Аппаратура, методы и результаты радиофизических исследований атмосферного озона

СОДЕРЖАНИЕ
Введение.......................................................................4
Глава 1. Озоносфсра 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 спектрорадиомстра 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
з
Глава 4. Спсюрорадиометр 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 озонною слоя...................162
5.2. Наблюдения вертикального распределения озона над Московским регионом по международным программам DYANA, CR1STA/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 озоиосфере...........................................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
ВВЕДЕНИЕ
В работе представлены результаты создания высокочувствительной спектральной аппаратуры и эффективных методов дистанционного зондирования озоносферы в свсрхвысокочастотном 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 лидары.
Ниже отмечен вклад ведущих отечественных и зарубежных организаций в развитие этих методов, а также сформулированы актуальные задачи радиофизических исследований, стоявшие перед данной работой и решенные в ходе се выполнения.
Еще в 50-х и начале 60-х годов в Физическом институте им. П.И.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 Путинской радиоастрономической обсерватории Астрокосмичсского 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.Тимофссва. Получили заслуженное мировое признание работы в этой области, выполненные под руководством А.Е.Ьашаринова, А.С.Гурвича,
6
А.Ю.Зражевского, Л.Г.Кислякова, Б.Г.Кугузы, А.П.Наумова, Б.А.Розанова, А.Е.Саломоновича, К.С.Станкевича, Е.В.Суворова, Г.М.Стрелкова, Н.М. Цейтлина, Г.Г.Щукина її др. Новые интересные результаты радиофизических исследований атмосферы на миллиметровых волнах получены К.ІІ.Гайковичем, Е.Н.Кадыгровым, И.В.Кузнсцовым, Ю.Ю.Куликовым, В.Г.Рыскиным, А.В.Троицким, Л.И.Федосеевым, А.М.Фсйгиным, А.А.Швсдовым и др.
В связи с рассматриваемой темой необходимо отмстить 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 ФИ АН 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 рассмагриваются в качестве одной из важнейших проблем, с которой столкнулось человечество. Помимо работ в ФИЛИ, 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, СГІ6ГУ, 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, Л.Г.Литвака, А.Л.Вихарева, О.А.Иванова, Н.Д.Борисова, К.Ф.Сергснчева [6], где
представлен цикл теоретических исследований и лабораторных экспериментов, в котором лродсмонсгрнрована 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.Шсфова, А.И.Ссмснова, 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 «ТЯОЮА». Под руководством В.В.Зуева проводится комплексный мониторинг озоносферы на Сибирской лидарной станции. Создана лидарная сеть ОБ-иИЩ 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». Пол руководством Ю.М.Тимофесва разрабатываются и совершенствуются спутниковые методы мониторинга газового состава атмосферы. Важный вклад в исследования озона и других атмосферных газов сделан Ю.А.Борисовым, Б.Ф.Гордисцом, А.Н.Груздевым, Б.В. Дементьевым,
Н.Ф.Еланским, Е.А.Жадиным, В.В.Ивановым, В.С.Косцовым, А.М.Кручсницким, И.К.Лариным, A.B.Поляковым, А.И.Ссмёновым, 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.Криволуикого, 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 MM-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 MM-волнах были доложены автором диссертации на ХХИ 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 сс тепловому излучению на MM-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 спектрорадиомстров, проведение наблюдений вертикального распределения озона (ВРО) и анализ полученных результатов [32,33, 38-47].
В задачи наблюдений вошло изучение происходящих в озоносфсрс 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 озономстричсские 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-врсменного 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 посгфоены по данным спутниковых наблюдений озонного слоя в 1978-1983 гг., т.с. 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 нс только оптическими методами, но также и на миллиметровых и субмиллиметровых волнах со спутников UARS, ODIN, EOS AURA.
11
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, сс 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 супсргетсродннныс спсктрорадиомстры 2-х миллиметрового диапазона волн, характеризуются* оригинальной конструкцией и оптимизированными спектральными характеристиками.
3. С помощью наземных спекгрорадиометров впервые выполнены многолетние (с 1987 г. по настоящее время) регулярные наблюдения атмосферного озона над Московским регионом на ММ волнах.
4. Построено1 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). 1
Выполненные автором исследования [32, 33, 37-47, 62-76] отличаются от предыдущих работ следующими положениями:
1. На основе результатов числе иных экспериментов сформулированы требования к условиям проведения экспериментов и к параметрам спектральной аппаратуры для исследований атмосферы в миллиметровой области спектра. Созданы удовлетворяющие этим требованиям сулергетеродинные спсктрорадиометры 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 озоносфсрс 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 ИК диапазоне из одной и той же области мезосферы. Данные о температуре на высотах мезонаузы, полученные в ИФА РАН по спектрам гидроксила, позволили повысить точность определения содержания озона в районе мезопаузы из измеренных в ФИАН на ММ волнах вращательных спекгров 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
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 требования, к точности измерений соответствующих характеристик излучения. Поскольку дистанционное зондирование атмосферы приводит к решению обратных задач вида Лт=и [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 характеристик 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
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 сё 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 математическая 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 в таких комплексных программах сделан вывод о необходимости создания.отечественной наземной озонометрической сети, работающей на ММ-волнах, и се последующее включение в состав глобальной сети обсерваторий.
16
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 се 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 озономстры 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 спсктрорадиомстров 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.
— Перспеюивным для изучения мезосфсрных процессов являются одновременные наблюдения озона на ММ-волнах и гидроксила в ИК-областн 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 озоносфсры на ММ-волиах в ФИАН и в зарубежных обсерваториях и единой методики обработки и анализа полученных данных [40].
— Проведение в ФИАН в содружестве с ИНФ РАН исследования пространственного распределения озона на ММ волнах методом одновременных наблюдений озоносфсры из двух пунктов-нашей страны (Москва, Апатиты) [63,73]. Эти наблюдения явились практическими шагами к созданию отечественной наземной сети для наблюдения озоносфсры 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 озономстричсской аппаратуры <. и методик наблюдения* в комплексные исследования- атмосферы в составе глобальной, озономстрической сети [57, 58, 59, 60, 69]. Полученные нами новые данные о ВРОбыли вкладом ФИАН в решение задач указанных международных программ. •
— Передача результатов исследований и научных разработок ФИАН в другие заинтересованные организации [66, 67, 69, 81]. ",
— Подспугниковый 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 се создании, в разработке методов наблюдения и обработки информации, в проведении мониторинга озоносфсры, 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).
18
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-1990 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 мезосфсрного 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 озономстрической 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 (госконтракг № 43.044.11.2642 от 31.01.2002 г.), Программа фундаментальных исследований ОФН РАН «Проблемы радиофизики», поддержанные РФФИ и выполненные под руководством автора- 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
1. Разработанные радиофизические методы и аппаратура для мониторинга озоносфсры 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 озоносфсры в составе глобальной озонометрической сети по международным программам и подспутниковые наблюдения.
2. 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 спсктрорадиометра 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 озоносфсры:
— зарегистрированы межгодовыс, 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:
20
2-й, 3-й, 4-й Весе, 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 Вссросс. научи, конф. по распространеншо 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, 19,89 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 submillimctcr waves (Kharkov, 1994, 1998, 2001), 1-й, 2-й, 3-й, 4-й Вссросс. 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 cipan СНГ «Атмосферная радиация» МСАР-99, -MCАР-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 Вссросс. научных конференциях «Необратимые процессы в природе и технике» (Москва, 2001 г., 2003 г., 2005 г., 2007 г.), Вссросс. семинарах по радиофизике ММ- и субММ-диапазонов (Н.Новгород, 2005 г., 2007 г.).
По результатам работы сделано свыше 100 публикаций.
Общая mrpyiciypa 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
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 озоносфсры 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, 02, Н2О, СЮ, N20, N0, N0?, 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 оптимизации планируемых экспериментов, по изучению содержания этих малых газовых составляющих в различных слоях атмосферы спектральными радиофизическими методами.
Педставлены результаты расчетов' спектров излучения1 атмосферы на частотах выбранной спектральной линии озона с центром на 142,175 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 озоносфсрс,
вызванных естественными причинами (сезонными вариациями, влиянием атмосферной динамики, фотохимическими явлениями и др.), а также техногенными загрязнениями атмосферы. Выполнены расчеты ожидаемых эффектов при наблюдениях мсзосфсрного 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 экспериментов исследована точность восстановления различного вида профилей ВРО с учетом выбранных значений параметров
спектрорадиомстра. 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 спекгрорадиометров для дистанционного зондирования атмосферного озона на ММ-волнах, представлены характеристики спектрорадиомстра ФИАН. По чувствительности спсктрорадиомстр ФИАН превосходит работающие на той же частоте зарубежные аналоги - озонометрические комплексы университетов Берна и Бремена.
В главе 4 представлено описание размещенного в Москве спектрорадиомстра, для наблюдений вертикального распределения озона.
Рассмотрены основные узлы действующего спектрорадиометра и их характеристики, описаны- методики исследования и результаты измерений основных характерисгик 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 уровню лучших отечественных и зарубежных аналогов, использующих смесители на планарных диодах с барьером Шотгки.
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
1988 -1990 гг. Были проанализированы также результаты проведенных в более поздний период, в 1997-2003 гг., одновременных наблюдений озоносферы на 142,175 ГГц в ФИ АН 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 Соэ, установлена связь этого явления с особенностями атмосферных процессов. Обнаружены эффекты образования мелкомасштабной структуры на вертикальных профилях Саз 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 мезосфсрного озона на ММ волнах (ФИАН) и гидроксила в инфракрасной области спектра (ИФА РАМ). Зарегистрирован суточный ход мсзосферного озона. Обнаружены значительные мсжсуточные и более короткопериодные вариации ночного мезосфсрного озона.
В главе 6 рассмотрены-закономерности высотно-врсмениого 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 срсднсквадратическис 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 межгодовыс 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.
Глава X. ОЗОНОСФЕРЛ КАК ОБЪЕКТ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ
1.1. О проблеме озона.
Как отмечалось во введении, происходящие изменения в атмосфере, в се защитном озонном слое являются предметом широкою обсуждения на представительных международных научных форумах и рассматриваются в качестве одной из важнейших проблем человечества. Большой вклад в изучение атмосферного озона внесен коллективами отмеченных во введении ведущих отечественных организаций., а также зарубежными исследователями [1-3,4,5].
Касаясь истории проблемы озона, отметим, что развитие изучения атмосферного озона, начало которому * положили работы А.Корню и других астрономов, привело к пониманию важной роли, которую играют молекулы этого газа в физике атмосферных процессов, экологии и в других областях. В 30-е годы прошлого столетия С.Чепмен предложил первую фотохимическую «кислородную» теорию озона, образующегося при упругих столкновениях молекул и атомов кислорода с третьей молекулой. Была установлена связь озона с многими процессами атмосферы. Были созданы оптические приборы для наблюдений озона, определены его оптические характеристики, созданы пункты наблюдений. Сконструированный в тот период спектрофотометр Добсона служит основой мировой сети наблюдений озона. Во второй половине 40-х гг. за рубежом были выполнены первые исследования озона до высот 70 км с борта ракет.
По мере совершенствования фотохимической теории озона были сделаны выводы о сильном влиянии водяного пара стратосферы и связанных с ним радикалов ОН и НОз на фотохимию озона. Была высказана идея о влиянии азотных соединений на озон (П. Крутцен, 1970 г.). Предполагалось, что выбросы двигателей
развивающейся сверхзвуковой авиации угрожают разрушить слой озона. Позднее появилась идея об опасности возможного разрушения озона фрсонами (Столярский и Цицероне, 1974 г.). В 70-е годы Молина и Роуланд высказали предположение, что выбросы антропогенных хлорфторуглеводородов (ХФУ) и других хлоросодержащих газов могут быть важным источником хлора в стратосфере. Считается, что химическое производство соединений, которые могут разрушать озон, было начато в 50-е годы прошлого столетия. Это производство осуществляется в основном в Северном полушарии. Примерно 90% от общих выбросов этих веществ в атмосферу происходит на широтах Ь'вропы, России, Японии и Северной Америки. После заключения в 1987 г. Монреальского протокола, обязывающего сократить производство озоноразрушающих
25
веществ и прекратить их выброс в атмосферу, глобальное производство этих веществ стало уменьшаться. Время жизни многих из этих соединений составляет до сотни лет и более, что приводит к однородному распределению их по всей тропосфере. Проникновение озоноразрушающих газов из тропосферы в стратосферу может происходить в областях разрыва тропопаузы, а также в сильных конвективных восходящих потоках в неустойчивой атмосфере, которые могут пробить тропопаузу, выбрасывая в стратосферу также и большое количество паров воды [4,5]. Наиболее интенсивными являются тропические возмущения, образующиеся в так называемой внутритропнческой зоне конвергенции (ВТЗК). Именно в этой области возникают возмущения, развивающиеся в интенсивные циклоны (называемые ураганами над Атлатикой и тайфунами на северо-западе Тихого океана). Попавший из тропосферы в стратосферу воздух с загрязняющими веществами ветрами разносится по стратосфере в Южное и Северное полушарие [4,5]. Вертикальное распределение этих веществ характеризуется малым изменением их содержания с высотой в тропосфере, где они хорошо перемешаны, и убылыо с высотой в стратосфере, где в верхних слоях стратосферы происходит разрушение этих соединений коротковолновым излучением Солнца (см., например, [4,5]). В соотвегствии с фотохимической теорией, разрушение озона в реакциях с участием хлора в газовой фазе должно происходить в верхних слоях стратосферы. Наиболее значительно этот процесс влияет на содержание озона на высотах около 40 км. Поэтому для обнаружения ранних стадии разрушения озонного слоя необходимы регулярные наблюдения за содержанием озона в том числе и на этих высотах, что обеспечивается наземными радиофизическими методами дистанционного зондирования озона на миллиметровых волнах (см. главы 2-6). Очень низкие температуры в полярной стратосфере обоих полушарий в холодное полугодие приводят к образованию полярных стратосферных облаков. Эти явления происходят в полярном стратосферном вихре, изолированном от внешнего воздушного пространства. Весной после окончания полярной ночи под влиянием солнечного освещения (в Антарктике в сентябре-октябре) в результате гетерогенных химических процессов с участием хлора и брома техногенного происхождения происходит быстрое разрушение озонного слоя, в Антарктике возникает озонная дыра. В арктической стратосфере в последние годы, которые характеризуются необычайно холодными условиями в стратосфере, также обнаружено значительное уменьшение стратосферного озона, составляющее до 20-25% в конце зимы и начале весны [4,5]. Эта ситуация усугубляется происходящими климатическими изменениями, приводящими к понижению температуры в стратосфере. Поскольку трудно предвидеть
26
временной ход изменений климата, динамики и газового состава атмосферы, то невозможно точно предсказывать и дальнейшую эволюцию озоносфсры. В связи с этим наряду с развитием методов прогнозирования необходимо развитие высокоэффективных методов наблюдения за состоянием озоносфсры и происходящими в ней изменениями на разных высотах, включая и высокие слои стратосферы и мезосферы. Как показано в данной работе, радиофизические методы дистанционного зондирования как раз и обеспечивают эффективный круглосуточный контроль вертикального распределения озона (ВРО) при различных погодных условиях в широком диапазоне высот, превосходя по этим характеристикам традиционные наземные методы зондирования.
1.2. Задачи радиофизических исследований озоносфсры
Рассматриваемая в данной работе область спектра ММ-волн характеризуется рядом особенностей. К ним относится огромное число спектральных линий молекул озона, водяного пара, кислорода, окислов азота, окиси хлора и др. газов, расположенных в этой области спектра. Все эти газы играют важную роль в химических процессах атмосферы, их участие в химических (фотохимических) реакциях оказывает влияние на общий баланс озона и на пространственно-временное распределение молекул Оз. Важной задачей в том числе является изучение радиофизическими методами пространственного распределения водяного пара, играющего одну из ключевых ролей в проблеме озона, а также являющегося важнейшей газовой составляющей, участвующей в циркуляционных процессах. С помощью радиофизических методов возможно обнаружение из космоса атмосферных процессов, сопровождаемых переносом водяного пара. Наблюдения атмосферы из космоса на миллиметровых и субмиллиметровых волнах способны внести важный вклад в изучение таких явлений, которые могут сопровождаться развитием тропических циклонов, тайфунов, ураганов, влияющих на хозяйственную деятельность и условия жизни населения.
С поверхности Земли возможны наблюдения теплового радиоизлучения озона и других газов на частотах их спектральных линий, расположенных в окнах прозрачности атмосферы в диапазоне длин волн 1-3 мм (вопросы влияния особенностей атмосферных условий над Московским регионом на точность результатов таких наблюдений рассмотрены в главах 2 и 4). Поскольку доплеровскос уширенис спектральных линий пропорционально частоте, то для ММ-волн оно во много раз меньше, чем для видимой и ИК-областей спектра. До высот 70-75 км уширенис спектральных линий излучающих на ММ волнах молекул определяется столкновениями молекул, т.е. пропорционально
27
давлению. Выше существенным становится доплеровское ушнренне. Исследование собственного теплового излучения атмосферного озона и других газов на частотах соответствующих спектральных линий с целью восстановления вертикального профиля содержания излучающих молекул представляет важную задачу дистанционного зондирования атмосферы радиофизическими методами.
Для радиоволн характерно много более слабое, чем в оптическом диапазоне, ослабление излучения в гидромстсорах, частицами облаков, осадков, туманов, и аэрозольными частицами. Вопросам влияния гидромстсоров на распространение радиоволн и флуктуаций СВЧ излучения атмосферы из-за тропосферной турбулентности посвящены исследования в ряде работ (см., например, [6,7]).
В отличие от традиционных оптических наблюдений, лидаров радиофизические методы при наблюдениях на ММ-волнах теплового излучения молекул озона с поверхности Земли позволяют получать ценную информацию о вертикальном распределении озона независимо от времени суток (днем и ночью), при различных атмосферных условиях, включая, например, присутствие слоев аэрозоля, сплошную облачность, и в широком диапазоне высот - от нижней стратосферы (от 12 км) до мезосферы, включая се верхние слои (днём до 75 км, ночью до 95 км). Естественным ограничением наблюдений на ММ-волнах является повышенная влажность тропосферы. По предельным высотам радиофизические методы существенно превосходят традиционные наземные оптические методы (предельные высоты метода обращения обычно около 45-50 км), шары-озонозонды («потолок» около 35 км), лидары (предельные высоты обычно около 40-50 км) [4]. Тем самым радиофизические методы, обеспечивая регулярные длительные наблюдения ВРО (мониторинг озоносферы), позволяют получать наиболее полную картину пространственно-временного распределения озона и его вариаций, включающих коротко- и долгопериодные изменения.
Цель радиофизических исследований озонного слоя заключается в том, чтобы получить данные для ответов на вопросы об изменениях в озоносфере и их причинах. Важными задачами радиофизических исследований озоносферы на ММ волнах с поверхности Земли являются изучение изменений профилей ВРО различного масштаба времени под влиянием атмосферной циркуляции, излучения, химических и тепловых процессов, взаимодействия атмосферы Земли с космосом. Влияние динамических процессов на озон является одной из важнейших проблем озоносферы. Сильная изменчивость динамических процессов усложняет се решение.
Особенно важно знать закономерности изменений в озонном слое над такими густонаселенными областями как Московский и др. регионы средних широт, т.е. там, где
28
возможное истощение защитного озонного слоя может привести к серьезным последствиям для здоровья большого количества, люден. В задачи радиофизических исследований входит оценка величин изменений в озоносфере, выявление связи этих изменений с другими параметрами атмосферы, исследование закономерностей наблюдаемых изменений атмосферного озона, изучение условий распространения субММ и ММ волн в изменяющейся земной атмосфере. Важной задачей является оценка влияния на озоносфсру техногенных факторов. Поскольку воздействия естественных и техногенных факторов на озоносфсру могут протекать по разному на разных высотах и могут иметь различные характерные времена (известны, например, суточные, сезонные, межгодовые изменения в атмосфере, влияние 11-летнего гелиоцикла), то и для изучения ожидаемых откликов озоносферы на эти процессы необходимо исследовать вариации озона в широком диапазоне характерных времен и высот (от нижней стратосферы до мезосферы и нижней термосферы), что как раз и обеспечивают мегоды дистанционного зондирования на ММ волнах с поверхности Земли (см. главы 2-5). При этом важной задачей является одновременные исследования радиофизическими методами пространственно-временного распределения озона, водяного пара,-окиси хлора, азотных составляющих и других малых газовых составляющих атмосферы, влияющих на обший баланс озона и играющих ключевую роль в атмосферных процессах.
Новые данные о вертикальном распределении озона важны для создания современной модели озоносферы, учитывающей влияние на атмосферный озон всех указанных выше факторов естественного и антропогсшюго происхождения. Известная справочная модель озоносферы СОБРАЯ [8] построена по спутниковым данным, полученным в конце 70-х-начале 80-х гг., когда еще не были известны аномальные явления в озоносфере. Сопоставление новых данных с этой моделью может послужить оценкой изменений в озоносфере за период, прошедший после этих спутниковых измерений.
Важной практической задачей являются синхронные подспутниковые наблюдения озонного слоя для калибровки спутниковых измерений и проверки (валидации) результатов наблюдений из космоса.
Перспективным является создание отечественной наземной сети озономстричсских обсерваторий для мониторинга озоносферы на миллиметровых волнах с последующим включением этой сеги в состав глобальной озономстричсской сети.
Актуальность этих задач подтверждается веем ходом развития исследований атмосферы в последние десятилетия.
Для решения перечисленных выше задач необходима спектральная приемная аппаратура с высокой чувствительностью и совершенная методика наблюдений и
29 '
обработки информации, что важно для обеспечения высокой точности результатов наблюдения и для получения однородных по качеству рядов экспериментальных данных в течение всего продолжительного периода мониторинга. Из-за отсутствия выпускаемых промышленностью спсктрорадиометров рассматриваемого диапазона актуальной задачей было создание оптимизированной по чувствительности, спектральному разрешению и полосе принимаемых частот радиометрической аппаратуры.
Выполненные нами расчеты ожидаемых эффектов показали, что в. результате мониторинга озоносферы на ММ-волнах с помощью оптимизированной спектральной аппаратуры, удовлетворяющей требованиям, сформулированным в главе 2, могут быть решены следующие важные задачи:
- регистрация и исследование вариаций содержания озона различного масштаба времени (от короткопериодных до межгодовых и более долговременных) под влиянием факторов естественного и антропогенного происхождения на разных высотных уровнях стратосферы и мезосферы, в том числе в слоях, наиболее чувствительных к техногенным воздействиям
- выявление и анализ аномальных явлений в озоносферс
- выявление связей между различными слоями стратосферы и мезосферы, -установление связей изменений содержания озона с изменениями других параметров атмосферы в различных гелиогеофизичсских условия. :
Спектральная аппаратура с оптимизированными параметрами необходима для:
- проведения подспутниковых измерений ВРО для валидации результатов космических экспериментов
- участия в комплексных отечественных и международных программах мониторинга атмосферы
- выполнения программ одновременных наблюдений озоносферы на ММ-волнах из удаленных друг от друга наземных пунктов (в содружестве с отечественными и зарубежными обсерваториями)
- создания отечественной наземной сети обсерваторий для мониторинга пространственно-временного распределения озона (а в перспективе, окиси хлора, азотных окислов и других малых газовых составляющих) на ММ волнах с последующей сс интеграцией в глобальную сеть.
Результаты расчетов в разделе 2.2 позволили оценить ожидаемые эффекты при наблюдении М20, 35С1/60, ГШОз и Оз на ММ волнах с поверхности Земли. Измерения в окнах прозрачности атмосферы уширенных вращательных спектральных линий закиси азота, окиси углерода, окиси хлора и озона позволят:
30
- получить данные о распределении закиси азота N20, изменение содержания которой из-за антропогенных воздействий может нарушить аэрономичсский баланс атмосферы. Эти молекулы являются чувствительным индикатором (трассером) переноса в стратосфере и мезосфере благодаря большому времени жизни (несколько лет в средней стратосфере). Наблюдения N20 важны для изучения динамики атмосферы и изучения ее влияния на озон. Молекулы N20 при их диссоциации являются основным источником образования нечетного азота (NO, N). Реакция N0 с Оз и последующая реакция N02 с атомарным кислородом представляет собой основной процесс гибели нечетного кислорода в стратосфере. Наблюдения N20 важны для оценки роли азотного каталитического цикла в химическом разрушении защитного озонного слоя на высотах 15-40 км. Антропогенными источниками N20 являются продукты сгорания топлива, химическая промышленность, широко применяемые в сельском хозяйстве азотные удобрения и др. Рост концентрации N20 может существенно задержать процессы возможного восстановления озонного слоя атмосферы.
- получить информацию о содержании окиси углерода СО в мезосфере на высотах 50-80 км. Благодаря большому времени жизни в мезосфере СО является трассером для изучения динамики труднодоступных верхних слоев атмосферы. Образование СО происходит посредством фотолиза С02, естественного окисления метана и за счет антропогенных факторов: выбросов в атмосферу продуктов сжигания природного газа, сгорания топлива в двигателях и др. Наблюдения окиси углерода важны для изучения влияния динамики на озон в верхней атмосфере, а также для оценки содержания основного парникового газа - двуокиси углерода С02 - на высотах мезосферы. ‘
- определить содержание окиси хлора, оценить роль хлорного каталитического цикла в химическом разрушении защитного озонного слоя. Окись хлора СЮ возникает в атмосфере при взаимодействии атомов хлора с озоном, приводящего к каталитическому разрушению озона. Максимумы содержания СЮ расположены в стратосфере на 20 км и 40 км. При появлении воздуха полярного вихря в умеренных широтах северного полушария могут наблюдаться аномально высокие значения отношения смеси СЮ, сопоставимые с содержанием СЮ в антарктической озонной «дыре». Антропогенными источниками атомов хлора в стратосфере являются реакции с участием хлорфторуглеводородов (ХФУ). Помимо разрушительного влияния на озонный слой, эти вещества активно поглощают в ИК области спектра и влияют на радиационный и тепловой баланс атмосферы.
- исследовать вертикальное распределение озона на высотах 12-75 км (ночыо до 95 км) и его вариации, изучить эволюцию озоносферы. Как упоминалось выше, озон играет
важнейшую роль в химических (фотохимических), тепловых и циркуляционных процессах. Озонный слой защищает жизнь на Земле от иУ-В излучения Солнца (примерно 280-300 нм). Поглощение УФ излучения Солнца представляет собой основной источник тепла в стратосфере и мезосфере. Содержание озона связано с крупномасштабными атмосферными процессами, с динамикой атмосферы, планетарными волнами, со стратосферными потеплениями. Изучение эволюции озоносфсры под влиянием естественных и антропогенных возмущений является одной из наиболее актуальных современных проблем.
Результаты создания спектральной аппаратуры и проведения исследований озоносфсры с сс помощью изложены в следующих главах.
1.3. О задаче математического моделировании при изучении спектров радиоизлучении атмосферы
Математическое моделирование занимает значительное место в данной работе при исследовании процессов формирования спектров излучения. Действительно, при решении задач, сформулированных выше, при создании новой спектральной аппаратуры, математическое моделирование необходимо для оценок ожидаемых результатов наблюдений, для имитации условий проведения планируемых экспериментов, для формулировки требований к создаваемой аппаратуре, для решения возникающих при этом методических проблем. К началу работы автора над проблемой исследований атмосферы в ММ и субмиллиметровом диапазонах (конец 60-х - начало 70 гг.) существовало ограниченное число публикаций по этому кругу задач, не дававших исчерпывающие ответы на ряд важных вопросов, например, о чувствительности характеристиках спектров излучения Земли к пространственному распределению излучающих молекул озона, водяного пара и других атмосферных газов в субмиллиметровом и миллиметровом диапазоне, об особенностях этих спектров при различных геометриях наблюдения с борта спутника, аэростата и с поверхности Земли. Не были известны особенности влияния различных состояний атмосферы на спектральные особенности радиоизлучения озоносферы при наземных наблюдениях в окнах прозрачности атмосферы в условиях Московского региона. Не существовало эффективных алгоритмов решения обратной задачи - восстановления вертикального распределения озона и др. газов из измеренных с поверхности Земли спектров^ радиоизлучения. Благодаря созданной математической модели, физические основы которой изложены ниже, стало возможным провести численное экспериментирование, решить прямую задачу, т.е. рассчитать ожидаемые спектры излучения при заданных вертикальных распределениях атмосферных параметров,
32
и решить обратную задачу дистанционного зондирования - задачу восстановления вертикального распределения газовых составляющих из измеренных спектральных линии, определить оптимальные условия проведения экспериментов, сформулировать требования к спектрорадиомстрам с оптимальными характеристиками, а затем изготовить спектральную аппаратуру в соответствии с этими условиями.
В соответствии с общепринятыми представлениями задача дистанционного зондирования состоит в определении некоторых параметров атмосферы — например, вертикального распределения содержания озона по измеренным характеристикам поля излучения атмосферы, в нашем случае спектра радиоизлучения и на частотах линии озона, чувствительного к вариациям профиля озона г. При этом г и и связаны между собой соотношением вида Аг=и (см. раздел 1.6.2). Условия корректности постановки математической задачи были сформулированы Адамаром [13,14]. Оператор А в уравнении Лг=м является нелинейным, он описывает физический механизм связи и и г и зависит от входящих в соответствующий функционал других атмосферных и спектроскопических параметров, которые определяют механизм переноса излучения в атмосфере. Для решения этой задачи необходимо выбрать и провести комплекс измерений для обеспечения необходимой системы исходных данных, причем должны быть измерены наиболее информативные характеристики поля излучения. При этом приближенные решения, получаемые по приближенным (в результате измерений) исходным данным, должны быть устойчивыми к малым изменениям этих данных.
При построении математической модели были разработаны программы расчета коэффициентов молекулярного поглощения радиоволн в атмосфере, расчета интегральных радиохарактеристик (оптических толщин и яркостных температур). Входными данными являются характеристики приемной аппаратуры (рабочие частоты, шумовые характеристики, спектральное разрешение), геометрия наблюдения (наблюдения с поверхности Земли, с борта аэростата, спутника, зенитные углы наблюдения), метеорологическая модель исследуемой атмосферы (высотные профили температуры, давления, профили содержания молекул поглощающих газовых составляющих атмосферы), необходимые для расчета характеристик радиоизлучения. Выходными данными являются спектры оптических толщин и интенсивности излучения (яркостных температур). Модель включает спектральные данные атласов НГГВАЫ и ряда оригинальных работ (подробнее см. главу 2). Была также создана программа решения обратной задачи дистанционного зондирования, позволяющая производить численные эксперименты по замкнутой схеме, оценивать влияние различных факторов на точность решения обратной задачи.
33
Ниже рассмотрены физические принципы, положенные в основу математической модели излучающей атмосферы в диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых волн для численного моделирования процессов формирования спектров излучения. Результаты выполненных численных экспериментов, необходимые для оценки ожидаемых результатов наблюдений, позволили сформулировать требования к создаваемой
4
аппаратуре и были использованы при решении методических задач.
1.4. 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.Фарадся, Дж.Максвелла, Х.А.Лорснтца, У.Рэлся, Дж.Джннса, 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.Лсонтовича [15], С.М.Рыгова и М.Л.Левина [16,17] подход к анализу принимаемого радиоизлучения, согласно которому спектральная плотность энергии равновесного излучения оказывается мерой интенсивности флуктуаций электрического и магнитного полей. Использование теоремы взаимности позволило получить простое соотношение между яркостной 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 гидромстеобразований (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 влаеги экспериментатора, способного выбрать благоприятный период для атмосферных наблюдений .
Одной из характеристик поля излучения является интенсивность 1У. Под этой
характеристикой понимается количество энергии излучения в единичном частотном интервале от у до у+<1у и в единичном телесном угле (Ю., проходящего в среде в заданном направлении ^ за 1 секунду через площадку единичного сечения с!сг (см., например, [19]). Поэтому для спектральной плотности мощности излучения <1Р„ имеем
При распространении излучения в поглощающей среде изменение интенсивности излучения может быть представлена в виде (см., например, [21]):
где через а обозначен коэффициент поглощения, а 5 - 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
(1РУ = 1у(1ойШу
(1.1)
<11
(1.2)
ек
где ВУ{Т) функция Планка:
(1.3)
35
Здесь к - 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 кУ.
2. Вынужденное излучение, вероятность которого пропорциональна плотности излучения на частоте У. 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, надетого 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.с. 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.с. 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-
1У (0) = /, (л*0 )*-«*> +\ВУ (Т)е~ф)аск
(1.5)
о
где г является оптической толщиной, определяемой соотношением:
(1.6)
о
36
Здесь полагается, что приемник излучения расположен при 5- = 0, а верхний предел интегрирования находится на расстоянии £ = л*0, где интенсивность излучения задается в
виде /Д$0).
Радиоизлучение характеризуется также яркостной (эффективной) температурой Тяр<. 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 Иу «кТ:
™ ал)
с
Л2
где Я - длина волны.
В этом приближении для яркостной температуры Ть имеем соотношение
Ть(у^1к1у (1-8)
Отметим, что в области низких значений температуры источника излучения, например, для космического фонового излучения, а также при высоких частотах может возникнуть заметное отклонение приближения Рэлея -Джинса от закона Планка, которое необходимо учитывать.
Следуя [ 7], рассмотрим функцию /г(и,7’):