Содержание к диссертации
Введение
1 Задача интерпретации данных оптических измерений характеристик атмосферного аэрозоля 9
Выводы 14
2 Моделирование характеристик атмосферного аэрозоля 15
2.1 Рассеяние и ослабление излучения неоднородной частицей 15
2.2 Особенности расчетных алгоритмов 24
Выводы 27
3 Результаты определения характеристик микроструктуры атмосферного аэрозоля 28
3.1 Результаты анализа данных оптических измерений характеристик атмосферного аэрозоля 28
3.2 Результаты моделирования направленного рассеяния 40
3.3 Результаты моделирования рассеяния и ослабления 92
Выводы 104
Заключение 105
Список обозначений и сокращений 106
Литература 107
- Задача интерпретации данных оптических измерений характеристик атмосферного аэрозоля
- Особенности расчетных алгоритмов
- Результаты моделирования направленного рассеяния
- Результаты моделирования рассеяния и ослабления
Введение к работе
Решение проблемы совершенствования методов расчета в области атмосферной оптики в настоящее время приобретает особую актуальность в связи с постоянно увеличивающейся загрязненностью атмосферы и со сложностью параметризации оптико-микроструктурных свойств аэрозольных частиц.
В настоящее время в практике определения концентраций загрязняющих веществ в воздухе используются, в основном, контактные методы измерений. В частности, оптическими счетчиками частиц и фильтровыми аспирационными устройствами измеряются параметры аэрозоля в непосредственной близости от этих приборов. Применение оптических методов позволяет автоматизировать процесс измерений.
Недостаток оптических методов состоит в том, что они не дают возможности непосредственного определения характеристик загрязнения атмосферы.
Исследование проблемы интерпретации результатов, получаемых в процессе определения характеристик атмосферного аэрозоля оптическими методами, позволит усовершенствовать эти методы.
Цель работы - повышение достоверности результатов интерпретации оптической информации об атмосферном аэрозоле на основе применения алгоритмов обработки экспериментальных результатов, базирующихся на теории рассеяния света.
Основные задачи исследования:
- анализ особенностей оптических методов, применяемых для определения параметров атмосферного аэрозоля;
оценка систематических погрешностей, существенно влияющих на результаты оптических измерений, с учетом особенностей измерительной аппаратуры;
разработка модели сигнала направленного рассеяния с учетом экспериментальных данных;
оценка эффективности методов оптических измерений параметров атмосферного аэрозоля, предназначенных для повышения достоверности результатов измерений.
Методы исследования базируются на решении уравнений Максвелла. Используются методы численного анализа, компьютерное моделирование с применением данных натурных экспериментов, статистический анализ.
Научная новизна работы:
определено, что направленное рассеяние излучения частицей с приведенным размером, значительно превышающим единицу, может существенно зависеть от структуры частицы;
установлено практическое отсутствие зависимости направленного рассеяния излучения частицей с приведенным размером порядка единицы от структуры частицы;
найденными результатами, описывающими зависимость направленного рассеяния излучения частицей от структуры частицы, удается объяснить имеющиеся экспериментальные данные;
установлено уменьшение зависимости направленного рассеяния излучения частицей от структуры частицы при уменьшении угла рассеяния.
Основные положения, выносимые на защиту:
зависимость направленного рассеяния излучения частицей с приведенным размером, значительно превышающим единицу, от структуры частицы;
отсутствие зависимости направленного рассеяния излучения частицей с приведенным размером порядка единицы от структуры частицы;
- основы метода оптических измерений аэрозольных характеристик, базирующегося на уменьшении направленного рассеяния излучения частицей при уменьшении угла рассеяния зависимости от структуры частицы.
Достоверность полученных результатов подтверждается хорошими результатами сопоставления теоретических и экспериментальных результатов определения характеристик атмосферного аэрозоля, а также использованием современных физико-математических методов анализа и обобщения данных.
Практическая значимость работы определяется, в соответствии с поставленной целью, повышением достоверности результатов интерпретации оптической информации об атмосферном аэрозоле. Полученные результаты использованы в учебном процессе в РГГМУ и могут быть использованы для целей совершенствования оптических технических средств, предназначенных для мониторинга загрязнения атмосферы.
Личный вклад автора
Все основные результаты получены автором лично. Автор выполнил анализ современного состояния проблемы. Нашел новые результаты в области исследования рассеяния излучения частицей.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на международном симпозиуме «33 International symposium on remote sensing of environment», 2009, на Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация и динамика» МСАР, 2009, на итоговых сессиях ученого совета РГГМУ, 2008, 2009.
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 5 статьях.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 3 глав, заключения, списка литературы - 120 наименований, списка обозначений и сокращений. В ней содержится 121 страница текста, 8 таблиц, 25 рисунков.
Задача интерпретации данных оптических измерений характеристик атмосферного аэрозоля
Для экологической оценки состояния атмосферы достаточно оперативно характеристики атмосферного аэрозоля определяются по результатам измерений оптическими счетчиками частиц, по сигналам обратного рассеяния в процессе лидарного зондирования атмосферы. Для интерпретации результатов определения аэрозольной микроструктуры по данным измерений оптических параметров атмосферы необходимо знание оптико-микроструктурных связей частиц. Задача нахождения этих связей особенно сложна в условиях загрязненной атмосферы крупных городов. При ее решении следует учитывать существование различных источников аэрозоля, поставляющих в атмосферу частицы, различающиеся по размеру, химическому составу, оптическим характеристикам /25, 31/. Соответственно источникам атмосферный аэрозоль можно разделить на фракции. Концентрация фракции мелких частиц определяет оптические свойства аэрозоля (см. например, /25/). Источником этих частиц являются промышленные и транспортные выбросы. Вклад крупных частиц определяет суммарную массовую концентрацию аэрозоля. Их источник - подстилающая поверхность. С этим обстоятельством связано существование четко выраженной сезонной изменчивости коэффициента ослабления и массовой концентрации частиц /26, 28, 29/. Максимум коэффициента ослабления приходится на зимний, а минимум - на летний период. В отличие от коэффициента ослабления зимой наблюдается минимум массовой концентрации частиц. Её максимум приходится на весенний период. Зимний аэрозольный максимум, зарегистрированный в процессе лидарного зондирования атмосферы, и, вместе с тем, зимний минимум массовой концентрации частиц обязаны своим существованием упомянутым выше разным источникам аэрозоля. Поскольку источник мелких частиц - промышленные и транспортные выбросы, сезонная изменчивость коэффициента ослабления, связанного с концентрацией этой фракции, обусловлена сезонной изменчивостью интенсивности хозяйственной деятельности человека.
С другой стороны, минимум суммарной массовой концентрации, источником которых является подстилающая поверхность, приходится на зимний период, когда она покрыта снегом. Её максимум наблюдается весной, когда уже нет снега, но ещё незначительны жидкие осадки. Таким образом, задача установления оптико-микроструктурных связей аэрозольных частиц достаточно сложна из-за существования различных аэрозольных фракций. Среди других факторов, усложняющих задачу, можно выделить значительную изменчивость микрооптических характеристик частиц, не укладывающуюся в рамки теории рассеяния света однородной частицей. В связи с этим осуществляется моделирование микрооптических свойств атмосферного аэрозоля (например, /31 - 36/). Моделирование процесса рассеяния электромагнитных волн облучаемыми аэрозольными структурами предполагает решение системы уравнений Максвелла относительно векторов напряженностей электрического и магнитного полей и учет экспериментальных данных /37 -44/. Таким образом, актуален теоретический анализ оптико- микроструктурных связей аэрозольных частиц, найденных экспериментальным путем, и моделирование их оптических свойств на этой основе.
Для анализа экспериментальных результатов рассматривается модель частицы с радиально изменяющимся показателем преломления в оболочке, покрывающей однородное ядро. Показатель преломления частицы задается действительной или комплексной величиной. Решение системы уравнений Максвелла для данного типа модели известно /37, 38/. Моделирование рассеяния излучения частицами основывается на решении этой системы уравнений относительно векторов напряженностей электрического и магнитного полей. Традиционные методы решения уравнений Максвелла базируются на использовании специальных функций. Это ограничивает область их применимости: рассматриваются частные случаи неоднородных облучаемых структур, в основном, разрывных /39-41/. С тем, чтобы существенно расширить область применимости, предлагается решение системы уравнений Максвелла для достаточно общего случая модельного радиального распределения комплексного показателя преломления (как разрывного, так и непрерывного). На основании этого решения разрабатывается оптическая модель частицы, базирующаяся на данных экспериментов /37-44/, в рассмотрение вводятся модифицированные потенциалы Дебая D, В. Уравнения, которыми описываются введенные потенциалы (переходящие в уравнение Гельмгольца при постоянном показателе преломления), решаются методом разделения переменных. В результате каждое из уравнений разделяется на три обыкновенных дифференциальных уравнения. При этом вместо дифференциальных уравнений Бесселя получаются дифференциальные уравнения второго порядка с переменными коэффициентами (переходящие в уравнение Бесселя при постоянном показателе преломления), которые (в отличие от традиционного подхода) интегрируются численно для неоднородной оболочки, покрывающей однородное ядро и находящейся в однородной среде. На поверхностях раздела ядро-оболочка, оболочка-среда задаются граничные условия, следующие из непрерывности тангенциальных составляющих векторов напряженностей полей. Заданные граничные условия предусматривают возможность решения разрывных задач (случай, когда показатель преломления - разрывная на поверхности раздела функция). Таким образом, предлагаемый подход, в отличие от традиционного, дает возможность решения как разрывных, так и непрерывных задач моделирования процесса рассеяния электромагнитных волн для реально неоднородных облучаемых структур.
Особенности расчетных алгоритмов
Интегрирование уравнений (2.7) с шагом Ар выполняется различными методами, в частности, методом Эйлера с использованием для уравнений Для целей определения характеристик микроструктуры аэрозоля по найденному коэффициенту ослабления (обратного рассеяния) необходимо знание оптико-микроструктурных связей аэрозольных частиц. В результате выполнения совместных лидарных (трансмиссометрических) и фотоэлектрических измерений, как отмечено в предыдущих разделах, была установлена корреляция между коэффициентом ослабления и интегральной счетной концентрацией частиц /30/. Найденную связь можно использовать для определения содержания аэрозоля в воздухе. Она оказалась стабильной в серии выполненных экспериментов. Для объяснения этого факта рассматривается оптическая модель частиц, основанная на данных этих экспериментов, и полученное в них распределение частиц по размерам, т.е. факторы, которыми определяется коэффициент ослабления аэрозоля. При этом учитываются результаты фильтровых измерений, выполненных одновременно с фотоэлектрическими измерениями. Принимается во внимание, что между результатами, найденными различными методами (фотоэлектрическим /48, 49/ и фильтровым /31, 50-52/) имело место удовлетворительное согласие в п. Воейково (рис. 3.26 - замутненная атмосфера, см. ниже), Репетеке (аридная зона вблизи восточной границы Туркмении) - ГАРЭКС-77 /43/ и Абастумани (горная область Грузии вблизи границы с Турцией) - АФАЭКС-79 /53/. Важным для обоснования модели является факт существенного различия этих результатов в п. Воейково (13 км от восточной границы Санкт-Петербурга) в условиях прозрачной атмосферы. Для анализа распределения частиц по размерам вводится величина где Nj,j = Ng (D) - число частиц в единичном объёме с размерами, превышающими D (D 1 мкм), i, j - номера спектральных интервалов и распределений по размерам, соответственно, і = 1,2,...,р; j = l,2,...,t.
Относительное среднее квадратичное отклонение введенной величины, характеризующее вариации спектров счетной концентрации, в условиях конкретных измерений не превышают 20 %. Таким образом, распределение числа частиц по размерам сравнительно стабильно. Для оценки достоверности определения характеристик аэрозольной микроструктуры распределение числа частиц атмосферного аэрозоля по размерам (средним диаметрам) в различных географических районах находилось оптическими счетчиками (ОС) АЗ-5 и Ройко, а также с помощью фильтровых устройств (ФУ). Оказалось, что результаты измерения ОС и ФУ могут как различаться значимо, так и практически совпадать (см. рис. 3.1 -3.3). Определенный интерес представляют результаты измерений аэрозольных характеристик, полученные в Глобальном аэрозольно-радиационном эксперименте ГАРЭКС-77 /43/ в Репетеке (Туркменская ССР) в 1977 г. В эксперименте для оценки точности измерения параметров микроструктуры аэрозольных частиц одновременно находились спектры размеров частиц фотоэлектрическим счетчиком АЗ-5 /54/ и путем отбора проб на фильтр с использованием аспирационного устройства (АУ) с последующим просветлением и микроскопическим анализом. В процессе измерений счетчик АЗ-5 располагался в непосредственной близости от устройства АУ. Результаты сравнения данных, полученных этими двумя приборами, представлены на рис. 3.1. Следует обратить внимание на удовлетворительное согласие результатов, полученных двумя различными методами и на форму представления результатов, при введении которой это согласие установлено. В рассмотрение введена интегральная счетная концентрация частиц N = N(D). Величина N дм"3 - суммарное число частиц, размер которых превышает D мкм. Использование характеристики N (вместо обычно применяемой ) целесообразно для повышения достоверности результатов выполненного анализа. Характеристика N предпочтительна по сравнению с ее производной. Особенности ее применения рассмотрены, в частности, в работе /26/.
Результаты моделирования направленного рассеяния
Для объяснения экспериментальных результатов предлагается модель частицы с радиально изменяющимся показателем преломления m(R) в оболочке, покрывающей однородное ядро (с неоднородным покрытием) /56/.
Показатель преломления т(р) частицы задается действительной или комплексной функцией от р (2.2). Частица находится в непоглощающей атмосфере и освещается источником, формирующим плоские волны.
Результаты анализа направленного рассеяния излучения (угол рассеяния 1,57, показатель преломления в ядре из сажи m(p0)=l,82-0,64i, приведенный размер частицы 30) представлены на рис.3.4. Здесь L = k(ri - г0) приведенная толщина покрытия, IR - индикатриса рассеяния, отнесенная к её значению для L = 0, j =0,...,4 - индекс модельного рассеивающего центра (J = 0,1,2 означает присутствие воды в оболочке,] = 3,4 — ее отсутствие). Перечень характеристик рассеивающего центра представлен в табл.3.2, где d = (р - po)/(pi - Ро).
Как следует из рис. 3.4, индикатриса направленного рассеяния может существенно изменяться при изменении структуры аэрозольной частицы (в частности, при ее обводнении). Характер модельных изменений структуры рассеивающего центра (j = 4 — табл.3.2, L = 2,0 - рис.3.46) соответствует экспериментальным результатам. На рис.3.4в, 3.4г представлены результаты для большей толщины покрытия для прежней величины р = 30. Результаты расчетов относительной величины IR(1)/TR(1,33) (отношения индикатрисы рассеяния для покрытия, не содержащего воду, когда mi = 1, к индикатрисе рассеяния для покрытия, содержащего воду, когда nil = 1,33) для разных величин р при заданном отношении g = (ri - r0)/r0 представлены на рис.3.5 и табл.3.3. Имеет место существенная изменчивость величины IR. Исключение составляют частицы минимальных размеров, для которых наблюдается отсутствие существенной зависимости от структуры частицы направленного рассеяния излучения частицей. На рис. 3.6 представлено значение G величины g, соответствующее максимальному уменьшению относительной индикатрисы рассеяния при наличии покрытия (рис. 3.7), крайне негативно сказывающемуся на достоверности результатов оптических измерений аэрозольных характеристик. Для сравнения на рис. 3.8 представлено отношение индикатрисы рассеяния для частиц сажи и частиц полистирола, которые используются при градуировке оптических счетчиков. Изменчивость индикатрисы рассеяния для частиц грубодисперсного аэрозоля за счет неоднородности существеннее изменчивости за счет материала. Таким образом, проблема интерпретации данных оптических измерений распределений частиц по размерам достаточно сложна.
Результаты моделирования рассеяния и ослабления
Представлена зависимость фактора эффективности рассеяния от приведенного размера частицы р для g = 0,1 (2-й столбец таблицы 3.4) и отсутствия воды. В 3-ем столбце представлена зависимость фактора эффективности при наличии воды в покрытии с линейным распределением показателя преломления. Различие невелико. Это хорошо видно на рис.3.10, где представлено отношение этих факторов (4-й столбец таблицы 3.4). Для сравнения на рис. 3.11 представлена зависимость отношения индикатрис рассеяния от приведенного размера частицы р для g = 0,1 с линейным распределением показателя преломления в покрытии. В этом случае влияние неоднородности частицы много значительнее. На рис 3.12 представлено максимальное уменьшение фактора эффективности рассеяния при наличии покрытия, соответствующее максимальному уменьшению относительной индикатрисы рассеяния при наличии покрытия (рис. 3.7). Влияние неоднородности частицы на индикатрису рассеяния много значительнее ее влияния на фактор эффективности рассеяния. Как отмечено выше, между коэффициентом ослабления и интегральной концентрацией частиц N(OC) существует корреляция /57-98/. Представляется целесообразным обратить внимание на полученные в КЛЭ результаты определения связи коэффициента ослабления с интегральной концентрацией частиц (включающей субмикронную фракцию) /93, 95, 97, 98/.
Для нахождения этой связи в апреле 1984 года одновременно с лидарным зондированием аэрозоля выполнялись фотоэлектрические измерения спектра размеров частиц с помощью счетчика АЗ-5. Типичные результаты определения коэффициента ослабления с контролем однородности атмосферы и интегральной счетной концентрации частиц представлены в табл. 3.6. Анализ результатов показывает, что существует корреляция между коэффициентом ослабления и интегральной концентрацией частиц атмосферного аэрозоля. Приближенно, концентрацию частиц в см"3 можно определить по результатам измерения коэффициента ослабления СУ, умножив его значение на фактор, равный 100 (коэффициент О берется в км"1). Значение сечения ослабления & , найденное в КЛЭ, составило (11 ± 4) мкм .
Для сравнения в табл. 3.7 представлены значения & , найденные во всех рассмотренных экспериментах, в том числе, альтернативным методом лидарного зондирования /66, 71, 77, 86, 87, 89/. Следует отметить отсутствие значимых различий представленных величин О . В этой же таблице приведены результаты нефелометрического и лидарного (с учетом установленной оптико-микроструктурной связи) определения интегральной счетной концентрации частиц N (YV концентрация, средняя за десятидневный период наблюдений). Таким образом, значения сечения ослабления составили 11 ±4 мкм в Санкт-Петербурге, 8±1мкм2 в пос. Воейково, 11±2 мкм2 в Репетеке и 8±2 мкм2 в Абастумани. Для объяснения результата существования корреляции выполнен анализ изменчивость аэрозольных спектров и оптических характеристик аккумулятивной фракции частиц.
Найденная стабильность распределения числа частиц по размерам должна сопровождаться стабильностью фактора ослабления для возникновения связи между коэффициентом ослабления и интегральной концентрацией частиц. На рис. 3.13 представлены результаты расчетов вариаций фактора ослабления для моделей 0-2 таблицы 3.2 (приведенный размер ядра частицы равен 3), которые оказались незначительными. Здесь Е - отношение фактора ослабления к его значению при L=0 (безразмерная толщина покрытия - отношение толщины к радиусу ядра частицы). Обнаруженная стабильность распределения числа частиц по размерам и фактора ослабления соответствует имеющей место корреляции между коэффициентом ослабления и интегральной концентрацией частиц. Следует подчеркнуть, что незначительным оказывается не только различие коэффициентов ослабления для различных моделей неоднородных частиц аэрозоля. Различие между сферической и несферической моделями (до первого максимума) также невелико.
