по всему спектру оказывает изменчивость дымки и облачности, что наиболее отчетливо проявляется на годовых вариациях (рис. 4.1.16). Колебания давления хоть и находятся на втором месте по степени влияния на изменчивость УФР (рис. 4.1.1а), на годовом масштабе (рис. 4.1.16) такое влияние несущественно. Тем не менее, в условиях оптически стабильной атмосферы, которые могут сохраняться в течение нескольких суток, влияние вариаций давления на УФР может принять преобладающее значение. За изменения формы спектра ответственны колебания произведения ОСО на оптическую массу озона, которое в данном случае можно назвать эффективным содержанием озона. При различных реализациях изменения состояния атмосферы, роли вариаций тех или иных параметров могут значительно меняться, приводя к различным взаимным комбинациям кривых, приведенных на рис. 4.1.1.
Относительное изменение приземной прямой УФР при колебаниях различных параметров состояния атмосферы. Приравняв (17) и (18) можно определить длину волны (при т=р) короче которой вклад АХ в AQ = ґ АР U3H , 2 ,ч2 6 + 3pV4 аяР0АХ 3N 6-7р относительное изменение УФР будет больше вклада АР, а при Х Х0 наоборот. Здесь N - число молекул в единице объема (число Лошмидта), п - показатель преломления, Н — высота однородной атмосферы и р - коэффициент оптической анизотропии молекул. При изменении давления и озона на 1% (рис. 4.1.1) Л.0=306,5 нм. При Л 325 330 нм вклад ДХ пренебрежимо мал по сравнению с вкладом колебаний других параметров атмосферы.
В (19) и (20) помимо вариаций атмосферных параметров входят еще и их абсолютные значения, а поскольку они могут принимать значения в широком диапазоне (а может меняться в пределах от 0 до 4, а Ь от 0.04 до 1 и более [10]), то их влияние может меняться от пренебрежимо малого (особенно влияние Да) до преобладающего. Для 29.05.01 аэрозольные параметры составляли 6=0.051, т.е. практически минимально возможное значение для Иркутска, я=0.973, т.е. близкое к среднему значение. Из графика видно, что влияние изменений ОСО начинает проявляться на длинах волн короче 320 нм с резким увеличением в коротковолновой части. Пожалуй, наиболее существенным является влияние вариаций мутности атмосферы, поскольку оно преобладающе и, как уже отмечалось, вариации этого параметра находятся в весьма широких пределах, однако на форму спектра такие вариации практически не влияют, по крайней мере, не вносят каких либо особенностей. Все то же самое относится и к влиянию колебаний давления, с тем лишь отличием, что оно заметно меньше и относительный диапазон изменений давления тоже меньше.
Для демонстрации селективности влияния различных внешних условий на приход приземной УФ радиации проделано следующее. Измеренные в течение года наблюдений спектры нормированы на единицу на длине волны 345 нм, усреднены по месяцам и по году. Для нормировки спектров выбрана /1=345 нм, т.к. на ней минимально влияние как вариаций состояния атмосферы, что отражено на рис. 4.1.1, так и самих параметров атмосферы, что видно на рис.4.1.4, но к нему еще вернемся позже. На рис. 4.1.2а представлены результаты такой операции усреднения. Здесь приведены среднемесячные и среднегодовой нормированные спектры.
