Содержание к диссертации
Введение
I ГЛАВА. Краткий обзор механизмов трансформации уходящего теплового излучения земной поверхности и методик учета искажающего влияния атмосферы в окне прозрачности 8-12 мкм 10
1. Уходящее тепловое излучение системы "атмосфера - подстилающая поверхность" 10
2. Факторы ослабления радиации атмосферой в окне прозрачности 8-12 мкм.. 15
3. Методики расчета интенсивности уходящего теплового излучения системы "атмосфера - подстилающая поверхность" 21
II ГЛАВА. Методика расчета интенсивности теплового излучения системы "атмосфера - подстилающая поверхность". 32
1. Основная формула интегрирования... 33
2. Расчет континуального коэффициента поглощения водяным паром . 42
3. Учет селективной структуры окна прозрачности 8-12 мкм 51
4. Расчет коэффициентов поглощения по формуле Фойгта 54
III ГЛАВА. Информационное и программное обеспечение методики расчета интенсивности теплового излучения 63
1. Каталог исходной спектроскопической информации 63
2. Каталог континуального поглощения и программное обеспечение расчетов континуума водяного пара .. 67
3. Программное обеспечение расчетов селективной структуры окна прозрачности 8-12 мкм... 80
4. Общая характеристика программного комплекса численного моделирования интенсивности собственного излучения системы "атмосфера - подстилающая поверхность" 86
ІV ГЛАВА. Анализ результатов расчета интенсивности уходящего теплового излучения системы "атмосфера - подстилающая поверхность" ...97
1. Спектральная и угловая зависимости интенсивности уходящего теплового излучения в окне 8-12 мкм... 98
2. Сравнение результатов расчета с данными экспериментальных измерений. 105
3. Атлас интенсивности собственного излучения системы "атмосфера - подстилающая поверхность" для окна прозрачности 8-12 мкм 111
4. Роль континуального поглощения водяным паром в трансформации излучения земной поверхности. 117
5. Влияние погрешности задания профиля влажности на точность определения температуры подстилающей поверхности из спутниковых измерений... 125
6. Влияние аэрозольной компоненты атмосферы на трансформацию излучения земной поверхности 130
Литература 142
- Методики расчета интенсивности уходящего теплового излучения системы "атмосфера - подстилающая поверхность"
- Расчет континуального коэффициента поглощения водяным паром
- Каталог континуального поглощения и программное обеспечение расчетов континуума водяного пара
- Атлас интенсивности собственного излучения системы "атмосфера - подстилающая поверхность" для окна прозрачности 8-12 мкм
Введение к работе
Решение проблем долгосрочного прогноза погоды и климата предполагает осуществление наблюдения за параметрами атмосферы и подстилающей поверхности [1,2] • Для реализации подобного наблюдения в настоящее время широко применяются дистанционные спутниковые измерения уходящего теплового излучения (Тй) системы "атмосфера - земная поверхность" в окне прозрачности 8-12 мкм. Однако опыт использования измерений интенсивности ТИ для определения метеорологических параметров атмосферы и температуры подстилающей поверхности (ТГШ) показывает, что проблема учета трансформирующего влияния атмосферы на излучение земной поверхности до сих пор не решена [3,4,5,6] • Одной из причин такого положения является сложность и многообразие процессов взаимодействия атмосферы и ТИ подстилающей поверхности. Для решения задачи учета влияния атмосферы необходимо проведение детального анализа зависимостей поля уходящего ТИ от состояния атмосферы и механизмов трансформации излучения. Осуществить такой анализ в настоящее время практически возможно только на основе расчетов по методикам, позволяющим оценить влияние как каждого фактора ослабления атмосферой, так и их совокупности на формирование интенсивности ТИ. Исследования на основе экспериментальных методов сталкиваются со значительными трудностями [4,5,7] .В то же время информация о механизмах взаимодействия излучения с атмосферой постоянно пополняется новыми данными, учет которых в расчетных методиках позволяет приблизиться к решению проблемы исключения влияния такого взаимодействия при дистанционных измерениях уходящего ТИ подстилающей поверхности. Все это определяет актуальность разработки и реализации методик расчета интенсивности собственного излучения, основанных на современных представлениях о процессах взаимодействия атмосферы и ТИ земной поверхности.
Целью данной работы являлось создание методики расчета, основанной на данных, последних лет о механизмах трансформации излучения атмосферой и позволяющей проводить расчеты интенсивности теплового излучения в окнах прозрачности атмосферы. Не нарушая общности методики, в данной работе, предполагается уделить основное внимание окну прозрачности 8-12 мкм, что связано с актуальностью исследования переноса излучения в данном частотном интервале для практических целей дистанционного зондирования атмосферы и определения температуры поверхности океана В связи с этим ставились и решались следующие задачи: I. Разработать и реализовать на ЭВМ методику расчета интенсивности уходящего ТИ для сферически-симметричной безоблачной атмосферы в окнах прозрачности, 2. Учесть все известные факторы ослабления ТИ земной поверхности атмосферой на основе данных последних лет. 3 Заложить возможность расчета молекулярного поглощения на основе фундаментальных данных о параметрах тонкой структуры спектров атмосферных газов. Предусмотреть возможность вариации форм контуров спектральных линий для проведения расчетов коэффициентов поглощения. 4. Исследовать влияние континуального поглощения водяным паром, рассчитанного по формулам теории поглощения крыльями спектральных линий [8] , на трансформацию ТИ подстилающей поверхности при различных условиях состояния атмосферы и различных ТПП. 5, Рассмотреть относительную роль основных факторов ослабления излучения атмосферой для различных условий формирования интенсивности ТИ» 6, Получить количественные оценки влияния морского аэрозоля на точность определения температуры поверхности океана (ТЛО). 7, Оценить возможную погрешность в определении ТПО при известных ошибках восстановления профиля влажности атмосферы из данных спутниковых измерений,
В диссертационной работе, состоящей из введения, четырех глав и заключения, изложены результаты решения поставленных задач, В первой главе рассматриваются современные данные о механизмах трансформации ТИ атмосферой в окне прозрачности 8-12 мкм. Обосновывается выбор в качестве рабочей гипотезы, объясняющей поглощение "е"-типа, точка зрения на континуальное ослабление излучения водяным паром, развиваемая в теории поглощения крыльями спектральных линий [9,10,11] , Проводится анализ существующих методик учета искажающего влияния атмосферы, основанных на решении уравнения переноса, и делается вывод о необходимости разработки методики, учитывающей молекулярное ослабление на основе расчета по формулам обобщенного контура [8] полиней-ным методом, с использованием информации о параметрах тонкой структуры спектров атмосферных газов. Во второй главе диссертационной работы приводятся основные принципы, положенные в основу разработанной методики расчета интенсивности собственного излучения системы "атмосфера - подстилающая поверхность", рассматриваются ее возможности и вопросы обоснования применяемых для расчета селективной и континуальной составляющих коэффициента поглощения формул. Третья глава содержит описание основных алгоритмов методики. Изложены принципы разработки, структура и возможности информационного обеспечения, представляющего собой каталог исходной спектроскопической информации (ИСИ) и каталог приведенных к единичному давлению коэффициентов континуального поглощения водяным паром, В четвертой главе рассмотрены вопросы сопоставления результатов расчета по разработанной методике с данными спутниковых и аэростатных измерений, а также с результатами широко используемых расчетных методик. Приводится описание атласа интенсивности собственного излучения, рассчитанного по нашей методике и принятого к внедрению на п/я Г4І49. В главе содержится анализ влияния основных факторов ослабления радиации, их относительная роль для различных условий состояния атмосферы и ТПП, а также рассматривается возможное влияние погрешности восстановления профиля влажности из данных спутниковых измерений на точность определения ТЛО» В заключении сформулированы основные результаты и выводы работы, показан личный вклад автора.
Научная новизна в диссертационной работе заключена в получении следующих результатов. I. Создана методика расчета интенсивности уходящего ТИ системы "атмосфера - подстилающая поверхность", позволяющая на основе полинейного расчета характеристик молекулярного поглощения с использованием формул теории поглощения крыльями спектральных линий проводить изучение влияния всех известных механизмов ослабления. 2. Исследована относительная роль основных ослабляющих факторов атмосферы и показано преобладающее влияние для безоблачной атмосферы при ТПП 280 К континуального поглощения водяным паром. Получены оценки возможных ошибок определения ТПО за счет погрешности восстановления профиля влажности из данных спутниковых измерений.
Практическая значимость данной работы состоит в возможности проведения изучения по предлагаемой методике, на основе современных представлений о механизмах взаимодействия ТИ земной поверхности с атмосферой, роли каждого отдельного фактора ослабления для целей корректного учета влияния промежуточной толщи атмосферы в различных задачах дистанционной спутниковой индикации уходящего ТИ. Практическим результатом, подтверждающим пригодность методики для решения подобных задач, служит созданный на основе расчетов и принятый к внедрению атлас интенсивности собственного излучения системы "атмосфера - подсти- лающая поверхность" для окна прозрачности 8-12 мкм. Кроме того, значительная часть программного и информационного обеспечения, созданного для реализации расчетов на ЭВМ по разработанной методике, передана и принята к использованию в различные организации страны (ИПМ АН СССР, МФТИ, МГУ), Полученные количественные оценки влияния континуального поглощения водяным паром, аэрозольного ослабления и оценки точности восстановления ТГТО при погрешности в задании профиля влажности могут быть использованы в практике определения ТПО из измерений уходящего ТИ со спутников.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на У и УІ Всесоюзных симпозиумах по молекулярной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения (Новосибирск, 1980 г. и Томск, 1982 г.); на УІ Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1981 г.); наПиШ Всесоюзных совещаниях по атмосферной оптике и актинометрии (Новосибирск, 1980 г. и Томск,1983 г ); на УП Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск, 1982 г.); На Всесоюзной конференции "Биосфера и климат по данным космических исследований" (Баку,1982 г,); на ХУШ Генеральной ассамблее Международного союза геодезистов и геофизиков (Гамбург,1983 г.)# Результаты диссертации опубликованы в 18 работах Защищаемые положения диссертационной работы следующие:
I, Разработана и реализована на ЭВМ методика расчета интенсивности собственного излучения системы "атмосфера - подстилающая поверхность" для сферически-симметричной безоблачной атмосферы в окне прозрачности 8-12 мкм. Методика основана на использовании формул теории поглощения крыльями спектральных линий и формул лоренцовского и фойгтовского контуров для расчета молекулярного коэффициента поглощения полинейным методом по параметрам тонкой структуры спектров газовых составляющих атмосферы, активных в данном окне. При расчета интенсивности уходящего ТИ учитываются современные данные о механизмах трансформации излучения и реализована возможность изучения каждого ослабляющего фактіра в отдельности,
2. Исследована относительная роль континуального поглощения водяным паром для случаев как только молекулярного, так и молекулярного и аэрозольного ослабления ТИ земной поверхности при различных метеорологических ситуациях атмосферы и различных ТПП. Показано, что для ТПП больше 260 К континуальное поглощение начинает играть определяющую роль в обоих случаях, и чем выше влагосодержание и температура, тем более значительный вклад в искажающее влияние атмосферы вносит континуум водяного пара,
3. Изучено влияние погрешности задания профиля влажности и ослабления морским аэрозолем на точность определения ТПО из спутниковых измерений уходящего Тй. Показано, что для существующих погрешностей восстановления профиля влажности из спутниковых измерений (15-30)% отклонения ТПО могут достигать 2-4 К (для достижения точности измерения ТПО меньше I К, что соответствует международным стандартам, профиль влажности должен восстанавливаться с погрешностью 5-Ю %). Получены количественные оценки зависимости вклада морского аэрозоля в формирование интенсивности уходящего ТИ от метеорологической дальности видимости, влагосодержания атмосферы и ТПП#
Методики расчета интенсивности уходящего теплового излучения системы "атмосфера - подстилающая поверхность"
Этот факт подтверждается также выводами из работы [39], в которой на основе анализа литературных данных показано, что соотношение роли молекулярного и аэрозольного факторов ослабления в средних широтах северного полушария различно для летних и зимних условий. В летних условиях при метеорологической дальности видимости ( Sm ) больше 5 км доминирующая роль принадлежит поглощению водяным паром. При Sm 5 км в летних условиях и зимой при Sm 40 км преобладает ослабление аэрозолем. В работах [36,37] аэрозольному фактору ослабления отводится определяющая роль, и показано, что этот фактор является общим для коротковолновой и длинноволновой частей ИК диапазона. Рассматриваются в этих работах также характерные зависимости коэффициентов ослабления аэрозолем от абсолютных и относительных величин парциального давления водяного пара при различных условиях проведения наблюдений. Большое внимание в научной литературе уделяется исследованию вклада в ослабление различных фракций аэрозоля [18,46] . В работе [4] на основе анализа литературных данных отмечается важная роль "пылевой" фракции аэрозоля. В данном обзоре не останавливаемся на вопросах о влиянии облачности. Отметим только, что в этом направлении также ведутся активные исследования (например, [47,4]).
Из приведенного рассмотрения следует, что вопрос об относительной роли аэрозольного фактора ослабления в условиях безоблачной атмосферы до сих пор является дискуссионным. В то же время выяснены некоторые особенности воздействия аэрозольной компоненты на перенос излучения в окне 8-12 мкм (вклад аэрозольных слоев, зависимость вклада аэрозоля в ослабление ТИ от атмосферных условий). Требуется проведение дальнейших исследований как экспериментальных, так и теоретических. В диссертационной работе, в частности, рассматривается вопрос об относительной роли морского аэрозоля и молекулярного поглощения для случаев, когда континуальное поглощение водяным паром рассчитывается по формулам, хорошо описывающим экспериментальные данные [8] .
В настоящее время аэрозольное ослабление в расчетных методиках учитывается заданием вертикальных профилей модельных значений коэффициентов ослабления. В данной работе этот фактор учитывается аналогичным образом. Использование модельных построений профиля коэффициентов аэрозольного ослабления для такой сложной по составу и изменчивой компоненты атмосферы приводит к тому, что в действительности учитывается некоторый "средний" аэрозоль, не обязательно близкий по своим характеристикам к истинному [45J . В то же время применение вертикальных профилей коэффициентов аэрозольного ослабления на сегодняшний день практически единственный осуществимый способ учета этого фактора. Разработке аэрозольных моделей атмосферы последние годы уделяется значительное внимание [48,49,54)] .
Суммируя все вышеизложенное, отметим следующее. І. В разрабатываемой методике расчета интенсивности ТИ необходимо учи-вать все факторы трансформации излучения атмосферой (аэрозольное ослабление, поглощение селективное и континуальное, включая в последнее поглощение "е"-типа). 2. Селективное поглощение рассчитывается на основе формул лоренцовского или фойгтовского контуров спектральных линий. 3. Анализ литературных данных показывает, что необходимо исследование роли континуального поглощения водяным паром. Для этих целей предполагается использовать формулы теории поглощения крыльями спектральных линий, позволяющие учитывать и поглощение ие"-типа. 4. До сих пор ведется дискуссия о роли аэрозольного ослабления. Требуются дальнейшие исследования. В разрабатываемой методике аэрозольная компонента атмосферы будет учитываться заданием профиля коэффициентов ослабления.
Предметом обсуждения в данном параграфе являются методики расчета интенсивности ТИ. Данные методики представляют собой различные реализации метода учета влияния атмосферы, основанного на решении уравнения переноса.
Последние годы характеризуются значительным вниманием к разработке, реализации и применению различных методов учета атмосферы [4,7,18,48,51-53] . Развитие и применение получили: I - многоспектральный метод, основанный на одновременном измерении уходящего ТИ в различных полосах поглощения (для извлечения информации о физическом состоянии атмосферы и в окне прозрачности 8-12 мкм [3,4,18]; 2 - метод углового сканирования, основанный на исключении промезкуточной толщи атмосферы за счет измерений под различными углами [64,65]; 3 - метод, основанный на применении передаточной функции атмосферы [13,54]; 4 - метод введения эмпирических поправок к измеряемой со спутников температуре подстилающей поверхности [52,53] .
Наиболее перспективным из данных методом считается первый, но его реализация связана с техническими сложностями создания специальной измерительной аппаратуры ,и,кроме того, необходимым условием является знание механизмов взаимодействия излучения с атмосферой, вопрос о которых для окна 8-12 мкм до сих пор не решен [3,4,5]. Все остальные перечисленные методы относятся к приближенным в смысле используемой информации о состоянии атмосферы. К приближенным относится также метод, основанный на вычислении интенсивности ТИ. Однако использование только этого метода позволяет решать задачу о роли различных ослабляющих факторов атмосферы [4,7,13,16,18], что делает его дальнейшее развитие и реализацию актуальными для решения проблемы учета влияния атмосферы на перенос радиации. Поэтому рассматриваем только методики расчета интенсивности ТИ (обзор по всем другим перечисленным методам можно найти, например, в [3-7,13,51] ).
Расчет континуального коэффициента поглощения водяным паром
При разработке методики ставилась задача избежать основных недостатков, присущих подходам к расчету интенсивности уходящего теплового излучения, рассмотренных .в первой главе. Оуть подхода, разрабатываемого в данной работе, состоит в следующем. I. Интенсивность ТИ вычисляется по формуле интегрирования уравнения переноса по лучу визирования для сферически-симметричной безоблачной атмосферы. 2. Коэффициенты молекулярного поглощения рассчитываются по формулам лоренцовского, фойгтовского и обобщенного контуров спектральных линий полинейным методом по параметрам тонкой структуры полос поглощения молекулярных компонент атмосферы. 3. Для проведения оперативного учета континуальной составляющей коэффициента поглощения водяным паром, которая рассчитывается полинейным методом по формулам обобщенного контура, разрабатывается каталог коэффициентов континуального поглощения и соответствующее программное обеспечение. 4, Для осуществления полинейного счета создается информационное обеспечение, представляющее собой каталог параметров тонкой структуры полос поглощения и программное обеспечение для обслуживания этого каталога. 5. Разрабатываемое программное обеспечение методики должно позволять проводить расчеты в окнах прозрачности с произвольным разрешением в любых частотных диапазонах, при любых метеорологических ситуациях в атмосфере и при произвольной вариации учитываемых механизмов ослабления радиации атмосферой, б. При создании программного обеспечения используется новая дисциплина программирования - структурное программирование, позволяющее разрабатывать надежные, мобильные и экономичные программы.
Вопросы создания программного и информационного обеспечения будут рассмотрены в Ш главе. Здесь же остановимся на вопросах, связанных с физическими аспектами вычисления молекулярного поглощения, а также на основной формуле интегрирования. Основная формула интегрирования и геометрия возможных схем распространения излучения в атмосфере рассматриваются в первом параграфе. Второй параграф посвящен вопросам обоснования применения формул обобщенного контура для расчета континуума водяного пара. Использование данных формул является одной из отличительных особенностей разрабатываемой методики. Вопросам учета селективной структуры окна прозрачности 8-12 мкм посвящен третий параграф. Приводятся основные соотношения для реализации расчетов с учетом селективной структуры. Отдельный параграф отведен вопросам расчетов по формуле Фойгта. Трудности вычислительного плана, с которыми приходится сталкиваться при расчетах по этой формуле, общепризнаны. В 4-м параграфе описаны три методики автора, позволяющие в значительной степени решить эти трудности. В заключение приводятся возможности разработанной методики.
Как было указано в I главы I, интенсивность уходящего ТИ системы "атмосфера - подстилающая поверхность" находится как решение уравнения переноса излучения (І.І) при граничном условии (1.2) и мощности излучения единицы объема в единичный телесный угол, задачаемой выражением (1.3). Для случая сферически-симметричной атмосферы основная формула интегрирования запишется: где индекс у величин означает, что они определяются для частоты V ; - смещение вдоль луча визирования (отсчитывается от точки наблюдения); смысл обозначений l(r,S), 6 , f (?&} 5 [т] аналогичен описанному в I главы I.
Выражение (2.1) записано для случая, когда можно пренебречь ортотропным отражением от подстилающей поверхности. Данное приближение справедливо для поверхностей, излучательная способность которых близка к единице [7,69] . К таким поверхностям относятся, в частности, поверхности морей и океанов. В то же время именно определение температуры поверхности океана обусловливает в первую очередь актуальность разработки методики расчета интенсивности теплового излучения Вид функции Планка следующий где Су- 0,119110 эрг.см/с, С « 1,43879 см - соответственно первая и вторая радиационные константы; Т - температура в К. Для вычисления интенсивности ТИ с разрешением AV ПО частоте выражение (2.1) должно быть проинтегрировано noV где - аппаратная функция моделируемого прибора. При расчете интенсивности уходящего ТИ учитывается ослабление радиации всеми атмосферными факторами, которые в настоящее время считаются ответственными за трансформацию собственного излучения атмосферы в окнах прозрачности и, в частности, в окне 8-12 мкм. К этим факторам для случая безоблачной атмосферы относят ослабление аэрозолем, селективное и континуальное поглощение. Полный коэффициент ослабления записывается:
Каталог континуального поглощения и программное обеспечение расчетов континуума водяного пара
В 1-й главе отмечалось, что в настоящий момент основное применение при расчетах континуума водяного пара получили эмпирические формулы, построенные по данным лабораторных экспериментов (см.,например, [22,32,33]). Эти формулы в целом хорошо описывают спектральный ход коэффициента поглощения. Однако не позволяют исследовать роль составляющих континуума водяного пара и, кроме того, как это будет показано ниже, не позволяют описать все известные особенности ослабления излучения в окне прозрачности 8-12 мкм.
В качестве иллюстрации правомерности использования формул обобщенного контура спектральной линии для расчета континуума водяного пара приведем некоторые результаты наших исследований [28,29] , целью которых являлась проверка работоспособности формул, полученных на основе теории обобщенного контура для описания совокупности данных. На рис.2.6 даны результаты сравнения расчетов по формулам (2.9-2.14) с экспериментальными данными по спектральному ходу коэффициентов поглощения в области 8-12 мкм. Верхняя группа данных - чистые пары воды, нижняя -смесь Erfi-Nt Сплошные кривые с индексами L - расчет по ло-ренцовекому контуру, кривые I и 2 соответствуют расчетам по обобщенному контуру с различным параметром Cm, кривая 3 - расчет по обобщенному контуру для смеси HgO-1 2 . Экспериментальные данные взяты из [71,21,32,72,73] (обозначены соответственно квадратами, светлыми и темными кругами, крестиками и звездочками). Рассчитанные по обобщенному контуру, значения коэффициентов поглощения, приведенные к размерности г смгатм , при само-уширении и уширении Л/г (рие.2.6) хорошо как качественно, так и количественно описывают экспериментальные данные. Из рис.2.6 видно, что величины коэффициентов поглощения для случая смеси I O-J O превышают примерно на 2 порядка значения этих величин для случая уширения Hz При этом, несмотря на то, что в реальной атмосфере парциальное давление паров воды на 1-2 порядка ниже давления Afe , составляющая К г0-нго играет существенную роль в поглощении ИК радиации В то же время коэффициенты поглощения, рассчитанные по лоренцовскому контуру спектральной линии для тех же условий, занижают значения почти на порядок» Это объясняет тот факт, что попытки описать континуум, используя данный контур, не приводили к успеху и заставляли искать дополнительные гипотезы для объяснения экспериментальных данных.
Одним из наиболее важных, с точки зрения приложений к задачам атмосферной оптики, в частности, к задаче расчета интенсивности теплового излучения атмосферы, является вопрос о температурной зависимости коэффициента поглощения в окне прозрачности 8-12 мкм. Установленную в экспериментах "отрицательную" температурную зависимость нельзя интерпретировать, применяя контуры типа лоренцовского. Это являлось одной из причин появления гипотезы о поглощении димерами водяного пара. Использование обобщенного контура позволило описать спад коэффициента поглощения с повышением температуры. Предпринятое исследование этого вопроса в наших работах [28,29] показало, что в температурном интервале 300-400 К для описания экспериментальных данных оказывается достаточнойtлинейная интерполяция по температуре одного из параметров потенциала Леннарда-Дконса: здесь 50 - табличное значение параметра; TQ - базовая температура (значения tf0 , ос и TQ приведены в [28] )
Рис.2.7 демонстрирует сопоставления расчетов по обобщенному контуру с экспериментальными данными [74] Сравниваются пропускания для случая поглощения в чистых парах воды для четырех температур (Т я 273 К, 293, 323 и 353 К), Экспериментальные данные представлены алпроксимационными кривыми, построенными по формуле [74] . Аппроксимационная формула получена по результатам лазерных лабораторных экспериментов» В табл.2.I приведены данные по нашим расчетам и по расчетам по аппроксимационной формуле [74] Из таблицы и рисунка видно, что полученные данные хорошо согласуются. Таким образом, удается снять вопрос об "отрицательной" температурной зависимости. Однако остается важным вопрос об обнаруженном экспериментально переходе "отрицательной" зависимости в положительную при увеличении температуры выше 400 - 450 К [72,75] Объяснить эту особенность поведения коэффициента поглощения не удается ни по одной из аппроксимационных формул. Предпринятые в этом вопросе исследования в нашей работе [28] позволили предположить, что параметр б должен стремиться к некоему максимальному значению o Wx . Значение Wx можно найти из эксперимента, зная, при какой температуре происходит смена знака температурной зависимости [72,75] Проведенные расчеты со значением бтах , найденным в І [28] , с учетом предположения о росте (Г добтлх при увеличении Т и дальнейшем ее постоянстве показали, что удается описать и этот факт. Это иллюстрирует рис. 2.8, где пунктирной кривой показана типичная зависимость коэффициентов поглощения, рассчитанных по аппроксимационной формуле [33].
Атлас интенсивности собственного излучения системы "атмосфера - подстилающая поверхность" для окна прозрачности 8-12 мкм
Необходимость учета селективного поглощения определяется наличием довольно сложной структуры окна прозрачности 8-12 мкм [7,20,76J . Основной поглощающей компонентой является водяной пар» Линии вращательной полосы и линии полосы 6.25 мкм перекрывают практически весь интервал 8-12 мкм. Вносят вклад в поглощение и линии полос углекислого газа, в частности, 15 мкм полосы и слабых полос с центрами около 10.4 и 9.4 мкм. Важной поглощающей компонентой является озон, две колебательно-вращательные полосы которого перекрываются в районе 9.1-9.6 мкм. На формирование селективной структуры окна оказывают влияние также и другие компоненты (например, Ш и /)» но их вклад незначителен
Как отмечалось в 1-й главе, для корректного учета реальной структуры полос поглощения атмосферными газами необходимо знание параметров тонкой структуры полос поглощения этих газов К этим параметрам относятся частоты центров, интенсивности и полуширины, а также форм-фактор спектральных линий. Рассмотрим, как обстоит вопрос с данными параметрами для окна прозрачности. Информация о полуширинах, интенсивностях и центрах спектральных линий в настоящий момент накоплена в значительных количествах» Создаются и постоянно пополняются каталоги этой информации [66], Не останавливаясь подробно на этом вопросе (более полно он рассматривается в Ш главе), отметим только, что информация, хранящаяся в каталогах, приведена к стандартным условиям (Т я 296 К, PsI атм) и для использования должна пересчитываться для конкретных условий проведения расчетов. Для пересчета существуют соотношения, учитывающие зависимость параметров тонкой структуры от температуры и давления [20,66]. Для интенсивности спектральной линии зависимость от температуры задается в виде соотношения где Т0 s 296 К; $ (TQ) - значение интенсивности при TQ; и энергия нижнего состояния молекулярного перехода; К - постоянная Больцмана; U - показатель степени (для HgO и 0о - 1.5, для COg - I [66]); % - частота центра линии; Т - температура Зависимость полуширин спектральных линий от давления и температуры задается в виде [20,66] где TQ и PQ - стандартные температура и давление; ft - лорен-цовская полуширина спектральной линии при PQ и Т ; hi - показатель степени в общем случае меняется по спектру от линии к линии, однако для задач переноса излучения в атмосфере его принято задавать равным 0#5-0.62 [20] . При учете селективного поглощения на больших высотах в атмосфере необходимо учитывать доппле-ровское уширение спектральных линий, Допплеровская полуширина рассчитывается по формуле [20] где с - скорость света;т - масса молекулы. Смысл остальных обозначение расшифрован выше. Спектральный коэффициент поглощения в одиночной линии представляется как где f-( -Vo) - форм-фактор, описывающий форму спектральной линии; S - интегральная интенсивность. В подавляющем большинстве исследований поглощения радиации в рассматриваемом диапазоне используется дисперсионный или лоренцовский контур спектральной линии. Форм-фактор линии в этом случае представляется в виде
Это связано с тем, что лоренцовский контур, являясь весьма простым, достаточно хорошо описывает центральную часть линии на высотах в среднем до 30 км, где сосредоточена основная масса газов, поглощающих в данном диапазоне [20]
В реальных условиях атмосферы наряду с эффектом уширения линий за счет столкновений молекул (эффект описывается дисперсионным контуром) действует и допплеровское уширение. Уширение за счет столкновений молекул убывает с высотой пропорционально давлению (2 18). Действие допплеровского уширения линий в приземном слое пренебрежимо мало в сравнении с уширением за счет столкновений. Однако, как следует из оценок, приведенных в [20], на определенных высотах действие обоих механизмов становится одинаковым, и необходим совместный их учет. При дальнейшем увеличении высоты допплеровская полуширина становится больше ло-ренцовской. Совместное рассмотрение двух эффектов уширения спектральных линий приводит к следующему выражению для коэффициента поглощения [20] :
В литературе соотношение (2.22) известно как формула Фойгта, представляющая собой свертку лоренцовского и допплеровекого контуров спектральной линии»
Проблеме расчета коэффициентов поглощения по формуле (2.22) последние годы уделяется значительное внимание. Можно указать ряд работ последних лет, посвященных этому вопросу (например, [78-80] ). На основе различных аппроксимационных формул и разложений контура Фойгта,или используя быстрое преобразование фурье (БПФ), делаются попытки решить вопрос об оперативном и точном вычислении коэффициентов поглощения Столь пристальное внимание к расчетам по формуле (2.22) обусловлено проблемами вычисления несобственного интеграла. При вычислении такого интеграла сталкиваются с проблемами: - оптимального выбора границ интегрирования; - выбора шага интегрирования; - точности и оперативности расчетов.
