РОЗДІЛ 2
БОРТОВИЙ УФ-СПЕКТРОМЕТЕР ТА ЙОГО ВИКОРИСТАННЯ ДЛЯ МОНІТОРИНГУ СТАНУ ОЗОНОВОГО
ШАРУ
2.1. Обґрунтування методики вимірювань БУФС
При вимірюванні відбитого шарами земної атмосфери УФ- випромінювання Сонця зі
супутника, практично, виконуються астрофізичні спектральні спостереження
планети. Такі спостереження являють собою важливе джерело інформації про стан
планетної атмосфери. В астрофізиці та фізиці планетних атмосфер інформація про
фізичні умови в атмосферах отримується шляхом розв'язку рівняння переносу
випромінювання у відповідному середовищі. Зміна спектрального розподілу
інтенсивності відбитого планетною атмосферою сонячного випромінювання
відбувається внаслідок процесів його розсіювання та поглинання в атмосфері та
підстилаючій поверхні. Енергія потоку випромінювання, що падає на одиничний
об'єм атмосфери Землі, частково поглинається та розсіюється атмосферою, а також
іншими частинками, що знаходяться в досліджуваному об'ємі - краплинами води в
хмарах і частинками пилу (аерозольне розсіювання). Якщо позначити через al-
коефіцієнт поглинання в одиниці об'єму атмосфери на довжині хвилі l падаючого
випромінювання, el - коефіцієнт випромінювання даним об'ємом на довжині хвилі
l, z - висоту об'єму над поверхнею планети, и - кут між напрямком падіння
випромінювання і нормаллю до атмосферного прошарку в даному місці, Іl -
інтенсивність випромінювання, розсіяного елементарним об'ємом в напрямку и на
довжині хвилі l, то загальновідоме рівняння переносу запишеться у вигляді
[114]:
= - + (2.1)
В атмосфері Землі випромінювання виникає тільки за рахунок розсіювання в
кожному елементарному об'ємі. Позначимо: kl - доля енергії випромінювання
падаючої на об'єм, що припадає на чисте розсіяння; c(g) - індикатриса
розсіювання. Оптичною глибиною атмосфери на висоті z називається величина:
, (2.2)
де z - відраховується від поверхні Землі.
Кількість енергії, що падає на об'єм безпосередньо від Сонця буде
, (2.3)
де F - позаатмосферна освітлюваність Сонцем перпендикулярної до сонячних
променів площадки, иo - кут падіння сонячних променів на атмосферу. Вираз для
коефіцієнту випромінювання в атмосфері Землі записується у вигляді:
e= , (2.4)
де jґ - кут між напрямком довільно падаючого променя на об'єм атмосфери та
розсіяним при багаторазовому розсіюванні.
j- аналогічний кут при розсіюванні об'ємом прямого сонячного випромінювання.
Шляхом введення функції S за допомогою рівняння
e=aS (2.5)
рівняння переносу можна переписати у вигляді:
м (2.6)
о + (2.7)
Розв'язуючи цю систему рівнянь можемо знайти інтенсивність випромінювання, що
вийшло з атмосфери. Порівняння теоретично обчислених та виміряних
експериментально значень цих інтенсивностей дозволяє зробити висновок про
оптичні параметри атмосфери. Останні ж визначаються кількістю та властивостями
поглинаючих та розсіюючих частинок. В роботі [115] приведено вираз для повної
інтенсивності відбитого вертикальним стовпчиком одиничного перетину
=[ (2.8)
де kl - показник істинного поглинання озоном;
sl - коефіцієнт чистого розсіювання;
no(z), n(z)- концентрації молекул озону та повітря в залежності від висоти над
поверхнею Землі;
Iol - інтенсивність сонячного УФ- випромінювання на межі атмосфери;
No(z), N(z)- відповідно загальний вміст молекул озону та повітря в стовпчику
атмосфери висотою z;
i - відповідно зенітна відстань Сонця і приймача випромінювання;
- кут між оптичною віссю приладу та сонячним променем, що падає на атмосферу.
Вираз (2.8) являє собою «стратосферний» член загального розв'язку рівняння
переносу випромінювання в атмосфері Землі. Він описує процеси одноразового
релеєвського розсіювання та поглинання молекулами озону на висотах z> 15 км і
не враховує впливу підстилаючої поверхні.
З рівняння (2.8) випливає, що відношення інтенсивності випромінювання
розсіяного від атмосфери до позаатмосферної інтенсивності прямого сонячного
випромінювання Il/Iol повністю залежить (при постійних всіх інших величинах)
від вмісту озону в стовпчику атмосфери одиничного перетину. Тому фізичною
основою озонометричного космічного УФ-методу є спектральна залежність
коефіцієнтів поглинання озону. Задача по визначенню кількості озону в атмосфері
Землі може бути вирішена шляхом супутникових вимірювань вказаного відношення
інтенсивностей відбитого і прямого сонячного УФ- випромінювання.
Інтенсивність досліджуваного випромінювання можна отримувати або за допомогою
методу абсолютних спектрофотометричних вимірювань, коли прилад реєструє
утворювану досліджуваним випромінюванням освітленість на вході в абсолютних
енергетичних одиницях, або ж за допомогою методу відносних вимірювань, коли
вимірюється спектральна інтенсивність досліджуваного випромінювання відносно
спектру порівняння, тобто відносно високостабільного джерела випромінювання з
відомим розподілом інтенсивності по спектру.
В експериментах на ШСЗ «Космос-45», «Космос-65» проводились абсолютні
спектрофотометричні дослідження відбитого Землею УФ-випромінювання, після чого
з метою калібровки проводилось порівняння отриманого спектрального розподілу
інтенсивності з попередньо відомим розподілом інтенсивності в УФ- спектрі Сонця
[115,117,118].
Для отримання надійних результатів, описаним вище методом, потрібна ретельна
калібровка чутливості приладу. Калібровка чутливості в приведених експериментах
проводилась за допомогою водневої лампи ДВС-25 та по еталонній лампі
розжарювання СИ8-200. Спектр лампи в свою чергу калібрувався по спект
- Київ+380960830922