Введение к работе
Актуальность темы
Аэрозоль является одной из основных составляющих атмосферы, которая оказывает значительное влияние на различные атмосферные процессы. Аэрозольные частицы служат ядрами конденсации, необходимыми для образования облаков и туманов, являются одной из причин изменения теплового баланса атмосферы, влияют на экологическое состояние воздушного бассейна. Процессы рассеяния и поглощения излучения частицами атмосферного аэрозоля ухудшают контраст и изменяют цвет изображений земной поверхности, получаемых с искусственных спутников. Поэтому усовершенствование методов исследования атмосферного аэрозоля и разработка аэрозольных моделей атмосферы являются актуальными для решения задач экологии, климатологии и дистанционного зондирования земной поверхности с космических аппаратов.
Накоплеїшьій к настоящему времени большой объем экспериментальных данных по оптическим и микрофизическим параметрам аэрозоля позволил разработать глобальные аэрозольные модели атмосферы. В то же время, аэрозоль обладает большой пространственно-временной изменчивостью, что приводит к необходимости разработки региональных аэрозольных моделей, учитывающих особенности конкретной местности. В частности, для решения многих задач экологии, климатологии и дистанционного зондирования предпочтительно использовать именно региональные модели.
Разработка региональных моделей атмосферного аэрозоля для Казахстана приобрела особую актуальность в связи с организацией центра приема и обработки космической ішформапии, корректная интерпретация которой невозможна без учета искажающего влияния
атмосферы. Большое значение имеет создание таких моделей для плотно населенного и хозяйственно развитого региона г. Алматы и Алматинской области, для которого характерно большое число источников генерации аэрозоля и разнообразие типов подстилающей поверхности (включая такие труднодоступные участки, как ледники, снеговые поля, горные реки). Поэтому разработка аэрозольных моделей атмосферы именно для этого региона актуальна для задач диагностики с ИСЗ водозапаса, состояния почв и растительного покрова, а так же для оценки сельскохозяйственных площадей и прогноза урожайности.
Целью работы является:
- разработка метода определения оптической толщины и
индикатрисы рассеяния атмосферного аэрозоля по индикатрисам
яркости безоблачного неба, измеренным в солнечном альмукантарате, с
учетом процессов многократного рассеяния и отражения света от
подстилающей поверхности;
- определение микрофизических параметров приземного аэрозоля
из измеренных аэрозольных спектральных оптических характеристик в
приближении однородных сферических частиц;
- разработка региональных оптических и микрофизической
моделей атмосферного аэрозоля для Юго-Восточного Казахстана,
необходимых для проведения атмосферной коррекции данных
дистанционного зондирования земной поверхности с искусственных
спутников;
- исследование влияния антропогенного аэрозоля на деформацию
контуров теллурических линий атмосферных газов в облачной
атмосфере и разработка метода наземного определения оптической
толщины поглощения облака.
Научная новизна работы:
впервые исследована зависимость угла рассеяния, для которого легко решается задача определения аэрозольной оптической толщины по яркости неба в солнечном альмукантарате, от области спектра, альбедо подстилающей поверхности и фактора мутности атмосферы с учетом процессов многократного рассеяния и отражения от подстилающей поверхности;
разработана новая методика определения аэрозольной оптической толщины и индикатрисы рассеяния по индикатрисам яркости безоблачного неба, измеренным в солнечном альмукантарате, на основе численного решения уравнения переноса излучения;
показана возможность использования теории рассеяния Ми для определения микрофизических параметров аэрозоля из измеренных аэрозольных спектральных оптических характеристик с точностью до 70-90% в зависимости от области спектра:
впервые рассчитана деформация контура теллурической линии кислорода п спектре облачного неба, вызванная наличием слабого неселектнвного поглощения в облаке, и предложен наземный способ определения оптической толщины поглощения для плоско-стратифицированного полупрозрачного облака.
Теоретическая и практическая ценность работы:
- предложенная новая методика определения аэрозольной
оптической толщины и индикатрисы рассеяния по индикатрисам
яркости неба даст возможность с хорошей точностью находить оптические характеристики аэрозоля в тех случаях, когда не могут быть использованы другие методы;
установленная величина деформации контуров теллурических линий атмосферных газов, вызываемая слабым неселективным поглощением света в облаке, указывает на необходимость учета этого явления при оценке оптической толщины рассеяния и исследовании облачной атмосферы в линиях н полосах поглощения;
разработанные региональные оптические модели фонового аэрозоля для горных и равнинных условий, будут использованы для проведения атмосферной коррекции данных дистанционного зондирования земной поверхности из космоса и, тем .самым, для решения практических задач оценки состояния и прогноза урожайности сельскохозяйственных культур, мониторинга экологического состояния почв и растительного покрова, землепользования и т. д.;
микрофизическая модель аэрозоля городской дымки будет использована для решения экологических задач, а также для расчетов влияния аэрозоля антропогенного происхождения на величину радиационных потоков и оценки его роли в формировании регионального климата;
- предложенный способ наземного определения оптических толщин
рассеяітя и поглощения плоско-стратифицированного полупрозрачного
облака является более простым и технически доступным по сравнению с
другими существующими методами, и может использоваться для
решения задач экологии, климатологии и метеорологии.
На защиту выносятся:
1. Методика определения аэрозольной оптической толщины рассеяния и аэрозольной индикатрисы рассеяния из яркости неба, измеренной в солнечном альмукантарате, в видимой и ближней ИК области спектра.
2. Методика оценки микрофизических параметров частиц
аэрозольных фракций по спектральным значениям аэрозольных степени
поляризации, коэффициентов рассеяния и индикатрис рассеяния.
3. Региональные оптические модели атмосферного аэрозоля для
предгорий Юго-Восточного Казахстана н микрофизическая модель
аэрозоля городской дымки.
4. Вывод о деформации контуров теллурических линий поглощения
атмосферных газов в спектре облачного неба из-за наличия в облаках
поглощающих аэрозольных частиц, а так же способ наземного
определения оптических толщин рассеяния и поглощения плоско-
стратифицированного полупрозрачного облака.
Достоверность полученных результатов обеспечивается:
использованием апробированных методов (метода сферических гармоник для численного решения уравнения переноса излучения в атмосфере и теории рассеяния Ми) для расчетов индикатрис яркости неба и аэрозольных оптических характеристик;
использованием многолетнего экспериментального материала при построении оптической и мнкрофизнческон моделей аэрозоля;
удовлетворительным согласованием модельных микрофизических параметров аэрозоля, выделенных из его оптических характеристик, с экспериментальными.
Личный вклад соискателя состоит в анализе и систематизации
многолетпего экспериментального материала, полученного сотрудниками АФИФ МН-АН РК и АГУ им. Абая, участии в получении и обработке данных оптических наблюдений в 1996 г., создании
компьютерных программ расчета оптических характеристик аэрозоля по теории рассеяния Ми и модификации программ численного решения уравнения переноса излучения, разработке нового метода определения аэрозольных оптических характеристик из индикатрис яркости неба, разработке методик и алгоритмов определения оптических и микрофизических параметров аэрозоля из имеющихся экспериментальных данных, а также разработке региональных моделей атмосферного аэрозоля.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались на международной конференции Nato Advanced Research Workshop (Апатиты, 1993); 1-й международной аэрозольной конференции (Москва, 1993); 1-м межреспубликанском симпозиуме "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1994); международной конференции по физике солнечно-земных связей (Алма-Ата, 1994); на международной конференции "Актуальные проблемы математики и математического моделирования экологических систем" (Алма-Ата, 1996); на конференции «Математическое моделирование в естественных науках» (Алма-Ата, 1997), на международной конференции «Естественные и антропогенные аэрозоли» (Санкт-Петербург, 1997 г.)
Работа в целом представлялась на научных семинарах Астрофизического института и института Космических исследовашш МН-АН РК (г. Алматы), на объединенном научном семинаре лаборатории Экологии атмосферы института Водных и Экологических Проблем и лаборатории Аэродисперсных систем НИИ Экологического Мониторинга (г. Барнаул), на объединенном научном семинаре лабораторий Оптики аэрозоля, Оптической погоды и Атмосферной
радиации института Оптики Атмосферы СО РАН (г. Томск), на объединенном научном семинаре отделов Фотоники молекул и Оптической диагностики Сибирского Фнзико-Технического института и кафедры Оптики и спектроскопии ТГУ (г. Томск), на семинаре отдела Контроля Атмосферы Оптическими Методами института Физики Атмосферы РАН (г. Москва).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 155 наименований, содержит 147 страниц машинописного текста, 26 таблиц, 27 рисунков.
