Содержание к диссертации
Введение 3
Глава 1 Радиационный и фазовый теплообмен в атмосфере 11
1.1
1.2
1.3 1.4 1.5
Глава 2
Общая характеристика теплового баланса Земли и модели
циркуляции атмосферы 11
Использование отношения HDO/H20 для характеристики
процесса переноса скрытого тепла 13
Уравнение переноса теплового излучения в атмосфере 19
Оценка вклада метана в радиационном переносе тепла 21
Определение параметров атмосферы из тепловых спектров
высокого спектрального разрешения 25
Определение вертикальных профилей HDO/H2O в атмосфере из
спектров спутникового сенсора IMG и наземного спектрометра
FTIR 32
2.1
2.2
2.3 2.4
Глава 3
3.1
3.2
Сенсор IMG и район исследования 32
Методика определения профилей HDO/НгО и сопутствующих
параметров атмосферы 34
Результаты обработки спектров IMG и анализ ошибок 46
Обработка спектров наземного сенсора FTIR, установленного
на Аляске 57
Определение полного содержания метана в атмосфере из
спектров спутникового сенсора AIRS 68
Болотная экосистема Западной Сибири как источник выбросов
метана на планете 68
Методика определения содержания метана из спектров сенсора
AIRS и полученные данные сезонного содержания метана в
атмосфере Западной Сибири за 2004-2005 г.г. 74
3.3
Сезонные вариации метана в атмосфере и оценка локального
теплового эффекта болот Западной Сибири 95
Заключение 100
Цитируемая литература 101
Введение к работе
Климат Земли является одним из ведущих факторов жизнедеятельности биосферы и человека в частности [8]. Он определяет возможность существования живых организмов на планете, подчиняет себе природные процессы. Для современного человека климатическое влияние ещё более существенно, чем для остального животного мира. Процессы глобализации и урбанизации способствуют развитию функциональности людей взамен универсальности. Это означает, что жизненный цикл человека во многом зависит от работоспособности отдельных узких отраслей, таких как сельское хозяйство, энергетика, которые, в свою очередь, зависят от большого числа других отраслей: транспорт, добыча ископаемых, промышленность и пр. Климат в целом, погодные условия и катастрофы в частности способны изменять и нарушать функционирование любой отрасли, что в предельном случае может прервать современное развитие человечества. Природа является саморегулирующимся механизмом, который, при гармоничном взаимодействии даёт возможность развития любых приспосабливающихся форм жизни. Человек, как вид, утратил чуткость и гармонию отношений с природой и воспринимает её как плацдарм для собственного технократического развития. В связи с этим возникает опасение, что антропогенное влияние на окружающую среду может превысить допустимые рамки, в которых природа ещё способна быть, не меняя собственных долгосрочных механизмов развития.
За последние 100-150 лет наблюдается резкое повышение содержания парниковых газов (двуокиси углерода и метана) в атмосфере (рис. 1) [75,126]. Согласно данным палеоклиматических исследований, подобный рост ранее, происходил на планете за периоды в тысячи лет [124].
Увеличение концентрации парниковых газов, соответствующее повышение средней приповерхностной температуры воздуха (рис. 2) и усиление парникового эффекта планеты приписывается результатам индустриальной активности человека [47].
углекислый газ, ppm j
1750 :500 1260 1000 760
100D 1200 1400 1600 1800 2000 годы
Рис. 1. Увеличение содержания двуокиси углерода и метана в атмосфере, согласно палеоклиматическим данным и современным наблюдениям
1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 годы
Рис. 2. Рост средней температуры поверхности.
Растущая мощность антропогенной добавки в интегральный парниковый эффект за счет эмиссии диоксида углерода, метана и других парниковых газов в атмосферу становится сравнимой по порядку величины с мощностью тепловой машины планеты, переносящей тепло от экватора к полюсам океаническими потоками и атмосферной циркуляцией. Поэтому современное увеличение парникового эффекта не только приводит к кажущейся большей комфортности климата в средних и высоких широтах, характеризующихся повышением среднегодовой влажности и более теплыми зимами в последние десятилетия, но и также к серьезным негативным воздействиям с далеко идущими разветвленными последствиями [39,125]. В результате, уже сейчас имеет место значительное возмущение и хаотизация атмосферной циркуляции, наблюдается ежегодный рост экстремальных климатических событий (наводнения, засухи, ураганы) [13].
Однако количественные оценки влияния повышения содержания парниковых газов на климат противоречивы и это обусловлено такими факторами как неполнота массива наблюдений, несовершенство методик наблюдения и многофакторность изменений климата [34,126]. Климатическую систему планеты составляют [62]: 1) атмосфера - газовая оболочка Земли; 2) океан - главный водный резервуар; 3) суша - поверхность континентов с собственной гидрологической системой, литосфера; 4) криосфера -континентальные и морские льды, горные ледники и снежный покров; 5) биота - растительность на суше и океане, живые организмы в воздухе, воде и на суше, включая человека. Основным средством изучения климатической системы в части предсказания изменений климата под воздействием внешних факторов (антропогенное влияние) является численное моделирование общей циркуляции потоков тепла и массы в атмосфере и океане [37,42]. При этом рассматривается конечное множество параметров: компоненты скорости ветра и течений в океане, температура и солёность, водяной пар, концентрация газовых составляющих, плотность, давление и др. Основу современных численных моделей, которых на сегодня насчитывается порядка 30 [74],
составляет задача тепломассопереноса в системе «солнце - атмосфера - земная поверхность». При этом моделируются явления радиационного переноса, вертикального турбулентного переноса, конвекции, конденсации, выпадения осадков, взаимодействия атмосферы с поверхностью и др. Одним из центральных направлений развития численного моделирования климата является более точное описание всех физических процессов, происходящих в климатической системе. Одним из важнейших процессов является теплообмен в системе «солнце - атмосфера - земная поверхность». Общий тепловой баланс планеты [14,41] включает несколько составляющих, значительную роль в формировании атмосферной циркуляции и парникового эффекта играют процессы радиационного и фазового переноса тепла в системе «атмосфера -земная поверхность».
Перенос скрытого тепла водяным паром [40] определяется процессами испарения с поверхности, конденсации в облаках и переиспарения выпадающих осадков. Природная вода состоит из основного изотопомера Н20 и нескольких неосновных изотопических модификаций, в частности HDO. При одинаковой температуре давление насыщенных паров молекул Н20 и HDO различны [82], поэтому при любом акте фазового превращения воды происходит изменение изотопного соотношения в парообразной фазе (уменьшение относительного содержания изотопа HDO) по сравнению с жидкой или твёрдой фазой. Для количественного и качественного прояснения характеристик при моделировании атмосферных процессов испарения и конденсации важными являются экспериментальные данные о соотношении изотопомеров HDO/H20 в различных фазах гидрологического цикла, поскольку величина этого отношения для определённой воздушной массы изменяется только в процессах фазовых превращений и является трассером «силы гидрологического цикла» [61,120]. Поле величины отношения HDO/H2O, определённое по Земному шару отражает предысторию формирования воздушных масс и характеризует перенос скрытого тепла от экватора к полюсам [102].
До недавнего времени основным средством изучения изотопного состава воды являлся анализ выпадающих осадков [82,100,104,145], количественное определение производилось масс-спектрометрическим методом. Длительные наблюдения изотопного состава осадков используются для многих целей: палеоклиматических исследований [76,103], изучения гидрологического цикла, верификации численных моделей общей циркуляции потоков тепла и массы в атмосфере и океане [119,120]. Сравнительно новой областью является определение изотопного соотношения HDO/H20 в атмосферном водяном паре, для чего изредка используются самолётные измерения [86], а наибольший интерес представляет исследование возможностей дистанционного зондирования изотопомеров воды в атмосфере в глобальном масштабе. Данные сведения важны для непосредственного метеорологического применения (прогнозов погоды, отслеживания перемещения воздушных масс), так же используются в качестве экспериментальных данных для уточнения параметризации процесса фазового переноса тепла в численных моделях, учитывающих процессы изотопного разделения [96,101].
Радиационный теплоперенос в атмосфере [32] определяется содержанием поглощающих ИК радиацию газов, таких как водяной пар, двуокись углерода, метан, озон, окислы азота и другие. Получение экспериментальных данных о современном содержании парниковых газов является важной задачей как для непосредственных оценок тепловых потоков при изучении изменения теплового баланса планеты, так и для уточнения параметров процесса радиационного переноса при моделировании климата. Содержание водяного пара в атмосфере определяется температурой поверхности планеты [148], его изменение является следствием изменения парникового эффекта, т.е. изменения содержания других радиационно-активных газовых составляющих в атмосфере. Основными парниковыми газами, содержание которых увеличивается вследствие человеческой деятельности (производство цемента, сжигание ископаемого топлива, развитие сельского хозяйства и др.), являются двуокись углерода и метан. Актуальность определения поля концентрации метана
обусловлена тем, что, несмотря на его относительно малый вклад в общий парниковый эффект, мощность излучения метана в пересчёте на одну молекулу на порядок превышает мощности водяного пара и двуокиси углерода. Кроме того, линии поглощения СОг насыщены по сравнению с линиями метана, т.е. метан имеет больший парниковый потенциал, чем двуокись углерода [39,146].
Технологии зондирования атмосферы с целью мониторинга метеорологических параметров и загрязнения разрабатывается уже около 40 лет [27,33,38,54]. Космическая система мониторинга атмосферных газов включает в себя приборы нескольких типов, которые можно классифицировать по геометрии зондирования. Настоящая работа посвящена термическому зондированию в надир, поскольку данная геометрия позволяет осуществлять зондирование в любое время суток и имеет наиболее широкий высотный диапазон измерений, включающий в себя нижнюю тропосферу. До недавнего времени термическое зондирование в надир основывалось на данных получаемых многоканальными спектрорадиометрами [112], регистрирующими тепловое излучение атмосферы в нескольких спектральных интервалах. С появлением спутниковых Фурье спектрометров относительно высокого спектрального разрешения (до 0.1 см'1) с десятками тысяч спектральных каналов в тепловой инфракрасной (ИК) области существенно повысилась информативность эмиссионных спектров атмосферы, измеряемых со спутников. Произошли качественные изменения в методах обработки и интерпретации спутниковых данных. Обратная задача по определению параметров атмосферы из тепловых спектров высокого разрешения стала существенно переопределенной, появилась возможность значительного улучшения детектирования таких важных малых газовых составляющих в атмосфере как НгО и СН4 и других, появилась принципиальная возможность определения содержания изотопомера воды HDO в атмосфере.
Целью данной работы являлось получение данных о величине отношения концентраций изотопомеров HDO/H2O и содержания метана в атмосфере из РІК
спектров высокого разрешения теплового диапазона. При этом решались следующие задачи:
разработка методики определения вертикального профиля HDO/H20 в атмосферном водяном паре из спутниковых спектров;
получение широтно-высотного распределения величины отношения HDO/H2O из ИК спектров, измеренных сенсором IMG над районом Тихого океана;
разработка методики для определения полного содержания метана в атмосфере;
получение сезонных карт содержания метана в атмосфере из ИК спектров, измеренных сенсором AIRS над районом Западной Сибири;
оценка вклада эмиссии метана из болотной экосистемы в общее содержание метана в этом районе и оценка соответствующего дополнительного теплового эффекта.
Первая глава посвящена описанию задачи определения отношения HDO/H20 и концентрации ( в атмосфере, кратко описан подход численного моделирования циркуляции потоков тепла и массы в атмосфере. Рассмотрены процессы фазового и радиационного переноса тепла в системе «атмосфера -земная поверхность». Описан применяемый в работе подход к процессу переноса ИК радиации в атмосфере, изложена идея подхода к определению параметров атмосферы из ИК спектров высокого спектрального разрешения. Приведены формализмы прямой и обратной задачи в теории переноса излучения, кратко рассмотрены методы регуляризации по Тихонову и статистической регуляризации. Отмечаются основные сложности применения этих методов для решения обратной задачи.
Во второй главе описана методика определения вертикальных профилей температуры, концентрации водяного пара и отношения HDO/H2O из спектров яркости уходящего теплового излучения, измеряемых с высоким спектральным разрешением современными сенсорами спутникового базирования. При решении обратной задачи используются: метод ортогональных разложений для
сжатия спектральной информации и уменьшения размерности искомого вектора; метод наименьших квадратов. Апробация методики проводится на спектрах спутникового сенсора IMG, в результате впервые получено широтно-высотное распределение вертикальных профилей отношения HDO/H2O над Тихим океаном. Также описана методика определения вертикальных профилей отношения HDO/НгО из ИК спектров пропускания атмосферы теплового диапазона, приведены результаты по обработке данных наземного спектрометра FTIR, расположенного на Аляске.
В третьей главе рассматривается задача определения содержания метана в атмосфере из ИК спектров, измеряемых спутниковым сенсором AIRS. В качестве района исследования выбрана территория болот Западной Сибири. Для решения обратной задачи применялся метод наименьших квадратов с ограничениями и методика на основе нейронной сети. Приведены результаты по сезонному содержанию метана над исследуемой областью в период 2004-2006 г.г. Сделана оценка вклада данной болотной экосистемы в атмосферный метан и оценка локального теплового эффекта болот Западной Сибири, обусловленного эмиссией метана из болот в летний период.
В заключении представлены основные результаты и выводы диссертационной работы, приведен список цитируемой литературы.
Выполнению этой работы автор во многом обязан В.И. Захарову и К.Г. Грибанову, являющимися консультантами по работе и соавторами большинства публикаций.
