Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Основы метода, аппаратура и методика измерений спектра и профиля озона 13
1.1. Радиофизические основы микроволнового метода 13
1.2. Методика измерений и калибровки 16
1.3. Конструкция анализатора 19
1.4. Исследования возможных ошибок измерений спектра 24
1.4.1. Искажения «базовой линии» 24
1.4.2. Влияние излучения фона 28
1.4.3. Влияние излучения атмосферы во время снегопадов 30
1.5. Процедура восстановления вертикального распределения озона ... 34
1.6. Сопоставление метода с данными озоновых зондов 40
ГЛАВА 2. Результаты исследований динамических вариаций стратосферного озона 48
2.1. Природа динамических вариаций 48
2.2. Динамические вариации интегральных характеристик озона 51
2.3. Идентификация основных динамических событий 56
2.4. Вариации озона во время потеплений и при смене циркуляции 61
2.4.1. Вариации озона во время финального потепления 62
2.4.2. Вариации озона во время минорных потеплений 67
2.4.3. Вариации озона во время главного (зимнего) потепления 72
2.4.4. Вариации озона при смене стратосферной циркуляции 74
2.5. Исследования регулярных суточных вариаций озона 77
ГЛАВА 3. Результаты исследований воздействия на озон протонных вспышек 1989 г 88
3.1. Природа воздействия протонных вспышек на озон и его прогнозы.. 88
3.1.1. Прогноз в рамках 2-мерной модели атмосферы 90
3.1.2. Прогноз в рамках 3-мерной модели и его сопоставление с данными SBUV/2 92
3.2. Ожидаемые и наблюдаемые изменения теллурической линии озона 94
3.3. Вариации озона в период «полярной шапки... 99
3.4.. Вариации озона в период активности азотных радикалов 102
Заключение 112
Список литературы 114
- Радиофизические основы микроволнового метода
- Процедура восстановления вертикального распределения озона
- Вариации озона во время финального потепления
- Прогноз в рамках 3-мерной модели и его сопоставление с данными SBUV/2
Введение к работе
Способность стратосферного озона поглощать ультрафиолетовое излучение Солнца, губительное для всего живого на Земле, предопределяет необходимость не только постоянно контролировать его содержание и распределение в стратосфере, но и всевозможными методами исследовать процессы на них влияющие. В результате озон, воздействующие на него газовые составляющие и их перенос в средней атмосфере изучаются дистанционно почти во всех диапазонах электромагнитных волн, как с поверхности Земли, так и с помощью баллонов, самолетов и спутников, а также различными контактными методами (см., например, [1-3]).
Микроволновые наблюдения вращательных спектров озона и других стратосферных примесей были начаты более 30 лет назад с поверхности Земли и сразу показали преимущества этого метода по сравнению с оптическими и инфракрасными наблюдениями. Микроволны практически не рассеиваются на аэрозолях и значительно меньше ослабляются в облаках. Лучшая спектральная чувствительность и более высокое спектральное разрешение позволяют измерять не просто интенсивность отдельной теллурической линии, а и ее форму, и не только с помощью внеземного источника (Солнца), но и по собственному излучению атмосферы. Форма линии определяется уширением соударениями молекул газа с другими молекулами в сочетании с тепловым уширением Доплера и связана с вертикальным распределением его концентрации на высотах от 15 до 70 км интегральным* уравнением. А наблюдения по собственному излучению атмосферы могут быть круглосуточными и практически непрерывными, в том числе и полярной ночью [4-7].
Для решения интегральных уравнений разработаны численные процедуры восстановления вертикального распределения газа по измерениям его микроволнового спектра (см., например [8]). Их общий недостаток - наличие ошибок восстановления, которые сильно зависят от точности измерений [9]. Другая особенность метода связана с тем, что механизмы уширения, кроме квантово - механических характеристик, зависят еще и от высотных профилей температуры и давления. Это требует и их измерений, особенно в исследованиях стратосферного озона, посколь- ку он, поглощая основную часть ультрафиолетового излучения Солнца, нагревает атмосферу, т.е. изменяет ее температуру и давление [10]. А неоднородности вертикального распределения этих параметров в свою очередь увеличивают ошибки восстановления [II].
Несмотря на все эти трудности, микроволновые исследования развиваются очень широко, особенно бортовые (с самолетов, баллонов и спутников), и уже недалеко до глобального микроволнового мониторинга основных атмосферных составляющих [1-3]. Но наземные наблюдения, несмотря на ограничения их эффективности ослаблением в тропосфере, обеспечивают более высокое пространственное разрешение, чем заатмосферные методы, и всегда актуальны в регионах, где зарождаются или протекают наиболее важные атмосферные процессы. Это полярные широты и в первую очередь-Антарктида [12-14].
Полярная атмосфера и ее озонный слой имеют характерные особенности. Главное - это ежегоднре образование циркумполярного стратосферного циклона, который зимой изолирует полярный воздух, а весной внутри него на стратосферных облаках происходит интенсивное уничтожение озона хлорными примесями. В результате образуется так называемая «озонная дыра» - катастрофическое уменьшение общего содержания озона над всем полярным районом. Основным фактором, противоборствующим «озонной дыре», являются волновые возмущения планетарного масштаба, которые возникают в тропосфере, а затем распространяются в стратосферу и мезосферу. При их торможении или разрушении теплый и богатый озоном воздух средних широт переносится в полярные регионы, что приводит к внезапному стратосферному потеплению и изменению конфигурации циклона. После серии потеплений циклон разрушается и именно планетарная волна является толчком к окончательному перемешиванию полярного и средиеширотного воздуха, которое прекращает уничтожение «защитного экрана планеты» и устанавливает летнюю циркуляцию стратосферы [15-17]. Правда, в результате взаимодействия циклона и планетарных волн обедненный озоном полярный воздух может переноситься в другие регионы, казалось бы, отдаленные от «озонной дыры».
Над Антарктидой циклон значительно мощнее, а «озонная дыра» более существенна, чем в северных полярных широтах. Планетарные волны развиваются преимущественно над районами с 90в.д. - 90 з.д. [18], в большинстве своем нестационарные [17] и поэтому могут воздействовать на озон иначе, чем характерные для Арктики стационарные волны [19,20]. В моделях [17,19] для таких возмущений только предполагается, что, как и при стационарной волне, возникает меридионально - вертикальный поток к полюсу, но не вблизи критического уровня, а в слое торможения ветра, где, например, волновая амплитуда уменьшается с высотой. Чаще всего такое взаимодействие поток - волна приводит к «минорным» внезапным потеплениям с характерной релаксацией циклона к невозмущенному состоянию. «Главных» потеплений, когда изменения в циклоне необратимы, может быть всего два (одно в середине полярной ночи, а другое - «финальное» - в октябре-ноябре) и они наблюдаются при «нелинейном» разрушении квазистационарных волн. При финальном потеплении температура и концентрация озона в стратосфере не просто резко возрастают, а происходит сжатие циклона. В верхней стратосфере может возникнуть антициклон, но внизу холодное ядро часто сохраняется и задерживает разрушение циркумполярного циклона вплоть до декабря [17-19,21].
Задержка определяет особую для Антарктиды смену стратосферной циркуляции с зимней на летнюю. Этот процесс начинается со смены направления стратосферного ветра с западного на восточное, а заканчивается глобальным перемешиванием воздуха средних и полярных широт. В Антарктике между финальным потеплением и окончательным перемешиванием воздуха может пройти больше месяца. В этот период в верхней части стратосферы может уже установиться летняя циркуляция, а в нижней части еще сохраняться зимняя. Поэтому, могут возникнуть особенности и в вертикальном распределении озона, и в его вариациях. Кроме того, волновые возмущения в это время уже слабы, а атмосфера еще далека от радиационного равновесия [21,22]. Согласно моделям [17,19], в таких условиях возможно превышение «диабатической» циркуляции, которая первоначально вынуждается диабатическим теплом, над планетарными волнами. А на практике поток тепла все- . . 7 гда управляет ускорением ветрового потока, а значит и процессами переноса [17]. Поскольку тепло поставляется солнечной радиацией, то здесь возможны суточные вариации вертикального распределения озона, особенно вблизи главной струи циклона, где высокий меридиональный градиент концентрации этого газа.
Другая особенность полярной атмосферы - она открыта для космических частиц, поток которых резко возрастает во время протонных вспышек на Солнце [23-26]. Это приводит к росту концентрации азотных и водородных радикалов, которые активизируют соответствующие каталитические циклы уничтожения нечетного кислорода. Водородный каталитический цикл в течение нескольких часов может уменьшать концентрацию озона в мезосфере на 70% [24], а азотный в течение несколько недель - в верхней стратосфере на 18% [25,26]. Это представление подтверждено ракетными и спутниковыми наблюдениями мощных протонных событий 1969, 1972 и 1983 гт.
Возможен еще механизм влияния протонных вспышек на озон - увеличение тех же водородных радикалов, но под воздействием релятивистских электронов с энергией до нескольких МеВ, высыпающих в атмосферу субавроральной зоны (широты 60 -70) в период геомагнитных бурь, часто сопровождающих протонные вспышки. Но все эти механизмы приводят к незначительным (по сравнению с «озонной дырой») изменениям в'общем содержании газа. Поэтому после открытия этого явления проблема воздействия протонных вспышек на озон стала рассматриваться скорее не с точки зрения сохранности озонного слоя, а как природный тест всей азотной и водородной фотохимии средней атмосферы [10].
Динамика взаимодействия циркумполярного циклона и планетарных волн экспериментально исследуется по данным аэрологического и спутникового зондирования температуры, скорости ветра, его направления и т.п. По ним определяются основные динамические характеристики возмущенной стратосферы: потенциальная завихренность Эртеля, балансный зональный ветер, поток теплоты, поток импульса, а также Фурье-компоненты гсопотенциальной высоты с зональными вол- новыми числами 1 и 2 (см., например, [27]). В последнее время исследования динамики нижней стратосферы ведутся с помощью трассера N2O [14].
Воздействие на озон динамических процессов, как и хлорных примесей, широко контролируется контактными баллонными зондами и оптическими методами, измеряющими общее содержание газа на луче зрения как со спутников [29], так и с поверхности Земли [21,29]. Эта величина определяется концентрацией озона на высотах 15-30 км, где его время жизни составляет несколько месяцев и более быстрые вариации, если они есть, имеют заведомо динамическое происхождение [10].
Но на точность оптических измерений сильно влияет рассеяние на аэрозолях. Они, как и аэрологическое зондирование, малоэффективны полярной зимой (первые - из-за низкой высоты Солнца, а второе - из-за ограничения высоты подъема зондов при низкой температуре). Кроме того, этим методам совершенно недоступна изменчивость концентрации озона в верхней стратосфере и мезосфере, как динамическая, так и фотохимическая, например, вызванная фотолизом озона [30] или воздействием азотных и водородных радикалов во время тех же протонных вспышек на Солнце [24,26]. Эти наблюдения проводятся с помощью дорогих ракет и спутников [31,32]. И для большинства методов труднореализуемы круглосуточные наблюдения. Видимо, поэтому в моделях атмосферной динамики ее особенности в течение суток даже не рассматриваются [17-19,33].
В Арктике микроволновые исследования динамических вариаций вертикального распределения стратосферного озона, в том числе полярной ночью и в течение суток, были начаты в 1986 г. авторами работ [34,35]. Их целесообразность была обусловлена тем, что теллурическая линия озона существенно сильнее линий других возможных трассеров, а вклад в нее слоя 20-30 км является определяющим [7]. При этом можно одновременно контролировать изменчивость концентрации озона и в более высоких слоях средней атмосферы. Идея подтвердилась микроволновыми наблюдениями стратосферного потепления и корреляции между вариациями вертикального распределения озона и изменениями геопотенциала [36]. В Антарктике микроволновые наблюдения стратосферного озона были начаты примерно в тот же период, но долгое время проводились лишь раз в три дня, поскольку основное внимание уделялось хлорным примесям [12,13].
Первоначально целью данной работы было подробное изучение наземным микроволновым методом динамических вариаций вертикального распределения озона в атмосфере над Антарктидой. Ее актуальность была обусловлена недостатком информации для понимания и моделирования волновых процессов, препятствующих истощению озонного слоя, особенно в тех слоях атмосферы, в то время года и суток, которые были труднодоступны другим методам исследования. Поэтому наши наблюдения проводились по возможности круглосуточно и непрерывно [37]. Частотное разрешение прибора и его чувствительность позволяли исследовать не только стратосферный, но и мезосферный озон. Наблюдения охватили период с июня 1989 г. по февраль 1990 г., т.е. от «главного» (зимнего) внезапного потепления до устойчивой летней циркуляции стратосферы. Долгота обсерватории «Мирный» (93 в.д.) соответствовала району, где развиваются планетарные волны [18]. Широта (66,5 ю.ш.) была близка к главной струе стратосферного циклона, где динамические процессы наиболее существенны на сравнительно небольших пространственных масштабах [28]. Для идентификации и изучения этих процессов, полученные результаты сопоставлялись с данными аэрологического зондирования температуры и скорости ветра [38], с данными озоновых зондов ЕСС-4А [39], с вариациями общего содержания озона [28,29], а также со средне - зональными амплитудами геопотенциальной высоты [27].
Но позднее было выяснено, что в период наблюдений произошли уникальные по мощности протонные вспышки на Солнце, которые по количеству образовавшихся азотных радикалов даже превосходили знаменитые события 1972 г. [40]. Их воздействие на озон было спрогнозировано в работах [40,41] на основе азотной фотохимии и данных о потоке протонов, полученных со спутника GEOS-7 [42]. В тоже время, одни результаты наблюдений этих вспышек [31] совпали с прогнозами [40,41], а другие [41,31,32, 43] - нет. И вообще, исследования мощных протонных вспышек 22 цикла солнечной активности показали существенное уменьшение об- щего содержания озона под их воздействием, что противоречило сложившемуся представлению. Одни авторы [43] связывали обнаруженные эффекты с теми же водородным и азотным каталитическими циклами, но в нижней части стратосферы, а другие [31] считали более правдоподобной гипотезу о нарушении зональности стратосферной циркуляции во время протонных событий. Предполагалось даже [32], что эти процессы могут существенно уменьшить содержание озона в атмосфере во время «озонной дыры». Поскольку микроволновых наблюдений этих событий не проводилось, то это увеличило ценность наших данных и предопределило второе актуальное направление работы — анализ вариаций вертикального распределения озона, которые можно отнести к воздействию на него протонных вспышек.
В Главе 1 рассматриваются радиофизические основы формирования микроволновых спектров озона и приводятся все необходимые для их расчета квантово - механические параметры. Излагается обоснование физически более понятной двухслойной модели атмосферы [9,44], на основе которой была усовершенствована [37] методика измерений и калибровки спектров по ее собственному излучению [45]. Дается краткое описание аппаратуры и исследуются аспекты, влияющие на точность измерений: искажения «базовой линии», особенности излучения фона, которым являлся снежный покров [46], и излучения атмосферы во время снегопадов [47]. Рассматривается процедура восстановления вертикального распределения озона из измеренных спектров, разработанная на основе метода Рандеггера-Шахина [9], адаптированного к измерениям спектра оптической толщины в работе [48]. Процедура была апробирована в работах [49-53], после чего скорректирована в [54], что позволило уменьшить ошибки восстановления и продлить ее в мезосфе-ру. Высотные профили температуры и давления брались из данных аэрологического и ракетного зондирования [38]. Проводится сопоставление вертикальных распределений озона, измеренных микроволновым методом, с данными 21 озоновых зондов ЕСС-4А [39]. Сопоставление проведено в разных погодных условиях и при разных состояниях циркумполярного циклона, в том числе во время внезапных потеплений, как в южных, так и в северных полярных широтах [54,55].
11 В Главе 2 рассмотрена природа динамических вариаций озона и приводятся результаты их экспериментальных исследований над Антарктидой. Вначале анализируются вариации интегральных характеристик - содержания озона выше 22 км и интенсивности теллурической линии. Проведено их сопоставление с общим содержанием озона. Особое внимание уделено вариациям этих величин в течение суток, полярной ночью, а также в период, когда ожидалась максимальная активность азотных радикалов [41]. Далее по изменениям стратосферной температуры, зональной составляющей скорости ветра, а также общего содержания озона на луче зрения, идентифицируются основные динамические события - внезапные потепления и смена стратосферной циркуляции с зимней на летнюю. Рассматривается их влияние на изменчивость концентрации озона в нижней и в верхней части стратосферы. Для обоснования периода усреднения измеренных спектров определяется время суток, когда начинаются внезапные потепления. Затем во время идентифицированных событий подробно анализируются вариации отношения смеси озона в стратосфере. Проводится их сопоставление с изменчивостью здесь температуры, скорости ветра, геопотенциала и общего содержания озона, измеренного, в том числе, и со спутников [28] (по ним контролируется конфигурация циклона). Рассматриваются вариации и вертикального распределения отношения смеси озона в стратосфере. Проводится их сопоставление при трех внезапных потеплениях и при последующей адвекции воздушных масс. Особое внимание уделено «главкому» (зимнему) потеплению и смене стратосферной циркуляции. В завершении главы исследуются суточные вариации отношения смеси озона как в мезосфере, обусловленные его фотолизом, так и в стратосфере, вероятно вызванные взаимодействием циклона и планетарных волн. Обнаруженные вариации интерпретируются.
Радиофизические основы микроволнового метода
Одни авторы [43] связывали обнаруженные эффекты с теми же водородным и азотным каталитическими циклами, но в нижней части стратосферы, а другие [31] считали более правдоподобной гипотезу о нарушении зональности стратосферной циркуляции во время протонных событий. Предполагалось даже [32], что эти процессы могут существенно уменьшить содержание озона в атмосфере во время «озонной дыры». Поскольку микроволновых наблюдений этих событий не проводилось, то это увеличило ценность наших данных и предопределило второе актуальное направление работы — анализ вариаций вертикального распределения озона, которые можно отнести к воздействию на него протонных вспышек.
В Главе 1 рассматриваются радиофизические основы формирования микроволновых спектров озона и приводятся все необходимые для их расчета квантово - механические параметры. Излагается обоснование физически более понятной двухслойной модели атмосферы [9,44], на основе которой была усовершенствована [37] методика измерений и калибровки спектров по ее собственному излучению [45]. Дается краткое описание аппаратуры и исследуются аспекты, влияющие на точность измерений: искажения «базовой линии», особенности излучения фона, которым являлся снежный покров [46], и излучения атмосферы во время снегопадов [47]. Рассматривается процедура восстановления вертикального распределения озона из измеренных спектров, разработанная на основе метода Рандеггера-Шахина [9], адаптированного к измерениям спектра оптической толщины в работе [48]. Процедура была апробирована в работах [49-53], после чего скорректирована в [54], что позволило уменьшить ошибки восстановления и продлить ее в мезосфе-ру. Высотные профили температуры и давления брались из данных аэрологического и ракетного зондирования [38]. Проводится сопоставление вертикальных распределений озона, измеренных микроволновым методом, с данными 21 озоновых зондов ЕСС-4А [39]. Сопоставление проведено в разных погодных условиях и при разных состояниях циркумполярного циклона, в том числе во время внезапных потеплений, как в южных, так и в северных полярных широтах [54,55]. В Главе 2 рассмотрена природа динамических вариаций озона и приводятся результаты их экспериментальных исследований над Антарктидой. Вначале анализируются вариации интегральных характеристик - содержания озона выше 22 км и интенсивности теллурической линии. Проведено их сопоставление с общим содержанием озона. Особое внимание уделено вариациям этих величин в течение суток, полярной ночью, а также в период, когда ожидалась максимальная активность азотных радикалов [41]. Далее по изменениям стратосферной температуры, зональной составляющей скорости ветра, а также общего содержания озона на луче зрения, идентифицируются основные динамические события - внезапные потепления и смена стратосферной циркуляции с зимней на летнюю. Рассматривается их влияние на изменчивость концентрации озона в нижней и в верхней части стратосферы. Для обоснования периода усреднения измеренных спектров определяется время суток, когда начинаются внезапные потепления. Затем во время идентифицированных событий подробно анализируются вариации отношения смеси озона в стратосфере. Проводится их сопоставление с изменчивостью здесь температуры, скорости ветра, геопотенциала и общего содержания озона, измеренного, в том числе, и со спутников [28] (по ним контролируется конфигурация циклона). Рассматриваются вариации и вертикального распределения отношения смеси озона в стратосфере. Проводится их сопоставление при трех внезапных потеплениях и при последующей адвекции воздушных масс. Особое внимание уделено «главкому» (зимнему) потеплению и смене стратосферной циркуляции. В завершении главы исследуются суточные вариации отношения смеси озона как в мезосфере, обусловленные его фотолизом, так и в стратосфере, вероятно вызванные взаимодействием циклона и планетарных волн. Обнаруженные вариации интерпретируются.
Глава 3 целиком посвящена исследованиям воздействия на озон протонных вспышек на Солнце в августе-октябре 1989 г. и интерпретации их результатов. Рассмотрены механизмы этого воздействия и теоретические прогнозы роста количества азотных радикалов и соответствующего уменьшения концентрации озона в верхней стратосфере [40,41]. Проведена оценка возможностей микроволнового метода по обнаружению этого уменьшения [57]. Исследуются вариации интенсивности теллурической линии озона, усредненной в полосе 3 и 0.3 МГц во время этих событий, и проводится их сопоставление с результатами сделанной оценки, с изменчивостью потока протонов [51] и с данными риометрического поглощения радиоволн, которое характеризует степень ионизации атмосферы [38]. Результаты используются для оценки воздействия водородных радикалов на мезосферный озон [57]. Далее анализируются вариации отношения смеси озона в стратосфере в период сильной ионизации атмосферы (так называемой «полярной шапки»), вызванной наиболее мощными протонными вспышками в октябре. Выделены изменения в озоне, которые коррелируют с резким ростом риометрического поглощения. Проводится сопоставление в этот период вариаций вертикального распределения отношения смеси озона NQ (h) с его вариациями во время динамических событий.
В завершении главы рассмотрены наиболее характерные вариации NQ (ТІ) в период, когда прогнозировалась максимальная активность азотного каталитического цикла [40,41]. Проводится их сопоставление с вариациями температурного профиля. Поскольку изменения этих величин могут быть вызваны как фотохимическим воздействием азотных радикалов на озон, так и динамическими процессами, то предпринимается попытка выделить первое усреднением второго. Выделение проводится сопоставлением вертикального распределения отношения смеси озона в периоды высокой и низкой активности азотного каталитического цикла, усредненного в изэнтропических координатах в интервалах, приблизительно кратных периоду вращения воздушных масс в циркумполярном циклоне, исключающих сильные внезапные потепления и отдельных для зимней и летней циркуляции стратосферы. Полученные результаты сопоставляются с прогнозами [40,41] и с данными ракетных измерений [31].
Процедура восстановления вертикального распределения озона
Режим фазовой стабилизации частоты гетеродинов контролировался ЭВМ, При выходе системы из этого режима вырабатывался сигнал «сбой» и накопление данных прекращалось до устранения неисправности. Это обеспечивало относительную нестабильность анализатора, близкую к нестабильности кварцевого синте затора и кварцевых же опорных частот.
Основное сечение волновода применено лишь в смесителях. В качестве приемного смесителя использовалось изделие "Корсаж-2", выполненное по балансной схеме на основе планарных диодов с барьером Шоттки с применением интеграль-но-планарной технологии. Смеситель был ориентирован для приема излучения на вертикальной составляющей поляризации. Для системы стабилизации частоты на основе планарных же диодов был изготовлен субгармонический смеситель.
Усилители промежуточной частоты УПЧ-1 и УПЧ-2 - промышленные образцы Олимпик-1, УТР-5 (полоса 600-100 МГц), УТР-4 и УТР-2 (полоса 200-310 МГц).
Преобразователи - устройства, выполненные на ферритовых кольцах. Трехкратное преобразование частоты позволило добиться частотного разрешения 0.1 МГц вблизи центра линии и обеспечить полосу анализа НО МГц с помощью сравнительно небольшого числа простых двухконтурных LC-фильтров. Основной анализатор представлял собой набор из 20-ти таких фильтров с полосой от 3-х до 8-ми МГц («широких»), рассредоточенных по низкочастотному склону теллурической линии. Дополнительный анализатор состоял из 16-ти «узких» фильтров с полосой 0.1 МГц, перекрывающих полосу 1.6 МГц. Частоты гетеродинов подбирались таким образом, чтобы частота вращательного перехода совпадала с центральной частотой 1-го «широкого» и 3-го «узкого» каналов [37].
После фильтрации осуществлялось квадратичное детектирование и детектирование, синхронное с частотой модуляции. Последовательный опрос синхронных детекторов производился мультиплексерами. Преобразованная АЦП в цифровой код информация обрабатывалась ЭВМ. При точности преобразования 5 мВ относительная погрешность регистрации не превышала 1%. В качестве ЭВМ использовалась HYTEC-1020. Управляющие, коммутационные и преобразующие модули были выполнены в стандарте С AM АС.
Функционально в конструкцию анализатора спектра было заложено также измерение сигналов «широкого» и «зеркального» каналов (оба с полосой около 400 МГц), но их использование в наблюдениях оказалось нецелесообразным.
Чувствительность прибора при постоянной времени 1сек составляла 3К в полосе 3 МГц. Для удобства работы аппаратура располагалась в обогреваемой лаборатории, а наблюдения велись через ее окно. На открытом воздухе находились только вход антенны и калибровочный обтюратор.
В создании анализатора спектра участвовали Андриянов А. Ф., СЮ. Дрягин, И.В. Кузнецов, Л.М. Кукин, П.Л. Никифоров, а также А.Б. Буров, А.В. Кузнецов, Ю.Ю. Куликов, А.П. Шкаев и В.М. Юрков. В отличие от прибора, разработанного в [6$], здесь использовался балансный смеситель, выполнена частотно-фазовая автоподстройка частоты 2-х гетеродинов и применен дополнительный анализатор с «узкими» каналами для измерения спектра мезосферного озона. Кроме того, для оценки искажений «базовой линии» использовался второй анализатор.
Недостаток построения анализатора состоит в значительном различии отношения сигнал/шум в «широких» и «узких» каналах. Чтобы его как-то сгладить при восстановлении профиля концентрации озона в мезосфере 16 «узких» каналов объединялись в три с полосой 0.3 - 0:7 МГц, которыми заменялся центральный «широкий». При восстановлении вертикального распределения стратосферного озона использовались только «широкие» каналы [54]. Примеры низкочастотной части спектра озона в «широких» и в объединенных каналах приведены на Рис. 1.2.
Из рисунка видно, что спектр стратосферного озона достаточно гладкий и с низкой ошибкой измерений (вертикальные штрихи). Из рисунка также видно, что суточная изменчивость спектра мезосферного озона существенно превышает ошибку измерений. Приведенные примеры подтверждают хорошее качество настройки прибора и высокую долговременную стабильность его системы автоподстройки частоты.
Исследования возможных ошибок измерений спектра В этом разделе мы рассмотрим ошибки, которые могут быть незаметными за короткое время усреднения, а проявиться в процессе длительных наблюдений. К таким ошибкам в первую очередь относятся так называемые искажения «базовой линии», нагрев калибровочного эталона и попадание радиоизлучения фона в боковые лепестки диаграммы направленности антенны. Во время снегопада возможно влияние на точность измерений рассеяния излучения на снежинках.
Так называется ошибка, обусловленная отличием спектра излучения калибровочного поглотителя от спектра «белого шума». Ее причиной, в первую очередь, является интерференция, которая возникает во входном тракте радиометра из-за отражения его собственных шумов (в нашем случае это, в основном, шумы гетеродина) от калибровочных эталонов, но которой нет при измерении излучения атмосферы. При этом на измеряемом спектре возникает «стоячая волна». Ее характерная амплитуда составляет около 0.5 К, а частота определяется расстоянием между смесителем и калибровочными эталонами (см., например [64,65]). Пример спектра озона вблизи частоты 110.8 ГГц с подобной волной приводится на Рис.1.3 [64].
Вариации озона во время финального потепления
Из рисунка видно, что заметное сглаживание спектра наблюдалось лишь 19 октября. В двух других примерах если оно и есть, то существенно меньше и не превышает флуктуационных ошибок измерений. В тоже время, как видно из Рис. 1.12, микроволновый и зондовый профили отношения смеси озона 22 числа почти совпадают, а 27 - также как и 19 октября, - сильно расходятся.
Полученный результат показывает, что есть и другая причина расхождения методов. На наш взгляд, это может быть зондирование областей с разным вертикальным распределением концентрации озона. Как следует из Главы 2, для периода, когда проводилось сопоставление, было характерно наличие циркумполярного циклона с западным ветром и его взаимодействие с планетарными волнами. Так, в середине июля произошло главное (зимнее) внезапное стратосферное потепление, следы которого сохранялись до начала августа. В августе - сентябре влияние волн на ветровой поток было слабое и, как следствие, циклон был зонально-симметричный. Сентябрь - период развития волновых возмущений, которые в октябре проявились в виде внезапных потеплений. При «финальном» потеплении 19 октября циклон сжался, но не разрушился. Его взаимодействие с планетарными волнами сохранилось вплоть до конца ноября, хотя и не столь заметное, например, в изменениях температуры стратосферы. Район обсерватории был близок к границе циклона, где градиент концентрации озона максимален, а взаимодействие поток -волна наиболее существенно.
Чтобы избежать влияния окружающих строений, антенна радиометра была ориентирована на юг, а зонды подвергались характерному сносу на восток. При угле наблюдения (02=77-5), высоких скоростях ветра (С/ 50м/с) и медленном подъеме пластиковых оболочек (более 2-х часов) расстояние по горизонтали между зондируемыми областями могло достигать 300 км, из которых заведомо более 100 км было в направлении наибольшего уменьшения концентрации озона. Это могло привести к меньшим ее значениям в микроволновых измерениях по сравнению с зондовыми данными. При развитии волновых возмущений граница циклона с мак-симальным градиентом концентрации смещалась к югу, а ветровой поток отклонялся к северу, где содержание озона выше. В результате расхождение методов еще более увеличивалось.
Возможна и третья причина расхождения методов - быстрые изменения вертикального распределения озона в течение интервала усреднения микроволновых данных, который был длиннее, чем характерное время подъема зонда. Но мы исключаем сильное влияние этого фактора на результаты сопоставления, поскольку интервал усреднения был выбран так, чтобы учесть эти изменения (см. Главу 2). На Рис.1.15 приводятся результаты сопоставления аналогичных микроволновых и зондовых данных, полученных во время «финального» внезапного потепления 9 февраля 1994 г. в северных полярных широтах [55]. Здесь условия более статичные - слабый циркумполярный циклон, стационарные планетарные волны и т.п. [17,19]. Соответствующие разности AT(V) измеренных и рассчитанных спектров от сглаживающих кривых приведены на Рис. 1.16.
Отличие измеренных спектров (точки) и рассчитанных (штрихи) . от сглаживающих кривых (северные широты). Из рисунков видно, что до внезапного потепления (2.02) и во время него микроволновые профили NQ (h) превышают зондовые (1 и 3 больше, чем 2 и 4), несмотря на разный характер в вариациях Аг(у). После события (10.02) - профили озона, измеренные разными методами, совпадают (5 и 6). Т.е., здесь наблюдалось совпадение - расхождение методов, характерное для исследований [12] в Антарктике. Это подтверждает предположение, что возможной причиной расхождения микроволновых и зондовых данных, наблюдаемое нами в Антарктике, могло быть разное направление зондирования в условиях сильного градиента концентрации озона.
Таким образом, создан высокостабильный автоматизированный анализатор спектра 2-х миллиметрового диапазона длин волн с достаточно высокой для неох-лаждаемого прибора чувствительностью и низким уровнем искажений «базовой линии». Усовершенствована методика измерений и калибровки микроволновых спектров по собственному излучению атмосферы. Применение двухслойной модели с поправками на неизотермичность и сферичность верхнего слоя улучшило точность получаемых данных на 10-15%. Усовершенствована процедура восстановления из измеренных спектров вертикального распределения отношения смеси озона, что позволило существенно снизить ошибку восстановления и продлить его в мезо-сферу. Обнаружено влияние рассеяния на снежинках на яркостную температуру собственного излучения атмосферы во время снегопадов и выработан критерий, по которому искаженные им спектры озона из дальнейшего анализа можно исключить. Исследована суточная изменчивость излучения снежного покрова, который часто является характерным фоном, проникающим через боковые лепестки диаграммы направленности антенны, и проведена оценка его влияния на измеряемые спектры. Проведено сопоставление результатов микроволновых исследований и данных озоновых зондов ЕСС-4А в условиях циркумполярного стратосферного циклона и его взаимодействия с планетарными волнами показало удовлетворительное совпадение данных. Возможные причины расхождения методов обусловлены ошибками микроволновых измерений и разным направлением проведенного зондирования.
Прогноз в рамках 3-мерной модели и его сопоставление с данными SBUV/2
Наиболее эффективно взаимодействие циклона с пакетом из нестационарных и стационарных планетарных волн. Вначале увеличивается амплитуда нестационарного импульса, который в мезосфере на высотах с низкой плотностью воздуха тормозит зональный поток и, нарушая квазигсострофический баланс атмосферы, меняет западное направление ветра на восточное. При этом на границе между циклоном и антициклоном образуется критический уровень, на котором происходит «нелинейное» разрушение уже стационарных волн.
Для сохранения квазигеострофического баланса во время торможения или разрушения волны в атмосфере возникает «радиационное сжатие» [19,20], которое вызывает меридионально - вертикальный поток воздуха, направленный к полюсу и вниз ниже критического уровня и вверх - выше его. Адиабатический подъем сопровождается расширением и охлаждением воздуха, а опускание - сжатием и потеплением, которое и определяет название явления - внезапное стратосферное потепление. Из-за земной кривизны и сжимаемости атмосферы потепление ниже критического уровня более сильное, чем похолодание выше него. Все процессы сконцентрирован около критического уровня [19,20].
Динамические процессы существенны, когда полярная стратосфера холодная и в ней меньше озона, чем в средних широтах. При этом адвекция воздушных масс к полюсу нагревает полярный воздух, увеличивает содержание в нем озона и изменяет траектории движения частиц воздуха в циклоне, искажая его зональную форму. По окончании возмущения возможна релаксация ветрового потока, при которой циркуляция возвращается почти к невозмущенному состоянию [17,19], причем из-за обратного переноса от полюса наблюдается падение температуры и концентрации озона. Согласно моделям этим процессом управляет радиационное или фрикционное затухание и, как и внезапные потепления, он наиболее заметен вблизи главной струи стратосферного циклона, где максимальный градиент температуры и концентрации озона. Релаксация возможна, если нестационарность планетарных волн слабая, затухание низкое и критические уровни отсутствуют [17,19].
Внезапные потепления классифицируются как «главные», когда критический уровень, где разрушаются стационарные волны, опускается до высоты 30 км, «финальное» - последнее главное и «минорные», когда зональные ветры в стратосфере не меняют направление и возможна релаксация циклона [17,21].
В антарктической атмосфере все эти процессы имеют свои особенности. Здесь циркумполярный циклон значительно мощнее, чем над Северным полюсом, планетарные возмущения развиваются преимущественно над районами с 90 в.д. -90 з.д. [18], в большинстве случаев нестационарные [17] и у них недостаточно энергии, чтобы изменить направление ветра с западного на восточное. В моделях [19] для таких возмущений только предполагается, что, как и при стационарной волне, происходит «радиационное сжатие», но не вблизи критического уровня, а в слое торможения зонального ветра, где, например, волновая амплитуда уменьшается с высотой. При этом меридиональный поток к полюсу будет размыт по слою торможения.
«Главным» внезапным потеплением в Антарктике называют событие, которое иногда наблюдается в середине зимы [17]. «Минорные» происходят в августе-октябре, а «финальное» - в октябре-ноябре [17,21]. Считается, что главное и финальное потепления вызваны «нелинейным» разрушением квазистационарных волн, которые распространяются против зонального потока с постоянной фазовой скоростью с. При этом критический уровень, на котором происходит разрушение волны, возникает на высоте, где с и й совпадают по величине, т.е. ниже границы циклона и антициклона. В результате температура стратосферы может возрасти на 30-40К, но при этом направление ветра на высоте около 30 км не изменится [17,19].
Из-за холодной полярной ночи и низкого Солнца «главное» потепление изучено очень слабо. «Финальное» потепление наблюдается ежегодно и характеризу 51
ется не просто резким необратимым возрастанием стратосферной температуры и общего содержания озона [17,21], а еще и сильным сжатием циклона [18]. В верхней стратосфере может возникнуть антициклон, но внизу холодное ядро часто сохраняется и задерживает разрушение циркумполярного циклона вплоть до декабря. Эта задержка определяет специфику другого динамического явления - смены стратосферной циркуляции с зимней на летнюю. Она начинается со смены направления стратосферного ветра на высоте около 30 км, а заканчивается окончательным перемешиванием богатого озоном воздуха средних широт с бедным полярным. В Антарктике между финальным потеплением и окончательным перемешиванием проходит больше месяца [18,21].
Этот период особенный в вертикальном распределении озона и его вариациях, поскольку в верхней части стратосферы уже устанавливается летняя циркуляция, а в нижней части еще сохраняется зимняя. Причем, средние скорости зонального ветра могут быть очень низкие, что допускает распространение более высоких мод планетарных волн. Кроме того, в этот период основные потепления практически закончились, а летняя циркуляция стратосферы еще не наступила и атмосфера далека от радиационного равновесия [21,22], Согласно моделям [17,19], в таких условиях возможно превышение «диабатической» циркуляции, которая первоначально вынуждается диабатическим теплом, над планетарными волнами. А на практике поток тепла всегда управляет ускорением ветрового потока, а значит и процессами переноса [17]. Поскольку тепло поставляется солнечной радиацией, то здесь возможны суточные вариации вертикального распределения озона, особенно вблизи главной струи циркумполярного циклона, где высокий меридиональный градиент температуры и концентрации озона.
