Введение к работе
Актуальность. В настоящее время на нашей планете идет процесс глобального изменения климата, вызванный происходящим в последние тридцать лет повышением приземной температуры воздуха. Регулярный рост числа лесных пожаров, активная распашка целинных земель, извержения вулканов, сжигание биомассы и нефтепродуктов в гигантских объемах - все это приводит к накоплению в воздухе парниковых газов. Заметным образом меняется и химический состав атмосферного аэрозоля. Поэтому климатические изменения на Земле следует связывать не только с изменениями газовой, но и аэрозольной компоненты атмосферы. Вследствие этого возникает необходимость широкомасштабного исследования последней с целью выяснения степени ее влияния на климат планеты. В частности, для осуществления такого анализа необходимо подробное изучение поглощающих и рассеивающих свойств частиц для обширных рядов современных натурных наблюдений. Такая задача, безусловно, относится к числу актуальных в современной экспериментальной геофизике, особенно для аридных зон Земли. В связи с этим особую важность обретает проблема разработки таких экспериментальных физических методов определения оптических параметров аэрозоля, которые при их простоте и надежности в практическом использовании обладали бы необходимой точностью для широких вариаций атмосферных условий.
В связи с вышесказанным, для получения полноценных данных о весьма изменчивых оптических свойствах аэрозоля в разных регионах земного шара NASA создало всемирную сеть наземных станций AERONET (Aerosol Robotic Network), на которых осуществляется мониторинг аэрозольных параметров с помощью солнечных фотометров CIMEL. Результаты наблюдений аэрозольных оптических толщ (АОТ), яркости дневного неба, атмосферного озона и водяного пара выставляются на специальном сайте в сети AERONET (). В настоящей диссертационной работе они использованы как основной источник информации для реализации разработанных методов определения аэрозольных оптических толщ поглощения и рассеяния на практике.
Цель диссертационной работы состоит в решении следующих задач:
Разработка методов определения оптической толщи рассеяния света в атмосфере в видимой области спектра для случаев широких вариаций зенитных углов Солнца (от 30 до 78). В основу методов положены данные решения уравнения переноса излучения;
Использование разработанных методов для анализа результатов наблюдений яркости неба в аридных районах земного шара;
Получение статистических данных о рассеивающей и поглощающей способности частиц в аридных зонах в широком диапазоне вариаций значений АОТ в течение длительных временных интервалов наблюдений.
Научная новизна.
1. Разработан новый "интегральный" метод определения АОТ рассеяния из экспериментальных данных яркости неба в солнечном альмукантарате, основанный на теории переноса излучения:—Метод—предназначен для
НАЦИОНАЛ БИБЛИОТЕКА С.Петер6у*г у**. 09 УХ& жияЫ/к/;
,.— .. и її вшитті
практического применения в случаях, когда известно значение альбедо подстилающей поверхности (в летних условиях могут быть использованы средние данные). Зенитный угол Солнца должен превышать 60 (атмосферная масса m 2);
Предложен новый нефелометрический метод, позволяющий определять АОТ рассеяния из данных наблюдений яркости неба в отдельных углах рассеяния. Метод распространен на высокие положения Солнца над горизонтом (атмосферная масса 1 Д5<т<2);
Впервые с помощью разработанных методов получены статистические данные о поглощающей и рассеивающей способности частиц в полупустынной зоне юго-восточного Казахстана в видимой области спектра. Данные сопоставлены с результатами определения АОТ поглощения и рассеяния в других аридных регионах земного шара.
Достоверность результатов диссертационного исследования обеспечивается:
Использованием надежной теоретической базы. Численные данные решения уравнения переноса излучения были получены в ИОА СО РАН посредством использования алгоритмов метода Монте-Карло, разработанных в ВЦ СО АН СССР, г. Новосибирск. Высокая точность расчетов (относительные погрешности вычислений яркости неба не превышали десятых долей процента) обеспечивалась применением современных вычислительных технологий;
Применением хорошо известного и апробированного на практике программного пакета MathCad2000 Professional компании MathSoft для обработки наблюдательного материала. Анализ наблюдательного материала проведен также с применением известного программного продукта Origin 6.1 корпорации OriginLab;
Использованием надежных экспериментальных данных, полученных на солнечных фотометрах CTMEL (для которых регулярно проводятся градуировочные процедуры) и прошедших в NASA многоуровневую сортировку. Проведена дополнительная селекция результатов наблюдений с целью отсева случаев, соответствующих неоднородному распределению мутности атмосферы по азимуту.
Практическая значимость работы.
Созданные на основе теории переноса излучения интегральная и нефелометрическая методики имеют хорошие перспективы практического применения в обработке больших массивов наблюдательных данных для исследования поглощающей и рассеивающей способности частиц атмосферного аэрозоля в различных условиях.
Апробация результатов.
Результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях:
VIII Совместном международном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана. Атмосферная физика" (Иркутск, 25-29 июня 2001 г.);
Международной конференции "Естественные и антропогенные аэрозоли" (Санкт-Петербург, 2001 г.);
УШ Совещании рабочей группы "Аэрозоли Сибири" (Томск, 27-30 ноября 2001 г.);
II Конференции молодых ученых ИВЭП СО РАН (Барнаул, 8 февраля
2002 г.);
Международной конференции "Вычислительные технологии и математическое моделирование в науке, технике и образовании" ВТММ-2002 (Алматы, 18-20 сентября 2002 г.);
III Конференции молодых ученых ИВЭП СО РАН (Барнаул, 26 февраля
2003 г.);
7. Международной конференции "Взаимодействие общества и
окружающей среды в условиях глобальных и региональных изменений".
Москва-Барнаул, 18-29 июля 2003 г.
Публикации.
Результаты диссертационного исследования отражены в 4 статьях в рецензируемых журналах и 4 тезисах докладов на конференциях (в том числе 3 международных).
Основные положения, выносимые на зашиту.
Разработанный интегральный метод восстановления АОТ рассеяния xas в видимой области спектра из экспериментальных данных по яркости неба в альмукантарате Солнца при известном спектральном альбедо подстилающей поверхности q позволяет получить объективную информацию о рассеивающей способности безоблачной атмосферы при широких вариациях значений тет от 0,07 до 0,7. Для лета могут быть использованы средние значения q.
Предлагаемый автором для практического использования нефелометрический метод позволяет распространить процедуру восстановления АОТ рассеяния на высокие положения Солнца над горизонтом.
Средние значения вероятностей выживания кванта для аэрозольных частиц в аридных условиях имеют значения около 0.95-1, т.е. аэрозоль в пустынных и полупустынных зонах обладает невысокой поглощающей способностью.
Структура и объем работы.
