Аппаратура, методы и результаты радиофизических исследований атмосферного озона Соломонов Сергей Вячеславович

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Озоносфера как объект радиофизических исследований 24

1.1. О проблеме озона 24

1.2. Задачи радиофизических исследований озоносферы 26

1.3. О задаче математического моделирования,при изучении спектров радиоизлучения атмосферы 31

1.4. Основные соотношения для описания теплового радиоизлучения земной атмосферы 33

1.5. Общее выражение для коэффициента поглощения 38

1.6. Применение теории излучения радиоволн к задачам дистанционного зондирования 53

1.7. О влиянии атмосферных процессов на пространственное распределение излучающих газов 60

1.8. Выводы 68

Глава 2. Методы и результаты теоретического исследования спектров радиоизлучения озона и других газов атмосферы 70

2.1. О программах расчета спектров радиоизлучения атмосферы и решения обратной задачи дистанционного зондирования 70

2.2. Спектры атмосферы при наблюдениях с поверхности Земли 72

2.3. Наблюдения с аэростата 75

2.4. Наблюдения с искусственного спутника Земли 76

2.5. Требования к аппаратуре субмиллиметрового диапазона 83

2.6. Расчеты спектров атмосферного озона при наблюдении с поверхности Земли — 84

2.7. Оптимизация характеристик спектрорадиометра для наблюдения озоносферы—94

2.8. Исследование точности восстановления профилей озона 98

2.9. Выводы 105

Глава 3. Аппаратура ФИАН для радиофизических исследований атмосферного озона 107

3.1. Из истории вопроса -107

3.2. Принципы построения радиометрической аппаратуры ; 108

3.3. Аппаратура для исследований атмосферного озона с поверхности Земли 117

3.4. Выводы 124

Глава 4. Спектрорадиометр для наблюдений вертикального распределения атмосферного озона на миллиметровых волнах 125

4.1. Состав и основные параметры 125

4.2. Основные узлы спектрорадиометра 129

4.3. Методика исследования спектрорадиометра с преобразователем частоты на планарном диоде с барьером Шоттки 150

4.4. Методика спектральных наблюдений атмосферного озона на миллиметровых волнах 157

4.5. Выводы 160

Глава 5. Результаты наблюдений атмосферного озона на миллиметровых волнах 162

5.1. Общая характеристика программы наблюдений озонного слоя 162

5.2. Наблюдения вертикального распределения озона над Московским регионом по международным программам DYANA, CRISTA/MAHRSI, SOLVE 2000 165

5.3. Наблюдения озоносферы в период 1987-1991 гг. 169

5.4. Одновременные наблюдения озоносферы на миллиметровых волнах над Московским регионом, над Швецией, Францией и в высоких широтах 172

5.5. Результаты мониторинга вертикального распределения озона над Москвой 179

5.6. Наблюдения мезосферного озона 197

5.7. Выводы 201

Глава 6. О некоторых закономерностях высотно-временного распределения озона —204

6.1. Общий характер изменений вертикального распределения озона 204

6.2. Влияние динамики атмосферы на вертикальное распределение озона 206

6.3. Озон в полярном вихре и межгодовая изменчивость состояния озоносферы 212

6.4. Колебания и волны в озоносфере 215

6.5. Озон в верхней стратосфере 217

6.6. Обсуждение результатов 220

6.7. О перспективах развития аппаратуры и радиофизических методов мониторинга атмосферы 242

6.8. Выводы 249

Заключение 254

Литература 260

• Основные соотношения для описания теплового радиоизлучения земной атмосферы
• Требования к аппаратуре субмиллиметрового диапазона
• Аппаратура для исследований атмосферного озона с поверхности Земли
• Методика исследования спектрорадиометра с преобразователем частоты на планарном диоде с барьером Шоттки

Введение к работе

В работе представлены результаты создания высокочувствительной спектральной аппаратуры и эффективных методов дистанционного зондирования озоносферы в сверхвысокочастотном диапазоне (СВЧ) диапазоне, на миллиметровых (ММ) волнах, а также представлены результаты мониторинга вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере этими методами, показывающие эффективность дистанционного зондирования озоносферы на ММ-волнах с поверхности Земли.

Миллиметровые волны - это область спектра длин волн между 1 мм и 10 мм, соответствующая частотам колебаний от 30 ГГц до 300 ГГц. Рассмотренные в работе радиофизические спектральные методы изучения земной атмосферы основаны на регистрации спектров теплового радиоизлучения атмосферных газов в указанной области длин волн. Эти методы называют также радиоастрономическими, поскольку они широко используются для решения задач радиоастрономии [1-5] с применением радиометров и крупных радиотелескопов. Для подчеркивания их отличия от традиционных оптических методов дистанционного зондирования атмосферы рассматриваемые ниже радиофизические методы нередко называют также микроволновыми.

Актуальность работы обусловлена важностью рассмотренной в работе проблемы происходящих в атмосфере глобальных изменений концентрации важнейших малых газовых составляющих атмосферы, наметившейся убылью содержания озона, возникновением таких аномалий, как озонные «дыры». Озабоченность по поводу надежности атмосферной системы как основы биосферы неоднократно высказывалась на представительных научных форумах. При этом отмечался значительный уровень неопределенности в решении проблемы глобальных изменений в атмосфере, в ее защитном озонном слое из-за отсутствия необходимой информации об эволюции окружающей среды под влиянием естественных причин и антропогенных факторов [6-23]. Как показывает опыт проводимых исследований, в решении этой проблемы важную роль играет дистанционное зондирование атмосферы Земли, использующее бортовые и наземные методы наблюдения в различных участках спектра электромагнитных волн [4-6,11-18, 21-43, 48, 49]. Одним из наиболее эффективных способов получения ценной информации об атмосферных параметрах и происходящих в атмосфере изменениях является дистанционное зондирование атмосферы упомянутыми выше радиофизическими методами.

Дистанционное зондирование в этой области спектра имеет ряд достоинств. В диапазоне ММ-волн сосредоточены многочисленные спектральные линии озона, водяного пара, окиси хлора и ряда других газов, играющих ключевую роль в атмосферных

5 процессах. Радиофизические методы позволяют проводить круглосуточные наблюдения атмосферы по ее собственному тепловому радиоизлучению при различных погодных условиях, поскольку ослабление излучения в облаках и слоях аэрозоля в радиодиапазоне существенно меньше, чем в оптической области спектра. Эти методы, позволяя наблюдать содержание озона в верхних слоях атмосферы, в ее мезосфере, по предельным высотам существенно превосходят традиционные наземные оптические методы, шары-озонозонды и лид ары.

Ниже отмечен вклад ведущих отечественных и зарубежных организаций в развитие этих методов, а также сформулированы актуальные задачи радиофизических исследований, стоявшие перед данной работой и решённые в ходе её выполнения.

Еще в 50-х и начале 60-х годов в Физическом институте им. П.Н.Лебедева были выполнены пионерские работы по радиоастрономии и аэрономии в ММ диапазоне волн [3-5]. Обзор по результатам радиоастрономических исследований в ФИАН содержится в сборнике под редакцией Р.Д.Дагкесаманского [5], выпущенном к 50-летнему юбилею Пущинской радиоастрономической обсерватории Астрокосмического центра Физического института.

Помимо работ Физического института, в котором осуществлялась также координация отечественных исследований по этой тематике, важный вклад в развитие радиофизических методов был внесён рядом других ведущих организаций нашей страны: ИРЭ РАН, НИРФИ, ИПФ РАН, ИКИ, ИФА РАН, ГГО, ЦАО и др.

Радиофизические методы широко используются для исследований условий распространения радиоволн в атмосфере Земли. Анализ возможностей радиофизических исследований земной атмосферы, проведенный к началу этих работ в 1970-х годах, показал необходимость развития аппаратуры и методов в коротковолновых участках радиодиапазона [4]. Радиофизические наблюдения земной атмосферы, основанные на измерении собственного теплового радиоизлучения атмосферных газов, открыли новые возможности в изучении атмосферы и ее озонного слоя [4, 24-48, 50-54]. Эти методы развиваются в нашей стране, а также и за рубежом - в США, Франции, Швеции, Германии, Японии и в ряде других стран.

Фундаментальные исследования в области радиофизических исследований атмосферы были выполнены под руководством В.С.Троицкого, С.А.Жевакина в НИРФИ, под руководством Н.А.Арманда, М.А.Колосова, А.В.Соколова в ИРЭ РАН. Ряд важных вопросов изучения теплового радиоизлучения атмосферы освещен в монографиях К.Я.Кондратьева и Ю.М.Тимофеева. Получили заслуженное мировое признание работы в этой области, выполненные под руководством А.Е.Башаринова, А.С.Гурвича,

А.Ю.Зражевского, А.Г.Кислякова, Б.Г.Кутузы, А.П.Наумова, Б.А.Розанова, А.Е.Саломоновича, К.С.Станкевича, Е.В.Суворова, Г.М.Стрелкова, Н.М.Цейтлина, Г.Г.Щукина и др. Новые интересные результаты радиофизических исследований атмосферы на миллиметровых волнах получены К.П.Гайковичем, Е.Н.Кадыгровым, И.В.Кузнецовым, Ю.Ю.Куликовым, В.Г.Рыскиным, А.В.Троицким, Л.И.Федосеевым, А.М.Фейгиным, А.А.Швецовым и др.

В связи с рассматриваемой темой необходимо отметить также работы по дистанционному зондированию атмосферы в СВЧ диапазоне, выполняемые в зарубежных обсерваториях США, Франции, Германии, Швеции, Японии и др. стран (см., например, [48, 52-54]). Как известно, результаты первых измерений атмосферного поглощения в радиодиапазоне с помощью радиотелескопа были получены Дикки с сотрудниками [55].

Практические шаги к освоению рассматриваемой области радиоволн с целью проведения исследований с борта высотных аэростатов и спутников и для изучения верхних слоев атмосферы были начаты в ФИАН во второй половине 60-х гг. [4,5,31,50]. Эта работа проводилась по инициативе и под руководством основоположника данного направления профессора А.Е.Саломоновича (1916-1989 гг.). Большой вклад в развитие этого направления был внесен А.С.Хайкиным (1937-1977 гг.).

Эффективность радиофизических методов исследования состава атмосферы с поверхности Земли проиллюстрирована в данной работе результатами дистанционного зондирования атмосферного озона на миллиметровых волнах в стратосфере и мезосфере, где молекулы озона играют ключевую роль в атмосферных процессах.

Объектом исследований в данной работе является наблюдаемая по собственному тепловому радиоизлучению земная атмосфера, предметом изучения - радиофизические методы и исследуемые этими методами изменения вертикального распределения атмосферного озона.

Как отмечалось выше, происходящие изменения в атмосфере, в ее защитном озонном слое являются предметом широкого обсуждения на представительных международных научных форумах и рассматриваются в качестве одной из важнейших проблем, с которой столкнулось человечество. Помимо работ в ФИАН, большой вклад в изучение изменений в атмосфере, в защитном слое атмосферного озона внесен коллективами ведущих отечественных организаций ИФА РАН, ИРЭ РАН, ИЭПХФ РАН, ИПФ РАН, ИПМ РАН, ИЗМИРАН, ИОФ РАН, ИГКЭ, МГУ, СПбГУ, ИОА СО РАН, ЦАО, ГГО, ИПГ и др., а также зарубежными исследователями [6-23].

Важный вклад в рассматриваемую проблему сделан в работе А.В.Гуревича, А.Г.Литвака, А.Л.Вихарева, О.А.Иванова, Н.Д.Борисова, К.Ф.Сергеичева [6], где

7 представлен цикл теоретических исследований .и лабораторных экспериментов, в котором продемонстрирована принципиальная возможность генерации озона в стратосфере с помощью локального СВЧ-пробоя воздуха стратосферы.

Важные аспекты математического моделирования в проблемах окружающей среды рассмотрены в работах Г.И.Марчука (см., например, [8, 9]). Большой цикл трудов Г.И.Марчука посвящен моделированию климата и его изменений, исследованию проблем теории крупномасштабных атмосферных процессов и разработке численных методов решения прогностических задач. Исследования по диагностике климатических изменений выполнены И.И.Моховым.

В исследованиях по проблемам дистанционного зондирования атмосферы нашла широкое применение теория решения обратных задач, основанная на фундаментальных работах А.Н.Тихонова.

Исследованиям излучения верхней'атмосферы посвящена книга Н.Н.Шефова, А.И.Семенова, В.Ю.Хомича «Излучение верхней атмосферы - индикатор ее структуры и динамики», М. ГЕОС, 2006.

Широкую известность получили ставшие классическими книги А.Х.Хргиана и Г.И.Кузнецова [16] и С.П.Перова и А.Х.Хргиана [17].

В книге С.П.Перова и А.Х.Хргиана [17], вышедшей в 1980 г., дано, в частности, подробное описание различных методов наблюдений озоносферы: контактных и дистанционных, бортовых и наземных, и прозорливо отмечена перспективность наблюдений вертикального распределения озона радиоастрономическими методами на миллиметровых радиоволнах, выполненных за рубежом с поверхности Земли в конце 60-х гг.

Проблеме атмосферного озона и возможного разрушения озонного слоя посвящены известные книги А.Д.Данилова [19] и Э.Л.Александрова, Ю.А.Израэля, И.Л.Кароля, А.Х.Хргиана [20].

В последние годы достигнуты значительные успехи в развитии отечественной системы мониторинга атмосферы и ее озонного слоя. Под руководством Г.С.Голицина и Н.Ф.Еланского создана уникальная передвижная лаборатория в рамках проекта «TROICA». Под руководством В.В.Зуева¹ проводится комплексный мониторинг озоносферы на Сибирской лидарной станции. Создана лидарная сеть CIS-LiNet на пространстве СНГ. Под руководством И.Л.Кароля и А.М.Шаломянского исследуются вариации общего содержания озона по данным наземной озонометрической сети России. Новые результаты по мониторингу озонного слоя контактными и дистанционными методами получены В.У.Хаттатовым и В.А.Юшковым с помощью

8 высотного самолета М-55 «Геофизика». Под руководством Ю.М.Тимофеева разрабатываются и совершенствуются спутниковые методы мониторинга газового состава атмосферы. Важный вклад в исследования озона и других атмосферных газов сделан ЮЛ.Борисовым, Б.Ф.Гордиецом, А.Н.Груздевым, Б.В.Дементьевым, Н.Ф.Еланским, Е.А.Жадиным, В.В.Ивановым, В.С.Косцовым, А.М.Крученицким, И.К.Лариным, А.В.Поляковым, А.И.Семёновым, В.А.Юшковым и др.

Большое значение в системе мониторинга озоносферы Земли и исследовании климата имеют численные фотохимические модели - работы И.Л.Кароля, А. А.Криволуцкого, И.И.Мохова, А.М.Фейгина и др.

Вместе с тем, как отмечалось, например, в материалах Всероссийской конференции «Развитие системы мониторинга состава атмосферы (РСМА)», состоявшейся в Москве 16-18 октября 2007 г., в России отсутствует наблюдательная база, необходимая для создания системы мониторинга высотного распределения озона и других малых газовых составляющих в средней атмосфере, также как отсутствует отечественная система глобальных спутниковых наблюдений вертикальных распределений озона и других МГС. В докладах, представленных автором данной диссертации на этой конференции, изложены результаты работ в ФИАН по развитию актуального направления - мониторингу озоносферы радиофизическими методами на ММ-волнах, и сделан вывод о необходимости создания отечественной наземной сети для мониторинга озоносферы этими высокоэффективными методами.

Результаты работ ФИАН по развитию радиофизических методов и первых шагов к созданию отечественной сети мониторинга озоносферы на ММ-волнах были доложены автором диссертации на ХХП Всероссийской конференции «Распространение радиоволн» в сентябре 2008 г. и поддержаны Решением этой конференции.

Развитию этого актуального научного направления посвящена данная диссертационная работа.

Цели и задачи работы

Целью данной работы является развитие радиофизических методов исследования озоносферы по ее тепловому излучению на ММ-волнах, создание отвечающей современным требованиям чувствительной спектральной аппаратуры, мониторинг вертикального распределения озона, изучение методами радиофизики физических явлений в земной атмосфере, в ее озонном слое.

Целью первого этапа работы было теоретическое исследование спектров теплового радиоизлучения атмосферы. На основе численных экспериментов были сформулированы задачи наблюдений атмосферы и ее озонного слоя радиофизическими методами,

сформулированы требования к спектральной аппаратуре. Целью следующих этапов было создание отвечающих этим требованиям спектрорадиометров, проведение наблюдений вертикального распределения озона (ВРО) и анализ полученных результатов [32,33, 38-47].

В' задачи наблюдений вошло изучение происходящих в озоносфере изменений в широком диапазоне высот (от нижней стратосферы и до мезосферы), включая высоты, наиболее чувствительные к техногенным загрязнениям, и в широком диапазоне характерных времен (короткопериодных, сезонных, межгодовых и более долговременных изменений).

Среди рассмотренных важнейших задач были задачи, связанные с участием в комплексных исследованиях атмосферы по международным программам [56-58,59,60], с подспутниковыми наблюдениями озоносферы, а также с выработкой практических рекомендаций по результатам работы.

Уникальные возможности радиофизических методов рассмотрены в данной работе на примере исследований высотно-временного распределения содержания озона, полученного в результате многолетних наблюдений озоносферы на миллиметровых волнах с помощью разработанных высокочувствительных спектрорадиометров.

К началу данной работы над созданием методов и апаратуры для мониторинга озоносферы на ММ волнах в нашей стране уже были достигнуты успехи в изучении условий распространения радиоволн этого диапазона, были выполнены первые в нашей стране исследования оптической толщины атмосферы в ММ диапазоне волн и в том числе на частотах спектральных линий молекул озона с помощью транспортабельных радиометров (работы НИРФИ, ИПФ РАН) [25]. В последние годы наблюдения атмосферного озона на миллиметровых волнах в России проводятся также и в Госуниверситете Н.Новгорода.

За рубежом первые наблюдения спектров атмосферного озона были выполнены с помощью радиотелескопов США [52-54] на частотах 101,7 ГГц и 110,8 ГГЦ в 60-70-х гг. Позднее наблюдения атмосферного озона с помощью крупных радиотелескопов проводились также на ММ волнах во Франции, Японии и Швеции. При этом наблюдения озоносферы на ММ волнах в этих работах имели эпизодический характер в перерывах между проводимыми астрофизическими наблюдениями.

В зарубежных организациях, где была позднее создана автономная аппаратура для исследований озоносферы на ММ волнах (в США, Франции, Германии, Швейцарии, Японии), проводились относительно непродолжительные наблюдения, как правило, в периоды международных геофизических кампаний. Лишь в последние годы (значительно

10 позднее начала проведения в ФИАН мониторинга озоносферы) вступили в строй озонометрические комплексы диапазона ММ волн в составе зарубежной наземной сети NDSC (NDACC), размещенные во Франции, на Шпицбергене, в Антарктиде и в др. обсерваториях.

Вместе с тем, к началу выполнения исследований по теме данной работы отсутствовали регулярно проводимые продолжительные (многолетние) наблюдения на ММ волнах вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере и существовал соответственно пробел в знаниях о состоянии озоносферы, о вариациях содержания озона в этих труднодоступных слоях атмосферы. В том числе отсутствовали полученные на основе таких наблюдений данные об особенностях высотно-временного распределения озона и изменениях в озоносфере (защитном озонном слое) над такой густонаселенной областью, как Московский регион. Не было однозначных ответов на вопрос, что происходит с вертикальным распределением озона в условиях естественных возмущений атмосферы и при неконтролируемых антропогенных нагрузках на нее. Не ясна была степень влияния, процессов в полярном стратосферном вихре Северного полушария, где, как теперь хорошо известно, происходит разрушение озона, на высотное распределение озона средних широт.

Необходима была экспериментальная проверка гипотез:

- О влиянии крупномасштабных атмосферных процессов на вертикальное
распределение озона в средних и верхних слоях стратосферы и в мезосфере .

- О начальных стадиях прогнозируемого разрушения озона в чувствительной к
техногенным воздействиям области озоносферы (высоты около 40 км) над
средними широтами.

- О связи изменений в озоносфере над средними широтами в холодное полугодие
с развитием полярного вихря.

- Об изолированности бедного озоном воздуха в полярном вихре.

Известная справочная модель озоносферы и ее улучшенный вариант, опубликованный в 1996 г. и вошедший в справочную атмосферу COSPAR [61], были построены по данным спутниковых наблюдений озонного слоя в 1978-1983 гг., т.е. до обнаружения аномальных явлений в озонном слое (озонные «дыры» и др.). Данные этой модели не отражают происшедшие с тех пор изменения и не содержат сведения о региональных особенностях этих изменений.

Дистанционное зондирование озона и ряда других малых газовых составляющих в последние годы выполнялось не только оптическими методами, но также и на миллиметровых и субмиллиметровых волнах со спутников UARS, ODIN, EOS AURA.

Спутниковые методы, основанные на наблюдениях у горизонта, при относительно высоком вертикальном разрешении дают низкое пространственное разрешение вдоль луча зрения, которое составляет несколько сотен километров (например, телескопы в эксперименте CRISTA характеризовались разрешением вдоль луча от 300 до 500 км [56]). Действующие и готовящиеся к запуску спутники (ERS-2, ENVISAT-1, AURA и др.), к сожалению, не могут дать достаточно плотные ряды данных для детального изучения вариаций вертикальных распределений малых газовых составляющих над выбранным районом и должны быть дополнены данными с наземных станций. Кроме того, спутниковая аппаратура нуждается в постоянном контроле путем регулярного сопоставления результатов наблюдений из космоса с данными подспутниковых измерений на наземных станциях, в том числе с использованием наземных радиофизических методов дистанционного зондирования на миллиметровых волнах (см., например, [56]).

Радиофизические исследования в данной работе как раз и были направлены на то, чтобы внести вклад в заполнение упомянутого выше пробела в знаниях о состоянии озоносферы.

Решение указанных выше задач, включая создание аппаратуры и развитие методов изучения земной атмосферы, ее озонного слоя радиофизическими методами, составляют основу данной работы.

Характерной чертой данной работы является выполнение теоретических исследований по оптимизации условий эксперимента и характеристик экспериментальной аппаратуры с последующим созданием такой аппаратуры и методик, а также проведением экспериментов с помощью этой аппаратуры, с последующей обработкой, анализом и интерпретацией полученных результатов наблюдений и выработкой соответствующих практических рекомендаций для их внедрения.

Касаясь научной новизны данной работы, необходимо отметить, недостаточную освоенность в научном и практическом плане рассматриваемого участка спектра. Так, например, к началу работы по рассматриваемой проблематике отсутствовали возможности проведения многолетнего мониторинга на миллиметровых волнах вертикального распределения атмосферного озона в стратосфере и мезосфере, с целью изучения изменений различного масштаба времени в труднодоступных для традиционных методов слоях озоносферы.

Новыми являются созданные аппаратура, методы и полученные, результаты исследований, иллюстрирующие эффективность радиофизических методов, примененных

12 для решения рассматриваемых проблем. К новым результатам относятся следующие положения:

1. Сформулированы требования к спектральной аппаратуре и к условиям проведения наземных экспериментов на ММ волнах. Сделаны оценки ожидаемых при таких наблюдениях эффектов. Созданная радиометрическая аппаратура удовлетворяет предъявленным к ней требованиям.

2. Разработаны оригинальные методы наблюдений атмосферного озона и обработки получаемой информации, включающие оригинальную методику решения обратной» задачи* - восстановления вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере из измеренных спектров. Созданные высокочувствительные супергетеродинные спсктрорадиометры 2-х миллиметрового диапазона волн, характеризуются* оригинальной конструкцией и оптимизированными спектральными характеристиками.

3. С помощью наземных спектрорадиометров впервые выполнены многолетние (с
1987 г. по настоящее время) регулярные наблюдения атмосферного озона над Московским
регионом на ММ волнах.

4. Построено' высотно-временное распределение содержания, озона. Получены
новые данные о'вертикальном распределении озона и его особенностях в стратосфере и в
мезосфере.

5: Впервые осуществлены совместно с ИФА РАН (на Звенигородской'научной базе) исследования верхней атмосферы методом* одновременных наблюдений спектров излучения озона на ММ волнах и гидроксила в ближнем ИК диапазоне из одной и той же области мезосферы.

6. В результате впервые проведенных (начиная с 1988 г.) одновременных наблюдений вертикального распределения озона на ММ волнах в ФИАН и в зарубежных обсерваториях получены новые данные об особенностях пространственного распределения озона.

Достоверность полученных результатов обусловлена применением в исследованиях созданных высокочувствительных радиометров, а также разработанных эффективных методик наблюдений'и обработки результатов эксперимента, адекватных требованиям^поставленных задач. Достоверность результатов подтверждена их хорошим согласием с данными независимых измерений (озонозондовые и спутниковые данные).

Выполненные автором исследования [32, 33, 37-47, 62-76] отличаются от предыдущих работ следующими положениями:

13 1. На основе результатов численных экспериментов сформулированы требования к условиям проведения экспериментов и к параметрам спектральной аппаратуры для исследований атмосферы в миллиметровой области спектра. Созданы удовлетворяющие этим требованиям супергетеродинные спектрорадиометры оригинальной конструкции с оптимизированными характеристиками диапазона миллиметровых волн для'атмосферных исследований с поверхности Земли. Разработана новая- методика спектральных наблюдений атмосферного озона на миллиметровых волнах с помощью спектральной аппаратуры с оптимизированными характеристиками и создана оригинальная методика обработки полученных результатов, включающая применение алгоритмов решения обратной задачи с использованием метода регуляризации Тихонова.

2. Впервые проведены многолетние регулярные наблюдения вертикального распределения атмосферного озона в средних широтах над Московским регионом (начиная с 1987 г. по настоящее время). Построено высотно-временное распределение содержания этого газа в широком диапазоне высот в стратосфере и мезосфере; включая верхние слои атмосферы, недоступные для традиционных наземных оптических методов, лидаров, а также шаров-озонозондов.

3. В' результате осуществления практического многолетнего мониторинга вертикального распределения'озона в средних широтах (над Москвой) радиофизическими методами на ММ волнах получены важные данные о короткопериодных, сезонных межгодовых и более долговременных изменениях в озоносфере средних широт, что важно для решения актуальных задач радиофизики, аэрономии, экологии и ряда смежных областей науки и техники.

4. Разработана методика и впервые проведены (совместно с ИФА РАН) одновременные наблюдения озона на ММ волнах и гидроксила в ИЮ диапазоне из одной и той же области мезосферы. Данные о температуре на высотах мезопаузы, полученные в ИФА РАН по спектрам гидроксила, позволили повысить точность определения содержания озона в районе мезопаузы из измеренных в ФИАН на ММ волнах вращательных спектров излучения молекул озона.

5. Впервые методом одновременных наблюдений вертикального распределения
атмосферного озона на миллиметровых волнах из удаленных друг от друга обсерваторий
исследованы изменения в озоносфере Северного полушария, получены новые данные об
особенностях влияния крупномасштабных атмосферных процессов на пространственно-
временное распределение озона. Эти' данные получены в результате первых
одновременных наблюдений на миллиметровых волнах в ФИАН в содружестве с
обсерваториями Франции и Швеции в конце 80-х годов, а также в результате проведения

14 комплексных исследований атмосферы по международным программам с участием ФИАН, выполненных в последующие годы. Сделан вывод о необходимости создания наземной озонометрической сети диапазона миллиметровых волн, включающей отечественные обсерватории.

При решении поставленных задач был преодолен ряд трудностей, связанных с созданием новых методик эксперимента и разработкой новой надежной и высокочувствительной аппаратуры, поскольку к началу исследований не существовало серийно освоенной промышленностью спектральной приемной аппаратуры и необходимой элементной базы для ее создания в коротковолновой части ММ' области спектра. Были преодолены также трудности, связанные с созданием высокоэффективных методик обработки информации.

Одна из задач, которая* была решена при создании новой аппаратуры и методик исследования, заключалась в математическом моделировании процессов излучения молекул атмосферных газов, в выполнении расчетов ожидаемых при наблюдениях эффектов и формулировке адекватных требований к аппаратуре и условиям экспериментов. При этом была учтена специфика задач дистанционного зондирования атмосферы, при решении которых недостаточно ограничиться только лишь определением каких-либо средних значений физических параметров, важны данные об их временных и пространственных вариациях. Регистрация этих вариаций предъявляет достаточно жесткие требованиям точности измерений соответствующих характеристик излучения. Поскольку дистанционное зондирование атмосферы приводит к решению обратных задач вида Az=u [77-89], то были предъявлены повышенные требования- к чувствительности аппаратуры и к методике решения этих задач (см. раздел 1.6.2). Сложности при решении этих задач усугубляются еще и тем, что в земной атмосфере происходят разнообразные трудно прогнозируемые, а подчас и совсем неожиданные явления, к которым, например, относятся обнаруженные нами аномальные изменения в озоносфере при появлении воздуха полярного стратосферного вихря, возникновение деформированных профилей вертикального распределения озона. Поэтому при исследовании вертикального распределения озона на ММ волнах в труднодоступных для других методов слоях стратосферы и мезосферы не приходилось рассчитывать на достоверную априорную информацию в виде статистических хараісгеристик вертикальной и пространственной структуры полей озона во всей толще атмосферы.

Попытки решения обратных задач в силу их большой важности предпринимались достаточно давно. В то же время лишь благодаря появлению фундаментальных работ А.Н.Тихонова [79,80] была создана современная теория решения обратных задач. В

15 основе математической постановки некорректных задач лежит понятие регуляризирующего алгоритма. В данной диссертационной работе решение основано на итерационном алгоритме [43], в котором на каждом шаге применяется метод регуляризации Тихонова, использующий весьма общую информацию о гладкости точного решения.

Научное и практическое значение работы определяется её актуальностью. В результате проведённых наблюдений зарегистрированы и исследованы короткопериодные, сезонные и межгодовые изменения содержания озона. Обнаружены и. исследованы явления, характеризуемые значительной деформацией профилей вертикального распределения озона. Установлена связь этих явлений с крупномасштабными атмосферными процессами, с влиянием процессов в стратосферном полярном вихре. Обнаружены пониженные среднемесячные значения содержания озона в наиболее чувствительных к загрязнениям верхних слоях стратосферы.

Характеризуя значение работы, необходимо подчеркнуть следующее:

1. Созданная математическая¹ модель радиоизлучения атмосферы необходима для формулировки требований к создаваемой аппаратуре и для прогнозирования результатов планируемых экспериментов по* дистанционному зондированию озона и других малых газовых составляющих атмосферы.

2. Разработанная'спектральная аппаратура и методы, включающие эффективную методику решения обратной задачи, необходимы для продолжения проводимого в ФИАН. многолетнего мониторинга озоносферы, результаты которого. получены наземными методами дистанционного зондирования, т.е. существенно более простыми средствами, чем в случае экспериментов с дорогостоящим спутниковым оборудованием.

3. В результате многолетних наблюдений зарегистрированы межгодовые, сезонные и более короткопериодные изменения^ ВРО." Обнаружены явления, характеризующиеся возникновением пониженного содержания озона в чувствительных к техногенным загрязнениям верхних слоях стратосферы, а также образованием значительной деформации профилей ВРО в средних слоях стратосферы.

4. Показана эффективность созданных методов и аппаратуры для решения задач исследований озоносферы в рамках международных программ, в ходе выполнения которых получены новые данные о крупномасштабных процессах в озоносфере. На основании накопленного опыта участия втаких комплексных программах сделан вывод о необходимости создания»отечественной наземной озонометрической сети, работающей на ММ-волнах, и ее последующее включение в состав глобальной сети обсерваторий.

5. Выполнены синхронные подспутниковые измерения вертикального
распределения озона на ММ волнах, необходимые для проверки результатов наблюдений
из космоса.

6. На основе результатов работы были сформулированы практические
рекомендации:

Для изучения изменений в атмосфере необходимо создание наземной сети мониторинга атмосферных газов на ММ-волнах на территории нашей страны и ближнего зарубежья с последующей ее интеграцией в международную глобальную сеть. Создания этой сети приобретает особую актуальность в настоящее время, когда происходят трудно прогнозируемые изменения состояния атмосферы. В состав отечественной сети может быть включен действующий озонометрический комплекс ФИАН, а также создаваемые в ФИАН на основе современной элементной базы транспортабельные озонометры нового поколения. Важны комплексные наблюдения на ММ волнах озона, окиси хлора, азотных окислов и других газовых составляющих.

При создании новой спектральной аппаратуры и методик исследований может быть использован многолетний опыт, накопленный в ФИАН в ходе выполнения данной работы, включающей создание высокочувствительных спектрорадиометров с оптимизированными спектральными характеристиками, методов наблюдений, накопления и обработки информации и методики решения обратной задачи, а также опыт, полученный в ходе комплексных исследований атмосферы с участием отечественных и зарубежных организаций.

Перспективным для изучения мезосферных процессов являются одновременные наблюдения озона на ММ-волнах и гидроксила в ИК-области спектра из одной и той же области мезосферы по методикам, созданным в ФИАН и ИФА РАН.

Применение созданной методики наземных радиофизических исследований атмосферы весьма перспективно в целях подспутникового мониторинга атмосферы, для контроля работы и калибровки бортовой аппаратуры.

Рассмотренные в данной работе радиофизические методы необходимы для решения актуальных фундаментальных и прикладных задач, сформулированных в диссертации, для изучения изменений в атмосфере под влиянием естественных и техногенных факторов.

Результаты выполненных исследований и практических шагов к созданию отечественной сети наблюдений озоносферы на ММ-волнах показывают важность внедрения разработанных в данной работе методов в народное хозяйство, в службы экологического мониторинга с целью дальнейших наблюдений изменяющейся атмосферы

17 на ММ-волнах, для оперативного выявления аномальных явлений на ранних стадиях их развития и наблюдения за их эволюцией.

7. Реализация полученных автором результатов исследований выполнялась по следующим направлениям:

— Создание методики одновременных наблюдений озоносферы на ММ-волнах в
ФИАН и в зарубежных обсерваториях и единой методики обработки и анализа
полученных данных [40].

— Проведение в ФИАН в содружестве с ИПФ РАН исследования
пространственного распределения озона на ММ волнах методом одновременных
наблюдений озоносферы из двух пунктов нашей страны (Москва, Апатиты) [63,73]. Эти
наблюдения явились практическими шагами к созданию отечественной наземной сети для
наблюдения озоносферы на ММ' волнах. Показана.реальная возможность осуществления
отечественной озонометрической сети, работающей на ММ волнах.

— Разработка оригинальной методики синхронных наблюдений верхней атмосферы
в ФИАН в содружестве с отделом физики верхней атмосферы ИФА РАН [64].

Внедрение созданных в ФИАН озонометрической аппаратуры с и методик наблюдения- в комплексные исследования' атмосферы в составе глобальной, озонометрической сети [57, 58, 59, 60, 69]. Полученные нами новые данные о^ВРО'были вкладом ФИАН в решение задач указанных международных программ. \

Передача результатов исследований и научных разработок ФИАН в другие заинтересованные организации [66, 67, 69, 81] . ~~" ,

Подспутниковый мониторинг вертикального распределения озона [82] .

— Развитие методов и создание аппаратуры нового поколения на основе
накопленного в ФИАН опыта спектральных исследований озоносферы на ММ волнах (в
кооперации с академическими, промышленными организациями и университетами) [75].

Личный вклад автора

Вклад автора в проведённые исследования заключался в постановке задач исследований, в формулировке требований к аппаратуре и в её создании, в разработке методов наблюдения и обработки информации, в проведении мониторинга озоносферы, анализе полученных результатов исследований и рекомендации по их внедрению.

Разработка спектральной аппаратуры, новых методов наблюдений^ и обработки информации» выполнялась автором в руководимой им группе спектроскопии миллиметровых волн в отделе спектроскопии Отделения, оптики ФИАН (к.ф.-м.н. С.Б.Розанов, к.ф.-м.н. Е.П.Кропоткина, А.Н.Лукин, к.ф.-м.н. А.Н.Игнатьев).

Криостаты разработаны В.Ф.Троицким в криогенном отделе ФИАН. Анализаторы спектра разработаны в ИПФ РАН с участием ФИАН.

Автором исследованы свойства сходимости предложенного К.П.Гайковичем итерационного алгоритма с применением метода регуляризации Тихонова и выполнен анализ точности решения обратной задачи с помощью этого алгоритма.

Автор являлся инициатором и участником проведения в период с 1988 по Л 990 гг. первых одновременных наблюдений озоносферы на ММ-волнах в 2-х и 3-х миллиметровых окнах прозрачности атмосферы из удаленных друг от друга обсерваторий (в ФИАН) на 142,2 ГГЦ, в обсерваториях Франции (Bordeaux Observatory, France;) и Швеции (Onsala. Space Observatory, Sweden) на 110,8 ГГц с целью, изучения влияния крупномасштабных атмосферных процессов на пространственно-временное распределение озона.

Автором с сотрудниками успешно выполнена' программа подспутниковых наблюдений вертикального'распределения, озона над Москвой на ММ-волнах, а также проведены исследования (в- части ФИАН) по международным программам' DYANA, CRISTA/MAHRSI, SOLVE 2000.

Совместно с А.И.Семеновым.(ИФА РАН) и Е.П.Кропоткиной, автором проведены
исследования верхней атмосферы путем одновременных, наблюдений на ММ волнах
мезосферного озона (ФИАН) и гидроксила в ИК диапазоне (ИФА РАН). <

Результаты совместных наблюдений, озоносферы, выполненных автором с сотрудниками в ФИАН в содружестве, с ИПФ РАН, показали реальную возможность осуществления отечественной озонометрической сети, работающей на ММ-волнах.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований автора составили основу проектов, выполненных в ФИАН в рамках отечественных и международных научных программ исследований атмосферного озона. К ним относятся выполнявшиеся под руководством автора (в части ФИАН) научные проекты по программам: «Интеграция» (проект ИО 679/908), Федеральная целевая научно-техническая программа (госконтракт № 43.044.11.2642 от 31.01.2002 г.), Программа фундаментальных исследований ОФН РАН¹ «Проблемы радиофизики», поддержанные РФФИ и выполненные под руководством автора¹ проекты №№ 96-02-19093, 99-02-18132, 03-02-17436, поддержанные ISF проект № NA1000, поддержанный ISF и Правительством РФ проект № NA1300, а также исследования по программам международного сотрудничества с обсерваториями Франции, Швеции и Южной Кореи.

19 Основные положения, выносимые на защиту

5. Разработанные радиофизические методы и аппаратура для мониторинга озоносферы обеспечивают надежную регистрацию с поверхности Земли вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере. С помощью этих методов и аппаратуры выполнен многолетний мониторинг атмосферного озона, включая наблюдения озоносферы в составе глобальной озонометрической сети по международным программам и подспутниковые наблюдения.

6. Созданная спектральная аппаратура для мониторинга вертикального распределения озона на миллиметровых волнах удовлетворяет требованиям, сформулированным на основании численных экспериментов, и характеризуется следующими параметрами:

Центральная рабочая частота - 142,175 ГГц

Ширина диаграммы направленности антенной системы - 1,5

Ширина полосы анализируемых частот составляет 475 МГц

Количество спектральных каналов - 96

3. Частоты и полосы пропускания спектральных каналов оптимизированы для надежной регистрации спектров озона, частотное разрешение спектрорадиометра меняется от 0,1 МГц в центре полосы анализа (в центре линии) до 20 МГц на её краях

4. Полученное в результате мониторинга высотное распределение озона в стратосфере и мезосфере над Москвой характеризуется изменениями различного масштаба времени, которые отражают особенности эволюции озоносферы:

— зарегистрированы межгодовые, сезонные и более короткопериодные изменения
вертикального распределения стратосферного озона, обнаружена значительная
деформация профилей озона в отдельные периоды холодного полугодия

— установлена связь вариаций содержания озона с крупномасштабными
атмосферными процессами, с влиянием процессов в полярном стратосферном вихре на
озоносферу умеренных широт

— обнаружены межсуточные и более короткопериодные вариации излучения
мезосферного озона

— зарегистрировано пониженное содержание озона в наиболее чувствительных к
техногенным воздействиям слоях верхней стратосферы.

Апробация результатов работы.

Результаты работы, положенные в основу диссертации, опубликованы в рецензируемых журналах, неоднократно были представлены на отечественных и международных конференциях:

2-й, 3-й, 4-й Всес. школах-симп. по распространению ММ- и субМ-волн в атмосфере (Фрунзе, 1986, Харьков, 1989 г., Н.Новгород, 1991 г.), 2-м и 4-м Всес. симп. по ММ- и субММ-волнам (Харьков, 1984, 1987, гг.), XX, XXI, XXIII съездах по спектроскопии (Киев, 1988 г., Звенигород, 1995 г., Звенигород, 2005 г.), 14-й, 16-й Всес. Конференциях по распространению радиоволн (Ленинград, 1984 г., Харьков, 1990 г.), 17-й, 18-й, 19-й, 20-й, 21-й, 22-й Всеросс. научн. конф. по распространению радиоволн (Ульяновск, 1993 г., С.Петербург, 1996 г., Казань, 1999 г., Н.Новгород, 2002 г., Йошкар-Ола, 2005 г., п.Лоо, 2008 г.), Всес. конференции по атмосферному озону (Суздаль, 1988 г.), 21 Всес. конференции Радиоастрономическая аппаратура (Ереван, 1989 г.), Всес. симпозиуме «Геофизические аспекты переноса примесей в верхней атмосфере» (Обнинск, 1990 г.), XVI General Assembly of the European Geophysical Society (Wiesbaden 1991), Научн. конф. «Применение дистанционных радиофизических методов в исследовании природной среды» (Муром, 1992 г.), XVII General Assembly of the European Geophysical Society (Edinburg, 1992), International Workshop on Electrodynemics and composition of mesosphere (N. Novgorod, 1992), 2-th, 3-rd, 4-th Int. Symp. Phys. and Eng. of MM and submillimeter waves (Kharkov, 1994, 1998, 2001), 1-й, 2-й, 3-й, 4-й Всеросс. научной конф. «Физические проблемы экологии» (Москва, 1997г., 1999' г., 2001г., 2004г.), Всеросс. научн. конф. «Применение дистанционных радиофизических методов» (Муром, 1999 г.), Int. Radiat. Symp. "Current Problems in atmospheric Radiation" (St.-Petersburg, 2000), Юбилейной Всеросс. научной конференции «Фундаментальные исследования взаимодействия суши океана и атмосферы» (Москва 2002 г.), Международной конференции «Ломоносов 2004» (Москва, 2004 г.), Международных симпозиумах стран СНГ «Атмосферная радиация» МСАР-99, -МСАР-2002, МСАР-2006 (С.-Петербург, 1999, 2002, 2006гг.), 9-й Всеросс. школе-семинаре «Волны 2004» (Звенигород, 2004г), SPIE's Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere XI Conference (Stockholm, Sweden, 2006), 1-й, 2-й, 3-й, 4-й Всеросс. научных конференциях «Необратимые процессы в природе и технике» (Москва, 2001 г., 2003 г., 2005 г., 2007 г.), Всеросс. семинарах по радиофизике ММ- и субММ-диапазонов (Н.Новгород, 2005 г., 2007 г.).

По результатам работы сделано свыше 100 публикаций.

Общая структура работы.

Работа состоит из введения, 6 глав и заключения, содержит 289 страниц текста и 104 рисунка.

Содержание работы.

В главе 1 сформулированы актуальные задачи радиофизических исследований озоносферы. Отмечается важная роль математического моделирования для

21 прогнозирования результатов экспериментов и выработки требований к создаваемой спектральной аппаратуре. Представлены примеры результатов выполненных расчетов спектров теплового излучения атмосферы на ММ-волнах. Сформулирована задача создания высокочувствительной спектральной аппаратуры и эффективных методов дистанционного зондирования озоносферы на миллиметровых волнах, выполнения многолетнего мониторинга вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере.

В главе 2 представлены результаты математического моделирования радиоизлучения атмосферы для различных условий наблюдения.

Расчеты спектрального состава излучения выполнялись с учетом спектральных
линий Оз, Оз, НгО, СЮ, N2O, NO, NOz, и других малых газовых составляющих (МГС)
атмосферы. для- различных условий наблюдения. Результаты выполненных расчетов
интенсивности излучения и значений оптических толщин на. частотах спектральных
линий озона, окиси хлора; закиси-азота и др. газов-важны, для оптимизациипланируемых
экспериментов.по изучению содержания этих малых газовых составляющих в различных
слоях атмосферы спектральными радиофизическими методами. ,

Педставлены результаты расчетов¹ спектров излучения¹ атмосферы- на- частотах выбранной' спектральной линии озона с центром на 142,175^v ГГц при наблюдениях с поверхности Земли. Рассчитан вклад молекул озона в излучение атмосферы в зависимости от зенитного' угла наблюдения и от влагосодержания тропосферы. Выполнены оценки чувствительности формы результирующей спектральной» линии к изменениям вертикального распределения содержания озона в стратосфере и мезосфере. Показана реальность обнаружения радиофизическими методами изменений в озоносфере, вызванных естественными причинами (сезонными вариациями, влиянием атмосферной динамики, фотохимическими явлениями и др.), а также техногенными загрязнениями атмосферы. Выполнены расчеты ожидаемых эффектов при наблюдениях мезосферного озона с поверхности Земли. Описан алгоритм решения обратной задачи, основанный на методе регуляризации Тихонова.

Представлены результаты расчетов по оптимизации характеристик спектрорадиометра для наблюдений вертикального распределения озона на ММ-волнах с поверхности Земли. На основании, результатов численных экспериментов сформулированы требования к основным параметрам спектрорадиометра.

На основе численных экспериментов¹ исследована точность восстановления различного вида профилей ВРО с учетом выбранных значений параметров

22 спектрорадиометра. Получено, что по точности восстановленных профилей ВРО разработанная методика не уступает известным аналогам в зарубежных обсерваториях.

В главе 3 изложены принципы построения радиометрической аппаратуры для атмосферных исследований на ММ- волнах. Рассмотрены основные соотношения, описывающие чувствительность радиометра, характеристики антенной системы, соотношения, используемые при калибровке аппаратуры. Приведен обзор характеристик известных спектрорадиометров для дистанционного зондирования атмосферного озона на ММ-волнах, представлены характеристики спектрорадиометра ФИАН. По чувствительности спектрорадиометр ФИАН превосходит работающие на той же частоте зарубежные аналоги - озонометрические комплексы университетов Берна и Бремена.

В'главе 4 представлено описание размещенного в Москве спектрорадиометра, для наблюдений вертикального распределения озона.

Рассмотрены основные узлы действующего спектрорадиометра и их характеристики, описаны» методики исследования и результаты измерений основных характеристик созданной аппаратуры. Сопоставление шумовых параметров' спектрорадиометра ФИАН и характеристик входящего в его состав смесителя с соответствующими параметрами,, известных аналогов, показало, что спектральная аппаратура ФИАН соответствует уровнюлучших отечественных и зарубежных аналогов, использующих смесители на планарных диодах с барьером Шоттки.

Рассмотрены разработанные методики настройки и регламентных проверок спектрорадиометра ФИАН.

Описана методика спектральных наблюдений атмосферного озона на ММ волнах, позволившая получать в течение многих лет наблюдений ряды надежных экспериментальных данных с информацией о вертикальном распределении содержания озона и его вариациях.

В главе 5 представлены результаты наблюдений атмосферного озона на миллиметровых волнах в ФИАН, полученные в период с 1987 по 2008 гг.

Дана общая характеристика программы наблюдений, соответствующей задачам, сформулированным в главе 1.

Представлены результаты наблюдений вертикального распределения озона над Московским регионом, выполненных по международным программам. Представлены результаты, выполненных впервые на ММ-волнах одновременных наблюдений вертикального распределения озона из удаленных друг от друга наземных обсерваторий: на 142,175 ГГц над Московским регионом, на 110,8 ГГц над Швецией в Космической обсерваторией Онсала и над Францией в обсерватории университета г. Бордо в период

23 1988 -1990 гг. Были проанализированы также результаты проведенных в более поздний период, в 1997-2003 гг., одновременных наблюдений озоносферы на 142,175 ГТц в ФИАН и на Шпицбергене. Отмечена важность создания отечественной наземной сети мониторинга озоносферы на миллиметровых волнах.

Представлены результаты наблюдения на ММ волнах высотно-временного распределения озона в стратосфере и мезосфере над Москвой в 1996-2008 гг., подробно» рассмотрены его особенности. Зарегистрированы деформированные профили вертикального распределения отношения смеси озона С₀₃, установлена связь этого явления с особенностями атмосферных процессов. Обнаружены эффекты образования мелкомасштабной структуры на вертикальных профилях С₃ на высотах около 30 км.

Приведены результаты сопоставления со спутниковыми данными. Получено их хорошее соответствие.

Впервые осуществлены одновременные наблюдения излучения из одного и того же участка неба ночного мезосферного озона на ММ волнах (ФИАН) и гидроксила в инфракрасной области спектра (ИФА РАН). Зарегистрирован суточный ходмезосферного* озона. Обнаружены значительные межсуточные и более короткопериодные вариации ночного мезосферного озона.

В главе 6 рассмотрены» закономерности высотно-временного распределения озона над Москвой'И приведено обсуждение результатов наблюдений. Представлены данные, иллюстрирующие изменчивость вертикального распределения озона различного масштаба времени. Обсуждаются особенности сезонного хода стратосферного озона, на фоне которого происходят более короткопериодные вариации.

Представлены результаты анализа корреляционных связей между содержанием озона на разных высотных уровнях стратосферы и другими параметрами атмосферы. Рассчитаны средние значения и среднеквадратические отклонения содержания озона для разных высотных уровней и сезонов, построены гистограммы для отклонений содержания озона от средних значений.

Сделан вывод, что изменчивость озона, наблюдаемая на фоне сезонного хода, обусловлена процессами атмосферной динамики, а обнаруженные межгодовые изменения в высотно-временном распределении озона отражают происходящие год от года изменения крупномасштабных атмосферных процессов.

Проанализированы результаты наблюдений на ММ-волнах содержания озона в верхних слоях стратосферы. Сделан вывод о важности радиофизических методов для исследования эволюции озоносферы.

Заключение содержит основные результаты работы и выводы.

Основные соотношения для описания теплового радиоизлучения земной атмосферы

Информация о физических свойствах земной атмосферы, пространственно-временном распределении излучающих молекул атмосферных газов может быть получена на основе исследований спектров теплового электромагнитного излучения атмосферы, полученных радиофизическими методами. Основополагающие идеи в изучении электромагнитных процессов, в развитии электродинамики, применении общих законов термодинамики к задаче о тепловом излучении прочно связаны с именами М.Фарадея, Дж.Максвелла, ХА.Лорентца, У.Рэлея, Дж.Джинса, М.Планка, А.Энштсйна, Г.Кирхгофа, Л.Больцмана. Эти идей получили дальнейшее развитие в отечественных и зарубежных исследованиях. Оказался весьма плодотворным развитый в работах М.А.Леонтовича [15], С.М.Рытова и МЛ.Левина [16,17] подход к анализу принимаемого радиоизлучения, согласно которому спектральная плотность энергии равновесного излучения оказывается мерой интенсивности флуктуации электрического и магнитного полей. Использование теоремы взаимности позволило получить простое соотношение между яркостнои температурой и мощностью, принимаемой антенной [18]. Ниже приводятся основные соотношения, характеризующие равновесное тепловое излучение. Роль переноса излучения и значение теории, описывающей перенос излучения, в исследовании звездных атмосфер, межзвездной среды, атмосфер планет, включая и земную атмосферу, широко известны (см., например, [19-23]). В теории описывается распространение излучения в общем случае, когда среда поглощает, излучает и рассеивает [19,21-25]. Высокочастотная часть СВЧ диапазона характеризуется большим количеством частот переходов в молекулах атмосферных газов и соответственно большое значение при распространении радиоволн имеет поглощение в этих атмосферных газах - водяном паре, кислороде, озоне и в ряде др. (подробнее этот вопрос изложен ниже).

Роль рассеяния радиоволн в атмосфере определяется соотношением между длиной волны X электромагнитного излучения и размерами гидрометеобразований (частиц облаков) г и облаков в обычных условиях этот параметр не превышает 0,04, т.е. для подавляющего большинства капель реализуется случай релеевского рассеяния и ослабление энергии в таких облаках и туманах полностью определяется поглощением (см., например, [6,7]). Иная ситуация в дождях, когда в процессах переноса энергии существенна роль рассеяния. Дальнейшее рассмотрение процесса распространения радиоволн в данной работе выполнено для случая отсутствия осадков, когда основной вклад в ослабление радиоизлучения вносит молекулярное поглощение в атмосферных газах. Реализация такого случая находится во власти экспериментатора, способного выбрать благоприятный период для атмосферных наблюдений . Одной из характеристик поля излучения является интенсивность Iv. Под этой характеристикой понимается количество энергии излучения в единичном частотном интервале от v до v+dvn в единичном телесном угле dl, проходящего в среде в заданном направлении s за 1 секунду через площадку единичного сечения da (см., например, [19]). Поэтому для спектральной плотности мощности излучения dPv имеем При распространении излучения в поглощающей среде изменение интенсивности излучения может быть представлена в виде (см., например, [21]): где через а обозначен коэффициент поглощения, a S - функция источника. Это дифференциальная форма записи так называемого уравнения переноса излучения. В предположении выполнения условий локального термодинамического равновесия (л.т.р.), в соответствии с законом Кирхгофа можно записать где Bv (Т) функция Планка: Здесь h - постоянная Планка, к - константа Больцмана, с - скорость света. Коэффициент 2 в числителе учитывает обе поляризации излучения. А.Эйнштейн в своей классической работе «О квантовой теории излучения», вышедшей в 1917 г., показал, что для вывода формулы излучения Планка надо учитывать два типа процессов [26]: 1.

Спонтанное излучение, при котором частица (атом) самопроизвольно переходит из верхнего состояния в нижнее с испусканием кванта h V. 2. Вынужденное излучение, вероятность которого пропорциональна плотности излучения на частоте V. Кванты вынужденного излучения имеют направление, совпадающее с направлением падающего на частицу излучения. Это вызывает уменьшение коэффициента поглощения. Наблюдаемое поглощение является разностью собственно поглощения и вынужденного испускания. Соотношения, характеризующие равновесное тепловое излучение, используются в радиофизике (например, в радиоастрономии или при исследовании радиоизлучения земной атмосферы) для описания излучения, нагретого объема газа во внешнем (по отношению к этому объему) пространстве. Такое описание справедливо, если считать, что излучение не нарушает распределения температуры в излучающем объеме, т.е. состояние внутри этого объема можно считать равновесным. В дальнейшем принимается справедливость приближения локального термодинамического равновесия (л.т.р.) в излучающих слоях. Л.т.р. нарушается при условиях, когда радиационное время жизни возбужденных молекул становится меньше времени жизни, определяемого столкновительными процессами. В качестве меры выполнимости условий л.т.р. часто используется отношение функции источника к излучению абсолютно черного тела [27 ].

Оценки, приводимые в литературе, свидетельствуют о том, что для рассматриваемых частот основных спектральных линий радиодиапазона л.т.р. выполняется в земной атмосфере на высотах вплоть до 100 км и, возможно, выше [28-30], т.е. на всем интервале высот, где формируется тепловое радиоизлучение в тропосфере, стратосфере и нижней термосфере. В интегральной форме уравнение переноса излучение можно записать в виде [7, 21-25]: Здесь полагается, что приемник излучения расположен при s = 0, а верхний предел интегрирования находится на расстоянии s = s0, где интенсивность излучения задается в виде Iv(s0). Радиоизлучение характеризуется также яркостной (эффективной) температурой Т . Яркостная температура излучающего тела определяется как эквивалентная температура абсолютно черного тела той же геометрии, интенсивность излучения которого равна интенсивности излучения исследуемого тела. Очевидно, что интенсивность и яркостная температура характеризуют мощность излучения источника. Вообще говоря, существенными могут быть также такие характеристики, как поляризация излучения и возможные флуктуации интенсивности излучения. В рассматриваемом случае тепловое излучение хаотически поляризовано, поэтому в изотропной среде обе взаимно ортогональные поляризации равноправны и каждой из них соответствует половина интенсивности. В случае, когда тело является абсолютно черным, оно полностью поглощает всю падающую на него энергию. Яркостная температура тела, как эквивалентная температура черного тела, излучающего ту же интенсивность, что и реальное («серое») тело, может быть найдена в соответствии с законом теплового излучения Кирхгофа и в приближении Рэлея-Джинса. Это приближение широко используется в СВЧ диапазоне, для которого выполняется условие hv «кТ: Отметим, что в области низких значений температуры источника излучения, например, для космического фонового излучения, а также при высоких частотах может возникнуть заметное отіаіонение приближения Рэлея -Джинса от закона Планка, которое необходимо учитывать. Следуя [ 7], рассмотрим функцию F(y,T): Таким образом, в радиодиапазоне функция F(v,T) обычно близка к 1. В общем случае, когда излучает слой газа (например, в атмосфере Земли, планет или в межзвездной среде) записанное в яркостных температурах уравнение переноса излучения имеет вид (см., например, [7,18]: где координата s отсчитывается вдоль луча зрения, Т - термодинамическая температура излучающего газа, Тьо - яркостная температура внешнего источника излучения, расположенного за излучающим слоем, а оптическая толщина источника излучения вдоль луча зрения определяется уравнением (1.6). В случае источника с постоянной температурой Т = Г0 имеем Т.е. оптически толстый слой излучает как абсолютно черное тело с яркостной температурой, равной термодинамической. В этом случае радиометр является дистанционным измерителем температуры.

Требования к аппаратуре субмиллиметрового диапазона

Выбор параметров аппаратуры- определяется задачами наблюдений. Например, циркуляционные процессы в нижних слоях атмосферы различного масштаба можно изучать по характеристикам фонового излучения, формируемого крыльями водяного пара, который является газом-трассером (индикатором атмосферных движений) . Для этого может быть применен субмиллиметровый радиометр с невысоким спектральным разрешением, как обсуждалось выше в разделе 2.4.2. Информация о газовом составе атмосферы, зависящем от протекающих химических (фотохимических) реакций и динамики атмосферы, может быть получена при наблюдениях из космоса с высоким спектральным разрешением (по сравнению с ширинами линий изучаемых газов). Поскольку линии таких малых газовых составляющих, как озон, закись азота и др., при наблюдении их вблизи горизонта в наиболее интересных, но малоизученных слоях стратосферы оказываются весьма узкими (полуширины линий примерно равны 5-Ю-3 см" 1 при Нт =25 км и 2-10 см"1 при Нх =50 км), то для регистрации линий без заметного искажения их контура требуется разрешающая способность спектрометров R = д не менее 105 4- 10б. Высокое спектральное разрешение потребуется также для зондирования водяного пара в верхних слоях стратосферы при наблюдениях в надир. Удовлетворяющее этим условиям разрешение может быть обеспечено при использовании супергетеродинных спектрометров. Для изучения вертикального распределения концентрации малых газовых составляющих существенным является достижимое при этом разрешение по высоте. Для обеспечения разрешения по высоте около 1 км при наблюдении на волнах около 0,5 мм вблизи горизонта с высоты 250-300 км необходим телескоп с диаметром зеркала около 1 метра, что вполне реально.

Таким образом, субмиллиметровое излучение атмосферы Земли характеризуется сложной структурой спектра. Спектральные измерения этого излучения из космоса важны для получения важной информации о глобальном распределении содержания озона, паров воды, закиси азота и др. малых газовых составляющих атмосферы на разных высотах. Анализ теоретических спектров позволил сформулировать требования к аппаратуре, которые оказываются реализуемы при современном уровне развития техники. По независящим от автора обстоятельствам ему не довелось реализовать на практике проведение наблюдений атмосферы из космоса с высоким спектральным разрешением с помощью супергетеродинных приемников миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн. Вместе с тем, как показывает опыт современного развития науки и техники, именно в этом направлении развиваются методы зондирования атмосферы из космоса в зарубежных исследовательских организациях (космические проекты MLS UARS, AURA, ODIN и др.). В разделе 2.2 был сделан вывод о том, что в интересующем нас случае наблюдений в погодных условиях Московского региона наиболее предпочтительна линия с центральной частотой 142,175 ГГц (длина волны Л =2,1 мм), расположенная в окне прозрачности 2 мм. На рис. 1.2а,б видна эта изолированная спектральная линия озона, расположенная в середине 2-мм окна прозрачности атмосферы между сильными линиями кислорода с центром на 118,7 ГГц и водяного пара с центром на 183,3 ГГц. Эта сильная линия формируется в результате вращательного перехода 10і,9- Юодо Прежде всего оценим ожидаемые эффекты при наземном наблюдении озонного слоя в атмосферных условиях средних широт. Расчеты показали, что яркостная температура в линии озона зависит от зенитного угла наблюдения в и от влажности тропосферы. Был рассчитан вклад молекул озона в излучение атмосферы при различных влагосодержаниях тропосферы, определена зависимость этого вклада от зенитного угла наблюдения в, найдены оптимальные углы наблюдения, при которых можно зарегистрировать наибольшую интенсивность излучения озонного слоя в различных атмосферных условиях. В качестве примера на рис.2.9 представлены рассчитанные значения яркостных температур линии озона Т3"к фонового излучения паров воды и кислорода 7 ондля двух случаев вертикального распределения паров воды в тропосфере (значения приземного содержания водяного пара в единицах удельной влажности составляют примерно 1,3-10"3 г/г и 3-Ю"3 г/г соответственно). Принят характерный для зимних условий средних широт профиль температуры. Из рис.2.9. видно, что Т30" возрастает с увеличением в до максимального значения 6 = 9 и затем быстро убывает из-за возрастания поглощения в парах воды и кислороде при больших зенитных углах. Значения Тн, Tf" и 0 зависят от влагосодсржания тропосферы. Уменьшение влажности снижает поглощение в парах воды и уменьшает яркостную температуру фона (рис.2.9). При этом условия наблюдения линии озона улучшаются. При этом для работы спектрорадиометра в оптимальном режиме в широком диапазоне возможных изменений влажности тропосферы необходимо иметь конструктивную возможность изменять зенитный угол наблюдений. Расчеты показали также, что форма спектральной линии озона чувствительна к изменениям вертикального распределения озона. Рассмотрим, в качестве примера, формирование этой спектральной линии. Рассчитанный контур линии показан в верхней части рис. 2.10 для случая наблюдения с поверхности Земли в дневных условиях под зенитным углом в=70. При расчетах, как и прежде, использовалась многослойная модель атмосферы. В этом примере были использованы средние значения вертикальных профилей содержания озона, (дневной профиль), температуры, давления и влажности для зимних условий средних широт. Как видно из рис.2.10, эта линия характеризуется яркостной температурой около ЗОК в центре (с учетом ослабления в тропосфере) и полушириной около 20 МГц. Форма линии специфична, линия имеет узкую центральную часть и широкие крылья, что обусловлено вкладом в излучение озона различных слоев стратосферы и мезосферы, в которых давление с высотой падает в соответствии с барометрической формулой.

Поскольку ширина линии зависит от давления или, что то же, от высоты, то на частотах вдали от центра линии излучают более низкие слои атмосферы и, наоборот, вблизи центра линии в излучение вносят вклад все более высокие слои. Это показано на рис.2.10, где приведен вклад нескольких отдельных слоев в общую спектральную линию озона. Таким образом, форма результирующего контура линии отражает распределение содержания излучающих молекул озона вдоль луча зрения во всех слоях, участвующих в процессе переноса излучения. Важной радиофизической задачей является исследование мезосферного озона (выше 50 км) методами миллиметровых волн. Именно на этих высотах в соответствии с фотохимической теорией должно происходить значительное увеличение содержания озона при переходе от дня к ночи. Информация о содержании и вариациях этой газовой составляющей крайне важна для понимания процессов в земной атмосфере [22]. В относительно немногочисленных экспериментах по изучению как дневного, так и ночного озона на этих высотах были использованы ракетные и спутниковые методы измерений [23-26]. Как показывают выполненные нами расчеты, новые возможности открывают регулярные наблюдения мезосферного озона с поверхности Земли на миллиметровых волнах на частотах спектральных линий озона в окнах прозрачности атмосферы [4]. Расчеты ожидаемых эффектов при наблюдениях мезосферного озона с поверхности Земли были выполнены для спектральной линии озона с центром на 142,175 МГц. При расчетах предполагалось, что наблюдения проводятся в зимних условиях под зенитным углом 60 градусов при средних значениях влагосодсржания тропосферы. Использовалась многослойная модель атмосферы от 0 до 100 км с заданными средними вертикальными распределениями температуры и давления, характерными для средних широт [19]. При расчетах использовались данные о вертикальном распределении содержания озона в стратосфере и мезосфере из справочной модели [19] и данных ракетных и спутниковых измерений [22-26]. На рис.2.11 и на рис. 2.12а (верхняя кривая) представлены результаты расчета указанной спектральной линии. Причем спектры на рис.2.11 и рис.2.12а (верхняя кривая ) соответствуют ночному распределению озона, представленному на рис. 2.116, спектр на рис.2.12а (нижняя кривая) рассчитан для дневного распределения озона, показанного на рис. 2.116. Возрастание содержания озона в слоях мезосферы после захода Солнца, показанное на рис.2.11б, приводит к соответствующему увеличению излучения в спектральной линии на рис.2.12. На рис.2.12б,в,г показаны вклады излучения ночного озона соответственно из слоев 80-100 км, 60-80 км, 50-60 км. Излучение ночного озона из всего слоя 50-100 км показано на рис. 2.12а верхняя кривая. Как видно на рис. 2.11 и рис. 2.12а излучение ночного озона из слоя 50-100 км составляет заметную часть общего излучения озона, формируемого в рассматриваемой линии во всей толще атмосферы. Доля излучения этого слоя в центре линии равна примерно четвертой части от всей линии. В уширении спектральной линии озона до высот около 75 км преобладает механизм соударения молекул, а выше 75 км определяющим становится доплеровскос уширение. Причем излучение озона выше 80 км вносит наиболее заметный вклад в линию на участке 0-0,2 МГц от центра линии (рис.2.12). Поскольку в высоких слоях формируются узкие линии, а в низких более широкие, то вид результирующего спектра зависит от высотного распределения содержания молекул озона.

Аппаратура для исследований атмосферного озона с поверхности Земли

Результаты первых экспериментов, выполненных с целью обнаружения спектральных линий озона на миллиметровых радиоволнах, были получены за рубежом на крупных наземных радиотелескопах и были опубликованы в 1967-68 гг. в работе [15]. Для регистрации линии озона на частоте 101,737 ГГц вращательного перехода 4і,з - 4о4 в работе [15] использовался пятиканальный спектрорадиометр с разрешением около 10 МГц. Измерения выполнялись как в поглощении по Солнцу, так и по собственному тепловому радиоизлучению атмосферы. Позднее, в 1973 г., была зарегистрирована также вращательная линия атмосферного озона на частоте 110,836ГГц, соответствующая вращательному переходу 6 об - 6 is [16,17]. Эти измерения были выполнены на 11-метровом радиотелескопе Национальной радиоастрономической обсерватории на Кит Пик в Аризоне (США ). Спектрометр имел 50-канальный фильтровой анализатор спектра с разрешением 1,2 МГц. Применялся метод частотной модуляции. Солнце использовалось в качестве внешнего источника непрерывного фонового излучения. В нашей стране первые измерения спектров поглощения атмосферы, включая молекулы озона, в коротковолновой части диапазона ММ волн были выполнены в 1972-73 гг. в НИРФИ, а затем в ИПФ РАН [18,19]. В том числе были экспериментально определены оптические толщины в шести линиях озона в области спектра от 214 до 244 ГГц . Эти измерения проводились в горных условиях на высоте около 3 км в 1974 г. с помощью 6-канального анализатора спектра со спектральным разрешением каждого канала 50-80 МГц. Наблюдения атмосферного озона на ММ волнах за рубежом в 70-80-е годы продолжали носить эпизодический характер, и выполнялись, как правило, на крупных радиотелескопах разных стран. В опубликованной в 1976 г. работе [20] было исследовано собственное излучение мезосферного озона на частотах спектральной линии озона 110,8 ГГц, которое было зарегистрировано с помощью радиотелескопа с 5-метровым параболическим зеркалом, расположенного в Техасе (США).

Использовался фильтровой анализатор спектра с разрешениями по спектру 0,25 МГц и 2 МГц. Для изучения вариаций озона при переходе от дня к ночи 27-28 января 1976 г. в [21] были выполнены измерения собственного теплового излучения озона на частотах спектральной линии с центром на 101,737 ГГц, вращательный переход 4i 3 - 4о4 . Измерения выполнялись на радиотелескопе с антенной диаметром 4,6 м, принадлежащей Aerospace Corporation, Калифорния (США). Спектр озона был измерен с помощью спектрорадиометра с двухполосной температурой шума 500 К и фильтровым анализатором спектра, который имел 64 канала с разрешением 1 МГц и 64 канала с разрешением 0,25 МГц. Другая серия измерений излучения мезосферного озона также на частоте 101,737 ГГц была выполнена 3-12 марта 1979 г. на этом же радиотелескопе [22]. Приемник работал в режиме модуляции по частоте с разрешением 250 кГц. Регистрировалась центральная часть спектральной линии в пределах 4 МГц от центра. Через каждые 15 минут производилась калибровка радиометра и учитывалось влияния тропосферы. Измерения излучения озона выполнялись также во Франции- в Обсерватории университета Бордо на частоте 110,8 ГГц с помощью охлаждаемого приемника на радиотелескопе с антенной диаметром 2,5 м [23]. Спектрометр имел 256 каналов с разрешением 100 кГц каждый и общей полосой анализа 25,6 МГц. Наблюдения озоносферы над Швецией выполнялись с помощью 20-метрового радиотелескопа Космической обсерватории Онсала. Эти наблюдения проводились по инициативе ФИАН в 1988-1990 гг. в рамках совместной научной программы [24] (результаты наблюдений приведены в главе 4). Этот радиотелескоп был оборудован приемной системой ММ диапазона волн, которая в период совместных с ФИАН наблюдений была настроена на частоту спектральной линии 110,835 Мгц, соответствующей вращательному переходу в молекулах озона 60,6-615. На этом радиотелескопе использовались два типа - приемников для наблюдений атмосферного озона. Один из них со смесителем на диоде с барьером Шоттки, охлаждаемый до 15 К с помощью рефрижератора замкнутого цикла, имел шумовую температуру примерно 300К. Другой - охлаждаемый жидким гелием смеситель на сверхпроводящем переходе типа сверпроводник-изолятор-сверхпроводник (СИС), характеризовался шумовой температурой около 150 К. На выходе приемников использовались.фильтровые и акусто-оптические анализаторы спектра. Таким образом, выполнявшиеся за рубежом в тот период наблюдения атмосферного озона на миллиметровых волнах проводились с поверхности Земли в окне прозрачности 3 мм (на частотах линий озона на 101,7 ГГц и 110,8 ГГц) с помощью крупных радиотелескопов. Первые наблюдения атмосферного озона над Московским регионом проводились в ФИАН в 2-мм окне прозрачности. Применялась созданная в ФИАН в 80-е годы малошумящая приемная аппаратура с использованием 128-канального фильтрового анализатора спектра радиотелескопа РТ-22. Поскольку для мониторинга атмосферного озона необходима автономная аппаратура, наблюдения с помощью которой должны быть независимыми от радиоастрономических программ, то в дальнейшем в ФИАН, также как независимо и за рубежом, были разработаны автономные спектральные комплексы аппаратуры с малогабаритными антенными системами для атмосферных исследований на миллиметровых волнах (см. Таблицу З.1.). В первой строке таблицы 3.1. представлены характеристики размещенного в Москве действующего спектрорадиометра ФИАН с оптимизированными характеристиками (см. главу 4). Поскольку атмосфера является протяженным источником, то для атмосферных исследований не требуется высокого углового разрешения и наблюдения могут выполняться с малогабаритными антеннами, без использования крупных радиоастрономических инструментов. С помощью созданного специально для атмосферных исследований и размещенного в Берне (Швейцария) радиоспектрометра [25] с малогабаритной антенной в течение четырех месяцев в 1981-82 гг. были выполнены 121 измерения профилей атмосферного озона по его излучению на частотах спектральной линии с центром на 142,175 ГГц. Ширина диаграммы направленности была около 9,1 градуса по уровню половинной мощности. Для спектрального анализа использовался 30 канальный банк фильтров с переменным разрешением от 30 МГц на крыле линии озона до 0,5 МГц в центре этой линии с полной полосой анализа 200 МГц. Позднее автономные спектрорадиометры для исследований атмосферного озона появились также в США [26] и во Франции [27]. Были созданы спектрорадиометры для атмосферных исследований с поверхности Земли на частотах спектральных линий озона с центром на 276,9ГГц, окиси хлора на 278,6 ГГц и закиси азота на частоте 276,3 ГГц (см. обзор в [28]). Общая картина, характеризующая состояние лучших спектрорадиометров диапазона ММ волн для дистанционного зондирования озоносферы с поверхности Земли, представлена в таблице 3.1. Наряду с достоинствами упомянутых пионерских работ по радиофизическим исследованиям атмосферы следует отметить также некоторые принципиальные методические и аппаратурные недостатки этих экспериментов; которые ограничивали потенциальные возможности дистанционного зондирования озоносферы на ММ волнах.

К таким недостаткам относится, во-первых, не очень высокая чувствительность неохлаждаемых приемников, примененных, например, в спектрорадиометрах ИПФ РАН и во входящих в состав глобальной озонометрической сети NDACC зарубежных спектрорадиометрах, расположенных в Берне (Швейцария) и на Шпицбергене (разработка университета Бремена). В спектрорадиометре с рабочей частотой 142,175 ГГц на Шпицбергене однополосная температура шума составляла 3400 К при рабочей температуре 295 К [39]. В этом неохлаждаемом режиме спектрорадиометр на Шпицбергене работал с 1993 г. по 2004 г. При охлаждении этого спектрорадиометра до 70К его однополосная шумовая температура составила 1000 К (этот режим работы начат с 2004 г.). Шумовая температура (однополосная) спектрорадиометра университета Берна составляет 2200 К. Таким образом действующий спектрорадиометр ФИАН превосходит по шумовой температуре зарубежные аналоги, работающие на той же частоте: аппаратуру Бремена в 1,4 раза в режиме охлаждения (700 К и 1000 К соответственно) и в 2,2 раза при комнатной температуре (1500 К и 3400 К соответственно). По сравнению с аппаратурой Берна имеется также превосходство по шумовой температуре в 1,5 раза при комнатной температуре (1500 К и 2200 К соответственно). Однополосные значения температуры шума аппаратуры ИПФ РАН составляла 2000 К для приемника, настроенного на частотах спектральной линии озона с центром на 110,8 ГГц и 2700 К для приемника с рабочей частотой 142,2 ГГц [30]. Таким образом, по температуре шума аппаратура ИПФ РАН также уступает спектрорадиометру ФИАН. Другой особенностью разработанной в ИПФ аппаратуры было неизменное по спектру и относительно низкое спектральное разрешение - около 3 МГЦ в центре и на крыле спектральной линии озона на частоте 142,175 ГГц [43]. Позднее в ИПФ были созданы спектрорадиометры с переменным спектральным разрешением от 1 МГц (0,25МГц) до 9 МГц [30] и с разрешением от 1 МГц до 10 МГц (всего 32 канала) с полосой анализа 240 МГц и шумовой температурой 2500К (однополосной) на 110,8ГГц [61]. Такое недостаточно высокое по сравнению с доплеровской полушириной линии спектральное разрешение снижает точность измерений спектра в центре линии и приводит к потере информации о мезосферном озоне. Устройство анализаторов спектра в [30] позволяло регистрировать лишь одно из двух крыльев спектральной линии (высокочастотное или низкочастотное), что также снижало точность выполняемых измерений по сравнению со случаем регистрации обоих крыльев. Недостаточно эффективной по сравнению с возможностями современных математических методов, с нашей точки зрения, являлась также методика обработки данных в [30]. В результате отмеченных особенностей точность восстанавливаемого профиля озона на высотах 20-50 км в работе [30] была не лучше 20 %. При такой точности нельзя решить многие из перечисленных выше актуальных задач. Как показали оценки, сделанные в главе 2, для решения этих задач необходима более чувствительная аппаратура и более совершенная методика обработки информации, обеспечивающие в 2-3 раза лучшую точность получения данных, чем в [30]. Поэтому в задачи данной диссертационной работы входило создание аппаратуры, методов наблюдения и обработки спектральной информации, соответствующих современному уровню. В 80-х гг. под руководством автора в ФИАН были созданы высокочувствительные супергетеродинные приемники со смесителями на диодах с барьером Шоттки, а также разработаны квазиоптические устройства 2-мм диапазона. Был выполнен значительный объем методических исследований, разработаны измерительные стенды для исследования характеристик приемников и их элементов. Результаты этих работ легли в основу кандидатской диссертации С.Б.Розанова (научный руководитель С.В.Соломонов) [45]. Основной наблюдательной задачей для разработанных спектрорадиометров 2-мм диапазона стали наземные спектральные исследования атмосферного озона. Поскольку для таких исследований не требуется высокого углового разрешения, наблюдения могут проводиться и без использования крупных радиотелескопов. Первые измерения спектров

Методика исследования спектрорадиометра с преобразователем частоты на планарном диоде с барьером Шоттки

Важной характеристикой приемника спектрорадиометра является эквивалентная входная шумовая температура TR . Значение TR в ММ диапазоне определялось экспериментально путем измерений откликов приемника на сигналы от теплого (при комнатной температуре) и холодного (охлаждаемого жидким азотом) чернотельных излучателей, имеющих яркостные температуры Т0 и Тс [3,7]. Измеряя уровни мощности на выходе приемника при теплой и холодной нагрузках на его входе, можно определить так называемый У-фактор, равный отношению этих мощностей [3]: Отсюда определяется входная шумовая температура приемника Измерения шумовых температур приемников в лаборатории проводились без входного квазиоптического блока, имеющего потери Lq . Полученные при этом значения шумовой температуры приемника Тт были немного меньше величины TR , с которой она связана простым соотношением [3]: Предполагая, что в смесителе приемника потери преобразования мощности шумового сигнала из комбинационных полос высших порядков mfio fiF , tn = 2,3,... на ПЧ fIF малы, однополосную (SSB) шумовую температуру приемника в полосе S, приведенную к сигнальному входу диплексера, можно представить в виде полные входные потери приемника без квазиоптического блока, Т и L - однополосные шумовая температура и потери преобразования смесителя в полосе S, L -однополосные потери преобразования смесителя в полосе /, зеркальной по отношению к полосе S, Tim - эффективная яркостная температура входной нагрузки смесителя в зеркальной полосе, приведенная к входному фланцу смесителя, Т/, и Т„ - физические температуры, связанные с потерями Lsh and Lsw, a TIF- шумовая температура уилителя ПЧ. В соотношении (4.30) предполагается, что температуры Ти и Tw не зависят от частоты, а потерям в диплексере Lsd соответствует комнатная температура Го. Коэффициент отражения по мощности на выходе ПЧ смесителя Go включен в потери преобразования смесителя ,„« для обеих боковых полос.

Третий член в первых скобках правой части формулы (4.30) присутствует во всех супергетеродинных приемниках, если только смеситель не настроен на полное отражение зеркальной частоты, когда L1 — [8,15,16]. Для уменьшения вклада этого члена в зеркальном канале приемника может быть использована специальная холодная нагрузка. Для исследуемых приемников яркостная температура нагрузки в зеркальной полосе / может быть оценена из соотношения Из формулы (4.32) видно, что Tim=To для приемников, работающих без охлаждения, когда Th= Tw= Т0, а для охлаждаемых приемников Т[т оказывается немного меньше Т0 , т.к. потери LyV and Lh обычно ненамного превосходят единицу. Выражение для двухполосной (DSB) шумовой температуры приемника может быть записано подобно (4.32): В формуле (4.33) использованы двухполосные значения потерь преобразования смесителя Ц и потерь во входных элементах приемника.

Хорошо известно (см., например, [9]), что двухполосные параметры смесителя могут быть определены через его однополосные характеристики в полосах приема S и /: Если входные потери Ld, L„,, и L/, отличаются в сигнальной и зеркальной полосах приема, но разница однополосных значений потерь преобразования смесителя невелика, т.е. „. L1 , то эффективную величину двухполосных входных потерь в /-ом входном элементе приемника можно оценить по формуле [3] Для неохлаждаемых приемников 7/,= Tw— 7}m= Го, поэтому формулы (4.30) и (4.33) упрощаются: Для того, чтобы по измеренным значениям шумовой температуры приемника Тг и формулам (4.30) и (4.33) или (4.36) и (4.37) определить параметры смесителя Т и L , надо знать все входящие в эти формулы потери во входных узлах приемника и связанные с ними температуры, а также шумовую температуру Tip усилителя ПЧ, подключенного к выходу смесителя. Следует заметить, что шумовая температура приемника меняется в пределах полосы ПЧ, т.к. параметры смесителя, усилителя ПЧ и входные потери зависят от частоты. Ниже представлены средние по полосе ПЧ значения шумовых температур и потерь преобразования приемников и смесителей, и только для коэффициента отражения по мощности на выходах ПЧ смесителей Go проводились панорамные измерения. (Это необходимо учитывать при сравнении полученных результатов с данными других работ, во многих из которых характеристики приемников и смесителей даются в лучших точках полосы ПЧ).

Похожие диссертации на Аппаратура, методы и результаты радиофизических исследований атмосферного озона

Методы, приборы и результаты исследования метеорологических параметров атмосферы Венеры и МарсаЛипатов Александр Николаевич

Разработка метода и аппаратуры для автоматизированной обработки оптических двумерных дифракционных спектров изображений микро-и макроструктур Козлов Юрий Григорьевич

Методы и аппаратура для автоматизации получения данных с ионизационных калориметров большой площади Мартьянов Игорь Серафимович

Методы и аппаратура приема и обработки изображений в нейтронной радиографии по времени пролета на импульсном реакторе ИБР-2Аварзад Онолтын

Специализированные методы и аппаратура спектрально-поляризационного анализа оптических свойств объектовПерчик Алексей Вячеславович

Метод и аппаратура для крупномасштабного процесса лазерного разделения изотопов углеродаПигульский Сергей Викторович

Методика и аппаратура для измерения изотопического отношения углерода 13 С/12 С в углекислом газе выдыхаемого воздуха методами диодной лазерной спектроскопииЗырянов Павел Валерьевич

Интервальный метод обработки результатов многоканальных экспериментовРодионова Оксана Евгеньевна

Объемные свойства расплавов медь-алюминий по результатам исследования методом проникающего гамма-излученияКурочкин, Александр Рудольфович

Некоторые методы и результаты исследования граничных задач для дифференциальных уравнений в частных производныхБурский, Владимир Петрович