Введение к работе
Актуальность работы
Озон играет важную роль в физике атмосферы и имеет большое влияние на жизнь на Земле, защищая ее поверхность от ультрафиолетового излучения. Превышение уровня ультрафиолетовой радиации может губительно сказаться на живых организмах. Деятельность человека меняет среду обитания, выбрасываемые в атмосферу вещества разрушают озоновый слой. Содержание озона в атмосфере снижается, появляются региональные аномалии в его распределении - "озоновые дыры". Нет сомнений, что земная озоносфера будет оставаться предметом глобальных исследований и мониторинга в течение длительного времени.
Основной причиной нарушения озонового слоя считается выброс в атмосферу хлорофтороуглеродных соединений - фреонов. Существуют и другие разрушающие озон соединения, прежде всего окислы азота, источником которых является, в основном, закись азота N2O. Поэтому изучение закиси азота является частью исследований по озоновой проблеме.
Для изучения атмосферы необходим комплексный подход с использованием различных методов. Наземное дистанционное зондирование имеет ряд преимуществ по сравнению с баллонными, ракетными и спутниковыми методами. Это возможность проведения долговременных непрерывных измерений независимо от сезона и времени суток, дешевизна и экологическая безвредность наземных приборов по сравнению с аппаратурой, устанавливаемой на носителях. Традиционно для дистанционного зондирования используется инфракрасный диапазон. Микроволновый диапазон имеет ряд преимуществ; прежде всего это слабая зависимость от присутствия в атмосфере аэрозолей и легкой облачности. Кроме того, с уменьшением частоты увеличивается высотный предел дистанционного зондирования. Радиодиапазон, в отличие от инфракрасного, может быть использован для изучения гораздо более высоких слоев атмосферы - верхней стратосферы и нижней мезосферы. Поэтому разработка аппаратуры для микроволнового дистанционного зондирования атмосферы является актуальной задачей.
Одновременные наблюдения радиоизлучения озона в нескольких спектральных линиях представляют интерес в связи с тем, что они могут привести к обнаружению новых связей между состоянием атмосферы Земли и солнечной активностью. Обычно для мониторинга озона выбирают наиболее интенсивные линии. При сравнении интенсивно-стей линий с разными квантовыми числами возникает задача исследования слабых линий (оптическая толщина ~ 10_3 неп) и разработки специальных методик.
Последствия изменения содержания озона в атмосфере разнообразны и в большинстве своем неблагоприятные. Проведение исследований, которые помогут свести к минимуму эти последствия - важная и актуальная задача, имеющая существенное значение для народного хозяйства. В данной работе такие исследования выполнены. Кроме того, создана техника для решения такой важной задачи, как исследование атмосферного озона.
Цель работы
В данной работе ставились следующие цели:
-
Создание комплекса измерительной аппаратуры для дистанционного зондирования атмосферы в трехмиллиметровом диапазоне с возможностью оперативной перестройки по частоте и с применением параллельно-последовательного анализа спектра. Разработка методики измерения слабых теллурических линий в данном диапазоне.
-
Проведение измерений нескольких спектральных линий атмосферного озона как для выявления временных вариаций каждой из них, так и для сравнения относительных интенсивностей линий.
-
Разработка и исследование методов решения обратной задачи дистанционного зондирования атмосферы -восстановления высотных распределений концентрация газов по контуру теллурической линии.
-
Исследование корреляции временных вариаций от ношения интенсивностей теллурических линий озона ( солнечной активностью.
-
Обнаружение слабой теллурической линии закисі азота.
Научная новизна работы
-
Создана аппаратура для дистанционного зондирования атмосферы - перестраиваемый по частоте в диапазоне 90...110 ГГц спектрорадиометр с комбинированным - параллельно-последовательным анализатором спектра. Сочетание гибкой схемы спектрального анализа и возможности частотной перестройки позволило проводить измерения теллурических линий различных газов.
-
Проведены циклы одновременных измерений линий озона на частотах 96228 и 101736 МГц. Получен обширный экспериментальный материал, позволивший проследить вариации интенсивности каждой из наблюдавшихся линий. Это первый ряд данных по одновременным наблюдениям двух теллурических линий. Средние значения измеренных интенсивностей согласуются с теоретическими данными и результатами других исследователей. Вариации отношения интенсивностей линий позволяют сделать предположение о возможных нарушениях равновесного распределения молекул озона по вращательным энергетическим уровням.
-
Разработан оригинальный метод решения обратной задачи атмосферного дистанционного зондирования для оптически тонких теллурических линий. Метод не требует использования детальной информации о характере распределения озона. Восстановленные высотные распределения концентрации озона находятся в удовлетворительном согласии с известными данными.
-
Проведено исследование связи временных вариаций отношения интенсивностей теллурических линий озона с солнечной активностью. Установлена слабая положительная корреляция отношения интенсивностей линий на частотах 101,7 и 96,2 ГГц с солнечным нейтронным излучением.
-
Впервые обнаружена теллурическая линия закиси азота на частоте 100492 МГц. Проведены долговременные наблюдения этой линии. Результаты указывают на сильную переменность линии, что позволяет использовать мониторинг закиси азота в качестве индикатора перемешивании воздушных масс в верхней стратосфере.
Практическая и теоретическая значимость работы
Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при исследованиях атмосферы Земли. Данные об отношении интенсивностеи теллурических линий озона могут открыть новый способ исследования солнечно-земных связей. Мониторинг закиси азота может стать инструментом изучения перемешивания воздушных масс в атмосфере. Разработанная аппаратура может быть использована для дальнейших исследований атмосферных процессов и влияния солнечной активности на атмосферу.
Работа велась в рамках
Федеральной целевой программы "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 года",
гранта РФФИ 96-02-16988-а,
гранта Министерства общего и профессионального образования РФ по программе "Фундаментальные проблемы окружающей среды и экологии человека",
нескольких госбюджетных научно-исследовательских работ в НИЧ ИНГУ.
Вклад автора
Личное участие автора в полученных результатах следующее:
автор самостоятельно разработал и изготовил ряд блоков измерительного комплекса, провел их тестирование и апробацию;
провел ряд наблюдений радиоизлучения атмосферы в трехмиллиметровом диапазоне: нерезонансного и в спектральных линиях озона и закиси азота;
разработал программное обеспечение для управления аппаратурой и обработки результатов;
предложил и исследовал метод восстановления высотного распределения газа по контуру теллурической линии;
исследовал данные, полученные из наблюдений, в частности, связь линий озона с его общим содержанием и солнечной активностью и временные вариации линий закиси азота.
Апробация результатов работы и публикации
Результаты диссертационной работы докладывались на международной конференции "XXVII Радиоастрономическая конференция" (Санкт-Петербург, 1997), на всероссийских конференциях молодых ученых "Атмосферный озон" (Москва, 1996, 1997), на третьей и четвертой нижегородской сессиях молодых ученых (Нижний Новгород, 1998, 1999), на научных конференциях по радиофизике ННГУ (Нижний Новгород, 1993-1996, 1998-2000), а также на семинарах Научно-исследовательского Радиофизического Института, Института Прикладной Физики РАН (Нижний Новгород) и кафедры радиотехники ННГУ.
По результатам работы опубликовано 6 статей в рецензируемых центральных журналах и 17 работ в материалах научных конференций.
На защиту выносятся следующие результаты:
-
Создание комплекса измерительной аппаратуры для дистанционного зондирования атмосферы в трехмиллиметровом диапазоне. Это радиометр с двухполосной шумовой температурой ~ 1000 К с комбинированным - параллельно-последовательным спектроанализатором. В отличие от аналогичных приборов для наблюдений малых составляющих данный спектрорадиометр имеет возможность оперативной перестройки частоты в диапазоне 90...110 ГГц. Сочетание гибкой схемы спектрального анализа и возможности частотной перестройки позволило проводить измерения теллурических линий разных газов в указанном диапазоне.
-
Разработка контроллера для обеспечения интерфейса между радиометром и персональным компьютером, решение задачи электромагнитной совместимости.
-
Разработка и апробация методики измерения оптической толщины слабых (~ Ю-4 неп) теллурических линий в диапазоне 90...110 ГГц.
-
Результаты нескольких циклов измерений линий озона на частотах 96228 МГц и 101736 МГц в период 1996-2000 гг. Получен обширный экспериментальный материал, позволивший проследить вариации интенсивности каждой из наблюдавшихся линий. Измерялись и другие,
более слабые, линии (на частотах 103878 и 110836 МГц). Средние значения измеренных интенсивностей согласуются с теоретическими. Это первый ряд данных по одновременным наблюдениям двух и более теллурических линий. Вариации отношения интенсивностей двух линий позволяют сделать предположение о возможных нарушениях равновесного распределения молекул по вращательным энергетическим уровням.
-
Апробация двух методов решения обратной задачи атмосферного дистанционного зондирования. Один из этих методов (для оптически тонких теллурических линий) полностью разработан в данной работе. Восстановленные высотные распределения концентрации озона находятся в удовлетворительном согласии с известными данными.
-
Проведение исследования корреляции временных вариаций отношения интенсивностей теллурических линий озона с солнечной активностью. Установлена слабая корреляция этого отношения с солнечным нейтронным излучением.
-
Обнаружение теллурической линии закиси азота на частоте 100492 МГц. Проведены долговременные наблюдения этой линии. Результаты указывают на сильную переменность линии, что позволяет использовать мониторинг закиси азота в качестве индикатора перемешивании воздушных масс в верхней стратосфере.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из Введения, трех Глав, Заключения и Приложения. Объем диссертации составляет 104 стр., в том числе 95 стр. основного текста. Список литературы содержит 82 наименования и приведен на 9 страницах.
