Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние радиофизических методов исследований газового состава атмосферы 14
1.1. Радиофизические основы дистанционного зондирования атмосферных газов 14
1.2. Методы решения обратной задачи дистанционного зондирования 22
1.3. Радиоспектрометр ФИАН для озонных исследований 27
1.4. Некоторые сведения из физики атмосферы 32
ГЛАВА 2. Спектры атмосферных газов в миллиметровом диапазоне 37
2.1. Алгоритм расчёта спектров атмосферы 37
2.2. Результаты расчёта спектров собственного излучения и поглощения атмосферы в миллиметровом диапазоне 42
2.3. Оптимизация характеристик анализаторов спектра для исследований атмосферного озона и окиси хлора 53
ГЛАВА 3. Особенности решения обратной задачи дистанционного зондирования 62
3.1. Развитие программы решения обратной задачи дистанционного зондирования 62
3.1.1. Увеличение максимального числа частотных точек, используемых в решении обратной задачи 63
3.1.2. Создание программы для восстановления вертикального распределения атмосферной окиси хлора 64
3.1.3. Добавление возможности сглаживания спектра окиси хлора перед решением обратной задачи 65
3.1.4. Учёт спектрального сглаживания в каналах анализатора спектра 67
3.1.5. Учёт спектральных шумовых характеристик радиоспектрометра.. 69
3.2. Исследование точности восстановления вертикальных распределений озона 71
3.3. Исследование точности восстановления вертикальных распределений окиси хлора 87
3.4. Построение профилей температуры и давления 92
3.5. Восстановление вертикального распределения озона в мезосфере и нижней термосфере 99
ГЛАВА 4. Результаты исследований вертикального распределения озона над москвой 113
4.1. Высотно-временное распределение озона над Москвой и влияние на него атмосферных процессов 113
4.2. Сравнение полученных в ФИАН профилей вертикального распределения озона с данными других экспериментов 123
4.3. Исследования мезосферного озона 134
4.4. Влияние вариаций атмосферного озона на условия распространения миллиметровых волн 143
Заключение 147
Литература
- Методы решения обратной задачи дистанционного зондирования
- Результаты расчёта спектров собственного излучения и поглощения атмосферы в миллиметровом диапазоне
- Увеличение максимального числа частотных точек, используемых в решении обратной задачи
- Сравнение полученных в ФИАН профилей вертикального распределения озона с данными других экспериментов
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена исследованиям газового состава атмосферы Земли, её озонного слоя, одним из наиболее эффективных методов -методом наземного дистанционного зондирования на миллиметровых волнах [1 - 12]. Таким образом, объектом исследований является атмосфера Земли и её газовый состав, а основным предметом - изменения в атмосферном озоне -в важной составляющей земной атмосферы, образующей защитный озонный слой. Работа выполнена на кафедре радиофизики Физического факультета МГУ и в лаборатории спектроскопии миллиметровых волн Отделения оптики Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН).
Актуальность темы обусловлена глобальными изменениями в атмосфере, происходящими в последние десятилетия (изменения температуры, газового состава, климата, динамики атмосферы). В связи с этим возникла настоятельная необходимость исследований изменяющейся атмосферы, состояния защитного озонного слоя Земли, влияния на содержание озона атмосферных процессов и техногенных загрязнений, изучения связи между различными слоями атмосферы и др. задачи. Отмечаемое с 80-х годов ухудшение состояния озонного слоя атмосферы, возникновение таких масштабных явлений, как «озонные дыры» над Антарктидой, наметившаяся глобальная убыль озона [13,14], требует постоянного контроля за процессами, происходящими в озонном слое. Значительное уменьшение содержания озона стало наблюдаться и над нашей страной [13-17]. Поэтому для России проблема надёжного контроля за состоянием озонного слоя, особенно над густонаселёнными областями, над московским регионом, является чрезвычайно актуальной. Необходимо знать также результаты мер, предпринимаемых международным сообществом для снижения техногенных выбросов в атмосферу озоноразру-шающих веществ. После подписания в 1987 г. Монреальского протокола, обязывающего сократить производство озоноразрушающих веществ и постепенно прекратить их выброс в атмосферу, глобальное производство этих ве-
ществ стало уменьшаться. Время жизни многих из этих соединений составляет до сотни лет и более, что приводит к однородному распределению их по всей тропосфере и стратосфере. Поэтому ещё длительное время будет необходим контроль за содержанием в стратосфере озоноразрушающих веществ, особенно соединений хлора.
Традиционные методы исследования озона имеют ограничения, в первую очередь, по максимально доступной высоте зондирования. Например, традиционные наземные оптические методы обладают предельными высотами обычно около 45-50 км, шары-озонозонды - около 35 км, лидары - около 40 км. Радиофизические методы дистанционного зондирования атмосферы в силу ряда присущих только им особенностей эффективно дополняют традиционные методы исследований атмосферы. Большой вклад в развитие радиофизических методов исследования атмосферы внесён отечественными организациями: ФИАН, НИРФИ, ИРЭ РАН, ИПФ РАН, ИФА РАН, ЦАО, ГГО и др. [1-5,8,15-26], а также зарубежными исследователями [7]. Первые в нашей стране измерения поглощения СВЧ излучения в атмосферных газах были выполнены в ФИАН и НИРФИ в конце 40-х - начале 50-х гг. прошлого столетия [5]. Следует отметить исследования атмосферы в субмиллиметровом диапазоне радиоволн с высотных аэростатов и спутников, выполненные в ФИАН [5], и исследования линий поглощения атмосферных газов, проведённых в НИРФИ и ИПФ РАН [20]. Наземное зондирование на миллиметровых (ММ) волнах позволяет регистрировать вертикальное распределение содержания озона (ВРО) на значительно больших высотах по сравнению с традиционными оптическими методами, лидарами: диапазон зондируемых высот озоно-сферы на миллиметровых волнах составляет от 15 до 70-75 км [6] (в ночное время до 95 км [27]). Значительный объём информации о состоянии озоно-сферы в настоящее время получают с помощью зондирования со спутников в различных участках электромагнитного спектра. Однако в силу геометрии спутниковых наблюдений при лимбовом зондировании горизонтальное разрешение получаемых данных оказывается грубым (примерно 300+500 км),
6 что не позволяет исследовать явления в озоносфере с меньшим характерным масштабом. Наземные методы наблюдений на ММ волнах, напротив, характеризуются хорошим горизонтальным разрешением, и дают возможность круглосуточных непрерывных наблюдений над одной и той же географической точкой. Существенно и то, что стоимость наземных спектрорадиометров оказывается ниже, чем у спутниковой аппаратуры.
Для ММ волн характерно значительно более слабое, чем в оптическом диапазоне, ослабление излучения в гидрометеорах, частицами облаков, осадков, туманов, и аэрозольными частицами. Поэтому преимуществами наземных наблюдений озона на ММ волнах перед наземными оптическими и ли-дарными измерениями является возможность получать информацию о ВРО при различных атмосферных условиях, включая, например, присутствие слоев аэрозоля, сплошную облачность и независимо от времени суток (днём и ночью). Таким образом, наземные наблюдения озона на ММ волнах, обеспечивая регулярные длительные ряды данных о ВРО (мониторинг озоносферы), позволяют получать наиболее полную картину пространственно-временного распределения озона и его вариаций, включая коротко- и долгопериодные изменения.
Из истории дистанционных исследований атмосферного озона известно [30], что первые оптические приборы для наблюдений озона были созданы в 20-30-е годы прошлого столетия. Сконструированный в этот период спектрофотометр Добсона, измеряющий общее содержание озона над пунктом наблюдения по ослаблению ультрафиолетового излучения Солнца, до сих пор служит основой мировой сети станций для наблюдений озона. Большой вклад в изучение озоносферы внесён ведущими отечественными организациями: ИФА РАН, МГУ, СПбГУ, ЦАО, ГГО и др. [16-18,22,28-31].
О результатах первых измерений спектров атмосферного озона на миллиметровых волнах в 1967-68 гг. с помощью крупных радиотелескопов сообщалось в работе [32]. В нашей стране первые измерения спектров поглощения атмосферы, включая спектры молекул озона, в коротковолновой части ММ
диапазона волн были выполнены в НИРФИ, а затем в ИПФ РАН [20]. Регулярные наблюдения вертикального распределения озона на ММ волнах над Московским регионом осуществляются в ФИАН с 1987 г. [33]. При этом в ФИАН и ИПФ РАН для регистрации спектра озона используют супергетеродинные приёмники со смесителем на диоде с барьером Шоттки. Спектральная аппаратура ФИАН для наблюдений озона по своим параметрам находится на мировом уровне [33].
Исследования на ММ волнах атмосферной окиси хлора, считающейся одним из главных озоноразрушающих соединений в стратосфере [13], затрудняются значительно меньшей, по сравнению с озоном, интенсивностью спектра её излучения. Первые наблюдения стратосферной окиси хлора на ММ волнах были выполнены за рубежом в начале 80-х годов [7,34]. В нашей стране наблюдения атмосферной окиси хлора на ММ волнах до сих пор не проводились. В настоящее время в ФИАН создаётся спектрорадиометр для исследований атмосферной окиси хлора на частоте 204,35 ГГц [35].
Для восстановления ВРО из измеренных спектров собственного теплового излучения озона в миллиметровой области в ФИАН используется предложенный К.П. Гаиковичем [36] итерационный алгоритм, в котором на каждом шаге применяется метод регуляризации Тихонова в форме принципа обобщённой невязки [64]. Методическими задачами диссертационной работы были: а) дальнейшее развитие методики восстановления ВРО, особенно на высотах мезосферы и нижней термосферы (от 50 до 95 км), оценка ошибок восстановления и определение путей повышения точности измерений; б) расчёт спектров излучения атмосферной окиси хлора и оптимизация частотных характеристик создаваемого спектрорадиометра для изучения атмосферной окиси хлора, а также оптимизация частотных характеристик создаваемого в ФИАН спектрорадиометра-озонометра нового поколения; в) разработка методики восстановления вертикального распределения (ВР) атмосферной окиси хлора из измеренных спектров её собственного теплового излучения на частоте 204,35 ГГц и последующее определение ошибок восстановления ВР
окиси хлора; г) разработка методов учёта реального спектра мощности шума радиоспектрометра и спектрального сглаживания в каналах радиоспектрометра при восстановлении ВР озона и окиси хлора; д) модернизация программного обеспечения для автоматизации процесса регистрации и обработки спектров озона; е) создание базы данных о полях температуры, давления и потенциальной завихренности на различных высотах атмосферы с использованием спутниковой и радиозондовой информации, а также пользовательского интерфейса к этой базе данных, удобного для анализа атмосферных динамических процессов; ж) разработка способов применения имеющихся в базе данных сведений о полях температуры и давления для повышения точности восстановления ВРО над Москвой из измеренных спектров излучения озона на ММ волнах.
Экспериментальными задачами диссертационной работы были: а) проведение наблюдений атмосферного озона с помощью спектрорадиометра ФИАН на высотах от 15 до 75 км над Москвой, а также наблюдений озона на высотах от 15 до 95 км в ночное время; б) анализ полученных результатов для выяснения влияния на высотно-временное распределение озона атмосферных процессов, а также анализ связей между различными слоями озоносферы; в) сравнение полученных в ФИАН профилей ВРО с данными других экспериментов.
Научная новизна диссертационной работы:
Получены новые данные о высотно-временном распределении озона над Москвой.
Показано, что под влиянием атмосферных процессов в зимние периоды происходит значительная деформация вертикального распределения озона. Обнаружено значительное понижение содержания озона на высотах 25-40 км и образование локального минимума содержания озона на высоте около 30 км в отдельные периоды холодных полугодий.
Получены новые данные, подтверждающие гипотезу о связи вариаций содержания ночного озона в мезосфере и нижней термосфере с динамикой стратосферы.
Улучшена методика восстановления ВРО в диапазоне от 20 до 30 км по сравнению с ранее использовавшейся в ФИАН путём учёта реального спектра мощности шума радиоспектрометра при решении обратной задачи восстановления ВРО, а также повышена точность восстановления профиля ночного озона в мезосфере и нижней термосфере.
На основе метода регуляризации Тихонова создан новый алгоритм, который позволяет эффективно восстанавливать вертикальное распределение окиси хлора на высотах от 15 до 45 км из измеренных спектров её собственного теплового излучения на ММ волнах.
Научная и практическая значимость.
Показана высокая эффективность метода исследований атмосферного озона в стратосфере и мезосфере и окиси хлора в статосфере, основанного на регистрации с поверхности Земли их собственного теплового излучения в ММ диапазоне. Создана новая методика восстановления вертикального распределения окиси хлора и усовершенствована методика восстановления высотного профиля озона из спектров излучения этих газов. Использованные методики, основанные на методе регуляризации Тихонова в форме принципа обобщённой невязки, позволяют с высокой точностью восстанавливать ВРО в диапазоне высот от 15 до 75 км (в ночное время -до 95 км) и вертикальное распределение окиси хлора в диапазоне высот от 15 до 45 км.
Результаты оптимизации частотных параметров спектральной аппаратуры были использованы при разработке и изготовлении новых фильтровых анализаторов спектра. Один из них, АС-50, предназначенный для исследований ночного озона в мезосфере и нижней термосфере, успешно прошёл испытания и с 2005 г. включён в состав спектрорадиометра-
озонометра ФИАН. В акустооптических АС эти результаты используются для оптимального объединения спектральных каналов.
Проводимые по усовершенствованной методике измерения атмосферного озона над Москвой позволяют оперативно получать надёжную информацию о состоянии озонного слоя и своевременно обнаруживать неблагоприятные изменения в нём.
Получены новые данные об изменениях в высотно-временном распределении озона под влиянием крупномасштабных атмосферных процессов в Северном полушарии. Исследования позволили установить корреляционные связи между содержанием озона на разных высотах стратосферы и другими параметрами атмосферы, что важно для выявления предвестников аномальных изменений в озонном слое.
Исследования ночного озона на высотах стратосферы, мезосферы и нижней термосферы позволили получить уникальные данные о связях между различными слоями атмосферы. Показано, что крупномасштабные динамические процессы в стратосфере влияют на вариации содержания озона на высотах мезосферы и нижней термосферы.
Выполненные подспутниковые наземные наблюдения озоносферы на ММ волнах показали высокую эффективность радиофизических методов для контроля работы спутниковой аппаратуры.
На защиту выносятся следующие результаты и положения:
Показано, что радиоспектрометры миллиметровых волн с оптимизированными частотными характеристиками позволяют регистрировать с высокой точностью спектры собственного теплового излучения атмосферного озона и окиси хлора. Применение метода регуляризации Тихонова для восстановления вертикальных профилей содержания этих газов из их спектров обеспечивает большой высотный диапазон зондирования при минимальных ошибках восстановления.
Спектральные методы ММ волн позволяют получать данные о вертикальном распределении озона круглосуточно при различных атмосферных ус-
11 ловиях. В результате проведенных регулярных наблюдений озоносферы над Московским регионом на ММ волнах с помощью высокочувствительного спектрорадиометра построено высотно-временное распределение содержания озона, отражающее его сезонный ход и короткопериодные вариации под влиянием атмосферных процессов.
Установлено, что наиболее значительные изменения вертикального распределения озона в стратосфере происходят в холодное полугодие и связаны с перемещениями воздушных масс, с появлением в стратосфере над Московским регионом полярного воздуха. Под влиянием атмосферных процессов в этот период нередко наблюдается значительная деформация профилей вертикального распределения озона, характеризуемая пониженным (по сравнению со справочной моделью) содержанием озона на высотах 25-45 км.
Обнаружены значительные вариации содержания озона в мезосфере и нижней термосфере ночью. Установлена связь этих вариаций с крупномасштабными процессами атмосферной динамики, с перемещениями основных барических систем стратосферы.
Апробация работы.
Материалы работы сообщались на VIII и IX Всероссийских школах-семинарах «Волновые явления в неоднородных средах» (Моск. обл., 2002 и 2004 гг.), Международном симпозиуме стран СНГ "Атмосферная радиация» (Санкт-Петербург, 2002 г.), XX и XXI Всероссийских научных конференциях по распространению радиоволн (Н. Новгород, 2002 г., Йошкар-Ола, 2005 г.), II Всероссийской конференции "Необратимые процессы в природе и технике" (Москва, 2002 г.), IX и X Всероссийских школах-семинарах «Физика и применение микроволн» (Моск. обл., 2003 и 2005 гг.), Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2004» (Москва, 2004 г.), 4-й Всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии (Экологическая физика)» (Москва, 2004 г.), научном семинаре "Обратные задачи математической физики" (рук. А.Б. Бакушинский,
А.В. Тихонравов, А.Г. Ягола) (Москва, 2005 г.), Всероссийском семинаре по радиофизике ММ и субММ диапазона (Н. Новгород, 2005 г.), IX Всероссийской конференции молодых учёных «Состав атмосферы и электрические процессы» (Ярослав, обл., 2005 г.), XXIII Съезде по спектроскопии (Звенигород, 2005 г.). Материалы диссертации многократно докладывались и обсуждались на семинарах кафедры радиофизики физического факультета МГУ.
По результатам работы опубликованы 5 статей в реферируемых журналах [35,59,109,118,119].
Методы решения обратной задачи дистанционного зондирования
Миллиметровым (ММ) диапазоном волн называется область спектра электромагнитных волн с длинами от 1 до 10 мм. Рассматриваемые в работе радиофизические методы исследований атмосферы на миллиметровых волнах основаны на регистрации спектров поглощения или собственного излучения атмосферы в этом диапазоне. В соответствии с [5,37], эти методы являются одними из наиболее эффективных методов изучения земной атмосферы и условий распространения радиоволн в атмосферных газах.
В атмосфере, свободной от пыли и гидрометеоров, поглощать и излучать ММ волны могут молекулы, имеющие электрический или магнитный ди-польный момент. Теория молекулярного поглощения в водяном паре и кислороде, являющимися основными поглотителями ММ волн в тропосфере, была построена Ван Флеком [38]. В дальнейшем эта теория неоднократно уточнялась и дополнялась. Современные алгоритмы расчёта поглощения ММ волн в атмосферных газах (например, [39,40]) используют для расчёта спектроскопические параметры из каталогов спектральных линий типа HITRAN [41] или JPL [42], а также учитывают нерезонансные вклады в поглощение молекул азота и кислорода и эмпирические данные об избыточном поглощении в водяном паре.
Распространение монохроматического излучения в поглощающем газе, находящемся в условиях локального термодинамического равновесия, описывается уравнением переноса излучения для неоднородной изотропной среды (см., например, [43]): = -к-1у + к-Еу, (i.i.l) где Iv - интенсивность излучения на частоте v, отнесённая к единичному телесному углу, s - длина пути, к - коэффициент поглощения, Е = 2hv3 1 hv (1.1.2) - интенсивность излучения абсолютно чёрного тела (АЧТ), называемая функцией Планка, кв- постоянная Больцмана, h = 2пЬ - постоянная Планка, с - скорость света. При зенитных углах 6 80 можно пользоваться плоскослоистой идеализацией атмосферы и пренебречь рефракцией [44]. В этом случае интенсивность излучения атмосферы, приходящего с направления в к поверхности Земли (5=0), имеет вид о - fas W , (1.1.3) +/Гсе-ехр о V о у где S — толщина всей атмосферы вдоль направления в, Г/асе - интенсивность внешнего по отношению к атмосфере космического реликтового излучения, имеющего спектр АЧТ с температурой 2,7 К [7].
Спектральная интенсивность радиоизлучения обычно измеряется в градусах радиояркостной температуры Tbr, которая связана с интенсивностью соотношением Tbr(v) = (c2/2kBv2).Iv. (1.1.4)
В случае, если энергия кванта излучения h v много меньше произведения квТ, для АЧТ при температуре Т справедливо приближение Релея-Джинса Tbr(v) = T. Следуя [7], рассмотрим функцию F(v,T), равную отношению спектральных интенсивностей излучения АЧТ с температурой Т, расчитанных по формуле (1.1.4) при Tbr{v) = Т и формуле (1.1.2)
В радиодиапазоне условие Рэлея-Джинса hv « квТ обычно выполняется и функция F(v,T) близка к 1. Соотношение (1.1.3) в этом случае принимает вид ( і ( Tbr(y)=JT-k(s,)-GxA - jk(s")ds" ds +T -exA - jk(s )ds . (1.1.5) Коэффициент поглощения, входящий в (1.1.3) и (1.1.5), даётся формулой [45]: AKN Qj M -v. i-Ejk - i-EjIkJ fiv ), (1.1.6) где й - постоянная Планка; N - число молекул данного поглощающего газа в 1 см3; Q - статистическая сумма по вращательным или спин-вращательным состояниям (полная внутренняя статистическая сумма), Е( или . - энергия состояний, обозначенных индексами / или у, обозначающими полную совокупность квантовых чисел; //,. - матричный элемент дипольного момента //0, который вызывает переход / - j; vy = (Е; -ЕМІЛІЇ - центральная частота перехода /- ./; f(y,Vy) - множитель, описывающий форму линии поглощения и называемый также форм-фактором линии. Обычно в спектроскопии используются три форм-фактора: Лоренца [46], Ван Флека-Вайскопфа [47] и Гросса-Жевакина [48,49], описываемых соответственно формулами f(v,Vy)Lor 7ТХ;: Av., Av.. v (v,-v)2+(Av,)2 (v, + v)2+(Av,)2 (1.1.7) f(v vij)vvw = л f \ KViJJ Av, + Av, (v,-vr+(Av,r (уу+уГ+(АУуУ (1.1.8) (1.1.9) 4Av;; f(y Vy)GZh = л (v2-v2)2+4v2(Av,)2 Здесь Av, - полуширина уширенной давлением спектральной линии для перехода і - j. Эти три форм-фактора практически совпадают вблизи центра линии, то есть при v - Vy, и отличаются друг от друга только в крыльях. Полуширина линий атмосферных газов пропорциональна давлению до высоты 70-75 км, выше из-за малости давления преобладает допплеровское ушире-ние. Линия, уширенная только эффектом Допплера, имеет гауссову форму: г у чи=-А—«р(- ), (1.1.Ю) где введён параметр с \ т Как видно, в этом случае ширина линии на уровне половины от максимального значения 2\xy{2)pijDop зависит только от температуры, массы молекулы газа т и центральной частоты перехода / -» j [45].
Результаты расчёта спектров собственного излучения и поглощения атмосферы в миллиметровом диапазоне
С помощью программы SPECTR были рассчитаны спектры собственного излучения модельной атмосферы при наземных наблюдениях. В качестве иллюстрации возможностей программы SPECTR ниже приведены также рассчитанные спектры при наблюдениях с аэростата вдоль местной горизонтали и лимбовых наблюдениях со спутника, а также спектры, наблюдаемые с поверхности Земли в поглощении излучения Солнца. Рассматривался диапазон частот 15 -г 420 ГГц, а также отдельные участки этого диапазона, включающие в себя некоторые удобные для экспериментального наблюдения линии малых газовых составляющих (МГС) атмосферы. Спектры для «тёплого» (красный график) и «холодного» (синий график) профилей температуры и соответствующих профилей влажности при наблюдении в зенит (а=0, см. 2.1) изображены на рисунке 9 (профиль озона - «апрель»). Самые сильные линии на этом рисунке подписаны. Видно, что в этом диапазоне имеется ряд достаточно интенсивных линий МГС (особенно озона), пригодных для экспериментальных наблюдений. Интересной особенностью спектра, построенного для «холодного» профиля, является самообращение (образование локального минимума радиояркостной температуры в центре линии) в линиях кислорода 60 ГГц и водяного пара с центральной частотой 380 ГГц.
Для получения вклада излучения какой-либо из рассматриваемых МГС атмосферы в рассчитанный спектр необходимо вычесть из него спектр атмосферы, не содержащей этой МГС. Ниже рассмотрены отдельные участки диапазона частот 15 + 420 ГГц, содержащие удобные для экспериментального наблюдения линии излучения некоторых МГС, включённых в модель.
Сначала рассмотрим линию озона с центральной частотой 142,175 ГГц, соответствующей вращательному переходу ю19 - 10010- Для экспериментального наблюдения этой линии в Физическом институте РАН создан спектро-радиометр-озонометр (см. 1.3). С его помощью с 1996 г. осуществляется мониторинг озонного слоя над Москвой. На рисунке 10а показан спектр излучения МГС в случае «тёплой» тропосферы, 106 - «холодной». На обоих рисунках показаны линии, соответствующие профилям озона «апрель» и «декабрь». Чёрные линии соответствуют атмосфере, в которой озон отсутствует. Видно, что спектральная линия собственного излучения озона наблюдается на фоне, обусловленном, главным образом, крыльями близлежащих сильных линий водяного пара и кислорода. Причём в случае «тёплой» тропосферы (и, соответственно, более высокой влажности) имеет место значительный наклон спектра радиояркостной температуры этого фонового излучения (см. рисунок 10а). Вклад собственного излучения озона, ослабленного тропосферой, в общий спектр атмосферного излучения можно, очевидно, получить вычитанием из спектра излучения всей модельной атмосферы спектра излучения атмосферы, не содержащей озона (соответственно, на рисунке 10 из зелёной или синей линии вычесть чёрную). В центре линии яркостная температура собственного излучения озона при наблюдении в зенит лежит в пределах пСледует учитывать, что такой диапазон изменений радиояркостной температуры соответствует именно приведённым на рисунке 8а вертикальным распределениям озона. В ночное время в мезосфере и нижней термосфере наблюдается значительное повышение содержания озона, приводящее к соответствующему повышению радио-якостной температуры собственного излучения озона. Эти эффекты будут рассмотрены в 3.5.
Перейдем к рассмотрению излучения атмосферы в окрестности много 1С 1 с. компонентной линии окиси хлора С1 О с центральной частотой 204,35 ГТц. Для экспериментального наблюдения этой линии в настоящее время в ФИАН разрабатывается новый спектрорадиометр (см. [35] и 1.3). Путём анализа данных, полученных с его помощью, планируется определение вертикального распределения содержания окиси хлора в стратосфере римерно от 10 К до 20
Увеличение максимального числа частотных точек, используемых в решении обратной задачи
В первоначальную программу восстановления ВРО [62] автором диссертационной работы был внесён ряд изменений и дополнений, повышающих эффективность и удобство использования этой программы. К ним относятся: 1) Увеличение максимального числа частотных точек, используемых в решении обратной задачи; 2) Создание программы для восстановления вертикального распределения атмосферной окиси хлора; 3) Добавление возможности сглаживания спектра окиси хлора перед решением обратной задачи; 4) Учёт спектрального сглаживания в каналах анализатора спектра; 5) Учёт спектральных шумовых характеристик радиоспектрометра; 6) Добавление возможности задания произвольных возмущений в «истинном» распределении озона в режиме численного эксперимента; 7) Развитие методики моделирования воздействия гауссовых шумов на восстановление вертикальных распределений озона и окиси хлора; 8) Улучшение графического интерфейса. Ниже описаны наиболее существенные из этих улучшений (пункты с 1 по 5).
Увеличение максимального числа частотных точек, используемых в решении обратной задачи Как показано выше, регистрация спектров атмосферного озона может производиться с помощью анализаторов спектра с различным числом каналов. В настоящее время в ФИАН используется 80-канальный фильтровой анализатор спектра АС-80, структура каналов которого описана в 1.3. Спектры, полученные с помощью этого АС, содержат по 36 частотных точек на каждое крыло линии (8 каналов в центре линии задублированы). Рассчитанные в 2.3 оптимальные частотные сетки анализаторов спектра для исследований атмосферного озона включают 56 и 50 каналов на каждое крыло линии озона.
В то же время имеется программное ограничение на число используемых каналов. Так, первоначальный вариант программы восстановления вертикального распределения озона позволял использовать в расчётах не более 48 частотных точек. В новом варианте программы это число увеличено до 64. Это новое ограничение связано со структурой языка Pascal, на котором написана программа, и оно было обойдено переписыванием её на другом языке.
В качестве такого языка был выбран высокоуровневый язык Octave [89], предназначенный для численных расчётов. Основными преимуществами этого языка перед языком Pascal при решении обратной задачи являются практическое отсутствие ограничений на количество высотных слоев и частотных точек, а также большая производительность в матричных вычислениях. Использование программной реализации метода на языке Octave является перспективным при будущем использовании для регистрации спектров озона анализаторов спектра с большим числом каналов. В данной работе во всех численных экспериментах по восстановлению ВРО число частотных точек равно 36 на одно крыло линии, если иное не оговорено специально (путём указания анализатора спектра, отличного от АС-80). Создание программы для восстановления вертикального распределения атмосферной окиси хлора
Для восстановления вертикальных распределений атмосферной окиси хлора из наземных измерений её излучения в области спектра с центральной частотой 204,35 ГГц программа решения обратной задачи была соответствующим образом модифицирована. Изменения коснулись, главным образом, подпрограммы расчёта ядра уравнения переноса. Если линия озона с центральной частотой 142,175 ГГц содержит только одну компоненту, то спектр излучения окиси хлора содержит более 30 компонент, отличающихся по частоте на величину порядка 1 МГц, которые практически неразрешимы при наблюдении с поверхности Земли (см. главу 2). Спектроскопические параметры этих компонент (частоты, интенсивности, полуширины [41]) были внесены в подпрограмму расчёта ядра уравнения переноса излучения. Поскольку результирующая спектральная линия излучения окиси хлора асимметрична, а при первичной обработке две её половины выше и ниже центральной частоты накладываются друг на друга для повышения отношения «сигнал/шум», то программа восстановления вертикального распределения окиси хлора также явно учитывает асимметрию спектра, работая со средними яркостными температурами в каналах, расположенных симметрично относительно центра линии (кроме центрального канала). Результаты исследования точности восстановления вертикального распределения окиси хлора приведены ниже.
3.1.3. Добавление возможности сглаживания спектра окиси хлора перед решением обратной задачи
Значения радиояркостной температуры собственного излучения атмосферной окиси хлора, регистрируемые в соседних каналах анализатора спектра, содержат информацию, детерминированную вертикальным распределением окиси хлора. Поэтому для уменьшения влияния шума системы в каждой из частотных точек, используемых при решении обратной задачи, зарегистрированный спектр можно усреднить (сгладить) по нескольким соседним каналам. Если сигналы в п каналах одинаковой ширины усредняются арифметически, то эффективная ширина канала увеличится в п раз, но при этом нарушаются критерии выбора оптимальной частотной сетки АС (см. 2.3): образующиеся эффективные каналы оказываются перекрывающимися. Шум в этих эффективных каналах, в соответствии с формулой (2.3.1), уменьшится в 4п раз по отношению к реальному шуму в одном из усредняемых каналов АС. В новом варианте программы добавлена возможность сглаживания исследуемых спектров окиси хлора.
Сравнение полученных в ФИАН профилей вертикального распределения озона с данными других экспериментов
Как показано выше, необходимым условием восстановления ВРО является зависимость ширины спектральной линии озона от высоты. Выше 60 км зависимость ширины линии от высоты становится слабее, чем на нижележащих высотах, из-за того, что здесь уменьшается роль столкновительного механизма уширения и увеличивается роль допплеровского. В результате возникает ограничение на максимальную высоту, до которой возможно применение алгоритма восстановления Тихонова без использования априорной информации о виде истинного профиля. ВРО на высотах, больших 75-80 км, в мезосфере и нижней термосфере, можно восстановить по рассмотренной выше методике в случае использования для восстановления нулевого приближения, содержащего априорную информацию о виде профиля озона на больших высотах [27].
Из сравнительно немногочисленных работ по ракетному и спутниковому зондированию мезосферного и термосферного озона [113-116,136,137] известно, что в ночное время для профиля озона характерны минимум на высоте около 80 км и максимум на высоте около 90 км; также может образовываться максимум озона на высотах 60-70 км. Причём максимум на высоте 90 км обычно имеет куполообразную форму, хорошо описываемую гауссовой кривой с центром на 90 км и шириной на половине высоты около 10 км.
Для учёта этой априорной информации при построении нулевого профиля озона на высотах 60-100 км был разработан метод, именуемый в дальнейшем номограммным. Рассмотрим вариант этого метода для анализатора спектра, регистрирующего спектр озон каналами шириной 200 кГц. Причём центральная частота озонной линии совпадает с центральной частотой одного из каналов, называемого центральным. Такой структурой каналов вблизи центра озонной линии обладает анализатор спектра АС-80, использовавшийся для регистрации спектров дневного и ночного озона в ФИАН в период с 1999 по начало 2005 г. В основе метода лежит сравнение измеренных спектров озона вблизи центра линии с рассчитанными спектрами озона, соответствующими ВРО из трёхпараметрического семейства профилей озона. Параметрами этого семейства являются амплитуда максимума озона (полушириной 10 км) на 90 км, меняющаяся от 0 до 20 ррт, содержание озона на 65 км, меняющееся от 0,4 до 5 ррт, и температура на высоте 85 км, меняющаяся от 170 до 220 К при осреднении за время наблюдения спектров озона (эти величины заведомо превышают вариации озона [113-116,134] и температуры [117] на этих высотах). На рисунке 40 слева приведён один из профилей этого семейства с амплитудой максимума 5,2 ррт на 90 км, содержанием озона 1,9 ррт на 65 км и температурой 210 К на 85 км. Рассчитанный для этого профиля спектр излучения озона вблизи центра линии без учёта спектрального сглаживания в каналах анализатора спектра показан на рисунке 40 справа синей линией. Маркерами обозначен уровень сигнала в каналах анализатора спектра, регистрирующего излучение озона, то есть спектр с учётом спектрального сглаживания в анализаторе (были рассмотрены АЧХ, близкие к измеренным АЧХ каналов АС, а также аппроксимации их прямоугольником). Обозначены также две разности радиояркостных температур: AT] между центральным каналом АС и ближайшими к нему боковыми каналами (с отстройками от центра линии на ±0,2 МГц), а также АТ2 между каналами с отстройками ±0,2 и ±0,4 МГц. Спектры, подобные приведённому с учётом спектрального сглаживания АС, были рассчитаны для всех профилей озона (около 1000) из указанного семейства. Пример результатов расчётов для температуры атмосферы на 85 км, равной 210 К, приведены на рисунке 41 справа в координатах «АГ2 -АТ}» в виде раскрашенного параллелограмма. Тонкие чёрные линии, проведенные через параллелограмм, обозначают участки с одинаковым содержанием озона на 65 или 90 км, которое подписано у каждой из этих прямых. Профиль озона с рисунка 40, дающий А7]=2,05 К, АГ2=1,75 К, соответствует на этом параллелограмме синему круглому маркеру. Белая область ниже параллелограмма соответствует отрицательным значениям содержания озона на 90 км, поэтому она не имеет физического смысла. Левее параллелограмма содержание озона на 65 км очень мало (или отрицательно), поэтому эта область также не реализуется в атмосфере Земли. Выше и правее параллелограмма лежат области с очень большими значениями содержания озона на 90 и 65 км, соответственно. Аналогичные параллелограммы были построены и для других значений температуры атмосферы на высоте 85 км в диапазоне 170-220 К. Рассмотрим процесс построения нулевого профиля мезосферного озона по полученной номограмме. Пусть имеется некоторый измеренный спектр излучения ночного мезосферного озона, приведённый к внетропосферным условиям и показанный слева на рисунке 41. Как правило, температура на высоте 85 км определялась из результатов одновременных наблюдений ИК-спектров гидроксила (данные ИФА РАН). При отсутствии этих данных использовались среднемесячные значения температуры на этой высоте из [112]. Выбираем параллелограмм, построенный для соответствующего значения температуры на высоте 85 км. Затем рассчитаем по измеренному спектру величины А7; и АТ2. В данном случае Д7]=1,52 К, ДГ2=1,42К. Так как спектр озона симметричен относительно центра линии, для этих величин можно взять их среднее значение на обоих крыльях линии. Теперь отложим эти значения на соответствующих осях номограммы справа и построим перпендикуляры из этих точек (они показаны синими линиями). Остаётся считать полученные значения содержания озона на 90 и 65 км в точке пересечения перпендикуляров и построить по ним гладкое нулевое приближение. В данном случае получилось, что содержание озона равно 3,3 ррт на 90 км, и 1,5 ррт на 65 км. Гладкое нулевое приближение строится как гауссовский «колокол» полушириной 10 км на 90 км и добавка в форме ещё одной кривой Гаусса полушириной 15 км на дневной профиль на 65 км. Такой способ построения нулевого приближения содержит в себе априорную информацию о виде мезосферного профиля озона, взятую из ракетных и спутниковых наблюдений. Затем по ранее изложенной методике решается обратная задача восстановления ВРО на всех высотах атмосферы с использованием построенного профиля в качестве нулевого.
