Оптическая модель атмосферного информационного канала военных тепловизионных систем

ОГЛАВЛЕНИЕ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ ГЛАВА 1
АЭРОЗОЛЬ - КАК ФАКТОР ОСЛАБЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
1.1. Компоненты показателя ослабления радиации в ИК окнах прозрачности атмосферы
1.2. Микрофизические и химические характеристики атмосферного аэрозоля
1.3. Аэрозольное ослабление видимой и ИК радиации в приземном слое атмосферы.
1.4. Оптико-микрофизические свойства аэрозоля в условиях ледяного тумана
1.4.1. Льдообразование в приземном слое атмосферы
1.4.2. Метеорологические условия возникновения ледяных туманов
1.4.3. Спектральные коэффициенты аэрозольного ослабления оптического излучения
ГЛАВА 2
СТАТИСТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СПЕКТРАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ АЭРОЗОЛЬНОГО ОСЛАБЛЕНИЯ РАДИАЦИИ В ПРИЗЕМНОМ СЛОЕ АТМОСФЕРЫ
2.1. Статистические характеристики ослабления оптического излучения в приземном слое воздуха
2.2. Связь характеристик распределения размеров частиц с коэффициентами ослабления радиации
ГЛАВА 3
ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ ВОЗДУХА НА ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ АТМОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ
3.1. Конденсационное преобразование распределения аэрозоля по размерам
3.2. Некоторые особенности зависимости аэрозольного ослабления оптического излучения от влажности и температуры воздуха
3.3. Оценка характеристик связи коэффициентов аэрозольного ослабления и метеорологических параметра
ГЛАВА 4
ДИНАМИКА ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АТМОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ И СИНОПТИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
4.1. Суточный режим аэрозольного ослабления оптического излучения в приземном слое атмосферы при различных типах синоптических процессов
4.2. Атмосферные фронты и режим аэрозольного ослабления радиации
ГЛАВА 5
ДИАГНОСТИКА ОПТИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ ПРИЗЕМНОЙ АТМОСФЕРЫ И МОДЕЛИ “ОПТИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ”
5.1. Анализ современного состояния проблемы типизации и моделирования оптических параметров аэрозоля
5.2. Построение региональных полуэмпирических моделей оптических характеристик атмосферы
ГЛАВА 6
ОПТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ КОНТИНЕНТАЛЬНОГО АЭРОЗОЛЯ
6.1. Анализ моделей атмосферного аэрозоля.
6.2. Моделирование спектра размеров атмосферного аэрозоля.
6.3. Моделирование оптических характеристик аэрозоля для различных типов воздушных масс.
ГЛАВА 7
ОПТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОКЕАНИЧЕСКОГО АЭРОЗОЛЯ
7.1. Механизмы образования, распределение по размерам и поле концентрации океанического аэрозоля
7.2. Химический состав морского аэрозоля.
7.3..Оптические свойства океанического аэрозоля. Экспериментальные данные.
7.4. Моделирование оптических характеристик океанического аэрозоля.
ГЛАВА 8
ВЕРОЯТНОСТНАЯ МОДЕЛЬ ПРОПУСКАНИЯ АТМОСФЕРНОГО КАНАЛА В РАБОЧИХ СПЕКТРАЛЬНЫХ ДИАПАЗОНАХ ТЕПЛОВИДЕНИЯ
8.1. Модели газового и аэрозольного компонентов коэффициента пропускания атмосферы в спектральных диапазонах 3-5 и 8-12 мкм.
8.1.1. Общие положения.
8.1.2. Модели газового компонента коэффициента пропускания атмосферы.
8.1.3. Модель аэрозольного компонента коэффициента пропускания атмосферы.
8.2. Анализ методик подготовки исходных данных по метеорологическим параметрам
8.2.1 Общие замечания.
8.2.2. Расчёт средней плотности водяного пара и её вероятности.
8.2.3. Психрометрический метод расчёта вероятности абсолютной влажности воздуха.
8.2.4. Методика коррекции аэрозольного блока вероятностной модели коэффициента пропускания атмосферы.
8.3 Принципы построения вероятностной модели коэффициента пропускания атмосферы.
8.3.1 Общие положения метода преобразования случайных величин.
8.3.2. Моделирование распределения вероятности коэффициента пропускания атмосферы.
8.3.3. Методика расчёта статистик распределения коэффициента пропускания атмосферы.
8.3.4. Аналитическое описание распределения коэффициента пропускания атмосферы.
8.4. Климатологический анализ распределения коэффициента пропускания атмосферы в инфракрасном диапазоне спектра на территории СНГ и стран Прибалтики.
8.4.1. Исходные данные для климатологического анализа.
8.4.2. Климатические особенности распределения коэффициента пропускания атмосферы в спектральном диапазоне 8-12 мкм
8.4.3. Климатические особенности распределения коэффициента пропускания атмосферы в спектральном диапазоне 3-5 мкм.
ГЛАВА 9
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОПУСКАНИЯ АТМОСФЕРЫ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ АТМОСФЕРНЫХ ЯВЛЕНИЯХ
9.1. Вероятностные характеристики коэффициента пропускания атмосферы при различных атмосферных явлениях.
9.2. Сравнительный анализ методик моделирования распределения коэффициента пропускания атмосферы.
ГЛАВА 10
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПРОПУСКАНИЯ АТМОСФЕРЫ В БЛИЖНЕЙ ИНФРАКРАСНОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА
176
178
181
182
186
186
189
195
200
200
205
210
5
10.1. Полуэмпирическая модель аэрозольного компонента коэффициента пропускания атмосферы
10.2. Аналитическое описание распределения метеорологической дальности видимости.
10.3. Математическая модель пропускания атмосферы в ближнем ИК диапазоне
ГЛАВА 11
ТИПОВЫЕ СОСТОЯНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ПОГОДЫ И ЕЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В ИНТЕРЕСАХ ИНЖЕНЕРНЫХ РАСЧЕТОВ ОБЛУЧЕННОСТИ ВХОДНЫХ ЗРАЧКОВ ОЭС
11.1. Основные положения классификации типовых состояний оптической погоды.
11.2. Оптико-геофизическая модель тропосферы.
11.2.1. Общие положения.
11.2.2. Расчет функций спектрального пропускания газовыми компонентами атмосферы.
11.2.3. Расчет пропускания атмосферы (аэрозольный компонент)
11.2.4. Вертикальная стратификация показателя аэрозольного ослабления (ясно или малооблачно).
11.2.5. Вертикальная стратификация показателя аэрозольного ослабления в подоблачном слое.
11.2.6. Спектральная зависимость показателя аэрозольного ослабления.
ГЛАВА 12.
ИНЖЕНЕРНЫЕ ПРИЛОЖЕНИЯ АТМОСФЕРНОЙ ОПТИКИ В ЗАДАЧАХ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТЕПЛОВИЗИОННЫХ ПРИБОРОВ И ЛАЗЕРНЫХ ЛОКАЦИОННЫХ СИСТЕМ БЛИЖНЕГО И СРЕДНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА.
12.1. Инженерная методика оценки пропускания атмосферы в
ближнем и среднем ИК-диапазоне.
12.1.1. Диагностика пропускания атмосферой неселективного излучения в рабочих спектральных диапазонах тепловидения.
12.1.2. Диагностика пропускания атмосферой лазерного излучения в инфракрасном диапазоне спектра.
12.2. Методические рекомендации по использованию вероятностных характеристик коэффициента пропускания атмосферы в задаче оценки эффективности применения тепловизионного прибора.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ ОСНОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ЛИТЕРАТУРА ПРИЛОЖЕНИЕ I
Статистические характеристики спектральной структуры аэрозольного ослабления видимого и ИК излучения ПРИЛОЖЕНИЕ II
Спектральные коэффициенты аэрозольного ослабления видимого и ИК излучения ПРИЛОЖЕНИЕ III
Коэффициенты пропускания приземного слоя атмосферы в ИК области спектра (3-5,8-12 мкм) на территории СНГ и стран Прибалтики (вероятностная модель)
ПРИЛОЖЕНИЕ IV
Параметры спектральных функций пропускания атмосферных газов и аэрозоля ПРИЛОЖЕНИЕ V
Специализированный климатический справочник
247
254
256
262
264
267
303
308
319
332
351
7
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ
В настоящей работе обобщены результаты исследований, выполненных автором в период с 1973 по 2000 г.г. и направленных на создание банка статистически и метрологически обеспеченных экспериментальных данных по оптическим и микрофизическим характеристикам атмосферного аэрозоля, разработку оптических моделей атмосферы и соответствующих инженерных приложений оценки и расчета энергетических потерь в атмосферном информационном канале тепловизионных систем.
Функционирование существующих и перспективных оптико-электронных приборов, работающих в инфракрасном диапазоне спектра на протяженных оптических трассах в атмосфере, ограничено состоянием окружающей среды. Обычный недостаток, который отмечается при работе ИК систем в натурных условиях - зависимость пороговых характеристик от метеоусловий. То есть, способность оптико-электронного прибора с заданной вероятностью выполнить свою рабочую функцию - обнаружить или опознать объект наблюдения, находится в зависимости от потока излучения на входе приемной системы. Величина этого потока определяется изменяющимися во времени и пространстве, как радиационными характеристиками объектов наблюдения, так и оптическим состоянием атмосферы.
Таким образом, для оптимизации конструкции оптико-электронного прибора и гарантированного обеспечения тактико-технических параметров при различных режимах его применения неотъемлемыми структурными элементами сквозного математического моделирования узлов и блоков разрабатываемой аппаратуры должны стать разделы радиационных характеристик объектов (фона) и оптических характеристик атмосферного канала. Эти разделы должны включать в себя вероятностные оценки определяющих их параметров. Характеристики объектов (фонов) выходят за рамки настоящей работы. Предметом ис-
8
следования являются только закономерности изменения оптического канала передачи информации, которые определяют влияние атмосферы на работу оптико-электронных приборов, т.е. прикладные аспекты атмосферной оптики, в динамике погодных условий.
Особенностью трех последних десятилетий развития атмосферной оптики является расширение сфер ее практических применений. Это связано не только с успехами, достигнутыми в оптическом приборостроении и освоением в различных инженерных приложениях все более «далеких» участков инфракрасного диапазона электромагнитных волн, но и с растущим вниманием специалистов к экологическим проблемам и изучению природных ресурсов Земли оптическими методами.
Таким образом, многочисленные интересы геофизики, собственно оптического приборостроения и связанных с ними разделов научно-технической деятельности - это те области знаний, в которых как важнейший элемент выступают сведения об оптических свойствах атмосферных аэрозольных образований.
При этом независимость взаимодействия излучения с молекулами оптически активных газов и частицами аэрозоля позволяет рассматривать как два самостоятельных вопроса проблемы распространения радиации в условиях «ясной», незамутненной атмосферы и в ситуациях при пониженных значениях метеорологической дальности видимости, обусловленных влиянием аэрозоля естественного и искусственного (антропогенного) происхождения, а также ставить задачу установления стохастических связей, определяющих закономерности изменения оптико-метеорологических и микрофизических параметров окружающей нас воздушной среды.
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА
В течение последних трех десятилетий были выполнены многочисленные экспериментальные и теоретические исследования по проблеме ослабления видимой и ИК радиации в Земной атмосфере. В России и СНГ эти работы сосре-
9
доточены в основном в Институте физики атмосферы РАН, Институте оптики атмосферы СО РАН, Главной геофизической обсерватории им. А.И. Воейкова, Государственном оптическом институте им. С.И. Вавилова, Институте экспериментальной метеорологии (ныне НПО «Тайфун»), НПО «Государственном институте прикладной оптики» и ряде других организаций АН РФ и Госком-гидромета.
Следует, в первую очередь, отметить исследования Розенберга Г.В. (ИФА), Зуева В.Е. (ИОА) и их сотрудников: Георгиевского Ю.С., Шукурова А.Х., Кабанова М.В., Пхалагова Ю.А., Панченко М.В., а также исследования, выполненные Броунштейном А.М. в ГГО им. А.И. Воейкова, Федоровой Е.О. и Киселевой М.С. в ГОИ, Москаленко Н.И. и Филипповым B.JI. в НПО ГИПО.
В настоящем исследовании внимание акцентируется на решении проблемы, впервые поставленной и получившей развитие в НПО ГИПО и, в частности, в работах автора, а именно: систематизации экспериментальных данных об оптико-микрофизических характеристиках атмосферного аэрозоля с определением на уровне современных представлений основных закономерностей их изменчивости с учетом синоптических факторов, определяющих прогнозируемую динамику состояния атмосферы. При этом рассмотрены вопросы об источниках, физико-химических свойствах аэрозольных частиц, определяющих формирование в атмосфере многообразия оптических состояний, связь последних с метеорологическими параметрами и синоптической обстановкой, что позволило впервые представить разработчикам оптико-электронной аппаратуры обобщения экспериментальных данных на уровне инженерных оптических моделей атмосферы, в том числе, вероятностных.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Цель диссертационной работы состояла в создании информационной базы по оптическим характеристикам атмосферы с учетом динамики региональных и погодных факторов и разработке на ее основе вероятностной модели коэффициента пропускания атмосферы и оптико-геофизической модели тропо-
10
сферы для оценки и расчета энергетических потерь в атмосферном информационном канале военных тепловизионных приборов.
ОСНОВНЫЕ ЗАЛА ЧИ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ группируются в виде трех взаимосвязанных разделов
1. Получение обоснованной оптико-физической информации, определяющей динамику оптических свойств атмосферы, в том числе:
- накопление информационной базы исходных данных по оптическим характеристикам атмосферы для рабочих спектральных областей тепловизионных приборов;
- исследование региональных, сезонных и суточных закономерностей трансформации аэрозольного ослабления ИК радиации атмосферой;
- разработка оптических моделей континентального и океанического аэрозоля.
2. Разработка моделей атмосферы, в том числе:
- разработка вероятностной модели коэффициента пропускания атмосферы (КПА) для рабочих спектральных областей тепловизионных приборов;
- разработка оптико-геофизической модели тропосферы.
3. Разработка инженерных рекомендаций, в том числе:
- разработка инженерной методики расчета пропускания атмосферы в ближнем и среднем ИК диапазонах;
- разработка методических рекомендаций по оценке эффективности применения военных тепловизионных приборов в зависимости от погодных условий.
НА УЧНАЯ НОВИЗНА
- Получен массив экспериментальных данных, анализ которого позволил сформулировать оригинальные статистически обоснованные выводы о региональных, сезонных и суточных особенностях динамики аэрозольной атмосферы.
- Разработаны оптические модели аэрозоля для основных типов континен-
11
тальных воздушных масс и океанических акваторий, описывающих в абсолютных величинах динамику аэрозольного ослабления ИК радиации в зависимости от региональных и погодных факторов.
- Разработана вероятностная модель КПА в рабочих спектральных областях тепловизионых приборов для территории СНГ и стран Прибалтики.
- Разработана оптико-геофизическая модель тропосферы, которая включает в себя: оптические параметры атмосферы (принципы построения модели, расчетные соотношения) и банк спектральных оптических характеристик и геофизических параметров тропосферы.
- Разработана инженерная методика расчета пропускания атмосферы в ближнем и среднем ИК диапазонах.
- Разработаны методические рекомендации по оценке эффективности применения военных тепловизионных приборов в зависимости от погодных условий.
НА УЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПРЕДСТАВЛЕННЫЕ К ЗАШИТЕ:
1. Статистические характеристики аэрозольного ослабления ИК радиации, региональные, сезонные и суточные закономерности изменчивости оптических и микрофизических характеристик аэрозольной атмосферы.
2. Оптические модели континентального и океанического аэрозоля.
3. Вероятностная модель КПА: алгоритм построения модели и закон распределения КПА.
4. Оптико-геофизическая модель тропосферы, включающая расчетные соотношения оптических и геофизических параметров региональных моделей аэрозольной атмосферы и банк спектральных оптических характеристик и геофизических параметров тропосферы.
5. Инженерная методика расчета пропускания атмосферы: аналитические зависимости газового и аэрозольного компонентов ослабления ИК радиации.
6. Методические рекомендации по использованию вероятностных характеристик КПА для оценки эффективности применения военных тепловизионных
12
приборов в натурных условиях.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНА ЧИМОСТЬ
Практическая значимость полученных в диссертации результатов определяется потребностью в них:
- при проектировании военных тепловизионных систем;
- при разработке инженерных оптических моделей атмосферы, используемых при интерпретации спутниковых данных;
- при разработке стандартов по испытанию военной тепловизионной техники в натурных условиях;
- при разработке инженерных методик расчета дальности действия военных тепловизионных приборов.
ВНЕДРЕНИЕ
Обобщенные результаты исследований внедрены:
- при проектировании инфракрасных оптико-электронных систем авиационного и космического базирования;
- при разработке военных тепловизионных приборов: 1ПН65, 1ПН86, 1ПН79,1ПН86-ВИ, «Корнет», «Манчак», «Акцепт» и др.;
- при разработке отраслевой «Оптико-геофизической модели тропосферы (Тропосфера-82)», НПО ГИПО, Казань, 1982 г.;
- при разработке ОСТа на натурные испытания тепловизионных приборов.
Внедрение результатов при разработке конкретных оптико-электронных приборов, инженерных методик и нормативных документов в организациях отрасли и Министерства Обороны РФ подтверждено соответствующими актами внедрения.
П УЕЛ И КА НИИ.
Основные результаты опубликованы в 70 статьях в центральных журналах и тематических сборниках центральных издательств, а также в 3 моно-
13
графиях.
АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТА ТОВ.
Основные материалы работы докладывались на: Всесоюзном совещании по атмосферной оптике (г. Звенигород, 1974 г.); I, И, III Всесоюзных совещаниях по атмосферной оптике (г. Томск, 1976, 1982, 1983г.г.); IV, V Всесоюзных симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмосфере (г. Томск, 1977, 1978 г.г.); Всесоюзном совещании по распространению оптического излучения в дисперсной среде (г. Обнинск, 1978 г.); XI Всесоюзном совещании по актинометрии (г. Таллин, 1980 г.); И, ПІ, IV Всесоюзных совещаниях по распространению лазерного излучения в дисперсной среде (г. Обнинск, 1982, 1985, 1988 г.г.); IV Всесоюзной конференции «Аэрозоли и их применение в народном хозяйстве» (г. Юрмала, 1987 г.); Международном семинаре «Берилий-92» (Санкт-Петербург, 1992 г.); Международном симпозиуме по проблемам прикладной геологии, горной науки и производства (Санкт-Петербург, 1993 г.); Международной конференции «Оптика в экологии» (г. Санкт-Петербург, 1997 г.); Международной конференции «Физика атмосферного аэрозоля» (г. Москва, 1999 г.).
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ.
Диссертационная работа состоит из введения, двенадцати глав, заключения, списка литературы и приложения. Основная часть работы изложена на 302 стр., содержит 89 рисунков и 70 таблиц. Приложение на 62 стр. содержит 55 таблиц. Список литературы включает в себя 373 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении показана актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задача исследований, приведено краткое содержание работы.
В первой главе обсуждаются общие вопросы классификации, происхож-
14
дения, структуры и преобразования частиц диспергированного вещества атмосферы в различных погодных условиях, сезонах года, а также - пространственно-временные изменения аэрозоля; рассматриваются микрофизические характеристики аэрозольных частиц в условиях низких температур воздуха, когда в атмосфере становятся активными процессы льдообразования.
Один из основных выводов, который следует из материалов, представленных в первой главе, указывает на то, что свойства аэрозоля в макромасштабе предопределены развитием циркуляционных процессов в атмосфере.
Во второй главе обсуждаются результаты систематизированных и комплексных исследований вариаций коэффициентов аэрозольного ослабления в различных погодных условиях и представлены материалы статистического анализа экспериментальных данных.
В третьей главе рассмотрены существующие взгляды в области изучения и интерпретации взаимосвязи аэрозольного помутнения атмосферы и влажности воздуха. Эта информация также обобщается с учетом данных статистического анализа.
Представленным исследованием впервые акцентируется вопрос о необходимости и возможности учета в задачах прогноза “оптической погоды” данных о динамике метеорологических полей в атмосфере. Сведения о результатах соответствующих исследований содержит четвертая глава.
Пятая глава посвящена анализу современного состояния проблемы типизации и моделированию оптических состояний атмосферного аэрозоля.
В шестой и седьмой главах соответственно представлены оптические модели континентального и океанического аэрозоля, которые базируются на разработанных автором региональных моделях атмосферного аэрозоля, учитывающих динамику погодных условий.
В восьмой главе рассматриваются принципы построения вероятностной модели коэффициента пропускания приземного слоя атмосферы, позволяющей оценить такую климатическую характеристику, как распределение эмпирической вероятности коэффициента пропускания атмосферы в спектральных диа-
пазонах 3-5 и 8-12 мкм - типичных рабочих областях инфракрасных радиометров и тепловизионных приборов разного назначения.
Для описания распределения эмпирической вероятности предложена аналитическая модель.
На основе разработанной вероятностной модели получены оценки климатических характеристик коэффициента пропускания атмосферы (3-5 и 8-12 мкм) на территории СНГ и стран Прибалтики (Приложение III), а также центрального района Западной Европы (глава 9).
Аналитический вариант вероятностной модели пропускания атмосферы в ближнем ИК-диапазоне (Х=1.06 мкм) рассмотрен в десятой главе.
В одиннадцатой главе дано описание “Оптико-геофизической модели тропосферы”. По своей структуре оптико-геофизическая модель включает в себя два взаимосвязанных раздела:
- оптические параметры атмосферы (принципы построения модели, расчетные соотношения);
- модельные спектральные оптические и геофизические характеристики тропосферы.
В заключительной двенадцатой главе рассмотрены методические рекомендации по использованию региональных оптических моделей аэрозоля при построении инженерных методик оценки пропускания атмосферного канала тепловизионных приборов, а также их вероятностных характеристик для оценки эффективности применения последних.
16
ГЛАВА 1
АЭРОЗОЛЬ - КАК ФАКТОР ОСЛАБЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
1.1. Компоненты показателя ослабления радиации в ИК окнах прозрачности атмосферы
Изменения показателя ослабления видимого и инфракрасного излучения в “окнах” прозрачности земной атмосферы, т.е. участках спектра, где селективное поглощение слабыми линиями оптически активных газов несущественно, обусловлены, главным образом, флуктуациями плотности воздуха и концентрации аэрозоля. В первом случае мы имеем дело с молекулярным или рэ-леевским рассеянием, во втором - с аэрозольным ослаблением, которое учитывает не только рассеяние, но и поглощение энергии волн частицами.
Молекулярное рассеяние достаточно хорошо изучено. Теория молекулярного рассеяния света Рэлея дает следующее выражение для коэффициента рассеяния в газах.
«»(?>)=
8тс3(и2 -1) 6 + 35
(1.1)
ЗМ.4 6-76
где И- число молекул в единице объема, п - показатель преломления среды, X -длина волны излучения, 8 - фактор деполяризации рассеянного излучения, равный по данным измерений [293] - 0.035. К настоящему времени составлены обширные таблицы, обеспечивающие возможность достаточно точного количественного определения этого фактора потерь энергии волн, распространяющихся по любым направлениям в атмосфере (см., например, табл. 1.1).
Таблица 1.1
Коэффициенты молекулярного рассеяния а^Х,) при температуре /= 15°С
X, мкм СЧп(Х) , км’1 X, мкм ат(Х), км'1 X, мкм СХга(Х) , КМ'1 X, мкм Ото(Х) , км’1
0.30 1.446x10'1 0.40 4.303x10'* 0.65 5.893х10'3 1.26 4.076x1 О*4
0.32 1.098x1 О*1 0.45 2.644х10'2 0.70 4.364x10'3 1.67 1.327x10"4
0.34 8.494x10’2 0.50 1.716хЮ'2 0.80 2.545х10'3 2.17 4.586х10’4
0.36 6.680х10’2 0.55 1 162х10'2 0.90 1.583x10'3 3.50 6.830ХІ0-4
0.38 5.327х10'2 0.60 8.157x10° 1.06 8.458ХІ0-4 4.00 4.002x1 О*4
Коэффициент аэрозольного рассеяния для системы независимых поли-дисперсных рассеивателей может быть рассчитан по формуле:
17
00
а.р = И\кг‘гкр(р,т)п(г)(1г (1.2)
О
где N - число рассеивателей в единице объема, п(г) - функция распределения частиц по размерам, смысл которой определяется формулой Ыг<1г=И-п(г){1г, где Ыг число частиц, имеющих радиусы в интервале от г до г+(1г; кр(р,т) -фактор эффективности рассеяния, значения которого могут быть измучены либо по соотношениям теории Ми, либо на основе приближенных формул*, как функция комплексного показателя преломления вещества частиц
т = п-1% (1.3)
(г? - показатель преломления, х ~ показатель поглощения) и их относительного размера р (или, как принято иногда называть, параметра Ми)
т~ (Ы)
Величина ар имеет размерность обратной длины и носит название объемного коэффициента рассеяния. Аналогично определяются объемные коэффициенты ослабления а и поглощения ап, причем
К(р,т)=Кр(р,т) + К„(р,т) (1.5)
где К„(р,т) и К(р,т) - соответственно факторы эффективности поглощения и ослабления. Наиболее полные данные о функциях К(р,т) для сфер, пригодные для применения в атмосферно-оптических расчетах, приведены работах [39, 73, 174].
Анализ соотношений (1.2 - 1.5) показывает, что рассеивающие и поглощающие свойства аэрозоля определяются двумя его параметрами - спектром распределения частиц по размерам п(г) и их вещественным составом, так как химический состав аэрозоле образующего вещества однозначно определяет его комплексный показатель преломления т(К). В свою очередь, микрофизические и химические свойства аэрозоля сложным образом зависят от механизмов их
Теория Ми подробно изложена в монографиях К.С.Шифрина [273] и М.Г.Ван-деХюлста [39]
18
образования и трансформации в атмосфере, эффективность которых во многом определяется текущим физическим состоянием окружающей среды.
1.2. Микрофизические и химические характеристики атмосферного аэрозоля
Для правильного понимания закономерностей образования любого из аэрозольных помутнений естественной атмосферы необходимо знать природу (источник, физико-химические свойства частиц, их дисперсионный состав), а также временные и пространственные вариации указанных элементов.
Источники аэрозолей. К настоящему времени имеется большое количество работ, посвященных исследованию природы атмосферного аэрозоля (см., например [130, 152, 183, 275]).
Рис. 1.1. Блок-диаграмма (по К.Т.Уитби [368]). Распределение по размерам пф) городского аэрозоля фазовых преобразований, связанных с образованием жидкого и твердого аэрозоля
Достаточно наглядную картину о природных генераторах дисперсной фазы воздуха дает блок-схема К.Уитби [368]. Согласно последней (см. рис. 1.1) существует три разновидности источников аэрозолей, каждый из которых поставляет в атмосферу частицы определенных размеров вовлекаемых в конденсационно-коагуляционные преобразования. В конечном итоге формируется
19
полный спектр размеров частиц, являющийся суперпозицией трех частных распределений частиц по размерам, каждое из которых описывает фракцию частиц определенной природы.
Вышеприведенная блок-схема .согласуется с представлениями, сложившимися к настоящему времени [130, 266]. Нам остается лишь дать к ней некоторые дополнения и комментарии:
1. Образование частиц за счет конденсации и сублимации вещества при низком давлении связано с образованием дымов (паров) всех видов вследствие нагрева или горения. Природными источниками этого типа являются вулканы и лесные пожары.
2. Основные реакции между газовыми примесями, ведущие к образованию аэрозольных частиц сводятся к взаимодействиям типа.
N0 101 >ИОг н‘° >ио3 т> >т4иог
Б02 -0/ >да3 -я*°->Я2304 т!> >(М/4)2Ж>4
3. Пары органических веществ имеют много природных источников (наиболее важными являются различные виды растительности - хвойные деревья, полынь, креозотовый кустарник и др.), активно участвуют в воздухе в фотохимических реакциях: совместно с окислами азота они могут служить первичными реагентами, точно также, как в фотохимическом смоге. Именно на этом основании Ф.Вент [366, 367] полагает, что в результате фотохимических реакций в жаркую летнюю погоду образуется дымка.
4. В результате конденсационно-коагуляцонных преобразований диспергированного вещества (капелек солевых растворов различных электролитов) образуются смешанные частицы. Этот класс смешанных частиц составляет основу фонового аэрозоля или как ее еще называют - тонкодисперсную фрак-
. цшо “сульфатного” аэрозоля, ввиду того, что сульфаты составляют более 50 % массы гигроскопического вещества частиц.
5. В работе [44] показано, что частицы почвы легко адсорбируют пары воды из атмосферы даже при небольшой относительной влажности. При этом образующаяся в порах вода называется связанной. Частицы адсорбируют не
20
только пары воды, но и атмосферные газы (802, МНз, NО2, СО2 и т.д.). Соприкасаясь со связанной водой, эти газы растворяются и вступают в разнообразные реакции между собой и раствором электролита, в результате образуется растворимая оболочка частиц. Этот класс смешанных частиц, составляет основу так называемой грубодисперсной фракции “сульфатного” аэрозоля.
Химический состав аэрозолей. В последние три десятилетия изучению химического состава, аэрозолей уделялось большое внимание [130, 221, 266, 275, 308, 366 и др.]. Это вызвано отчасти тем, что химический состав дисперсной фазы воздуха является одним из определяющих параметров последней, как оптической среды.
Растворимое вещество (РВ) естественного аэрозоля в основном состоит
О _
из сульфатов и хлоридов: в работах [343, 368] было доказано, что 5<94 и №/4 составляют больше 70 % РВ больших частиц. П.Ф.Свистов [220] для территории СНГ и стран Прибалтики предложил две системы интерпретации РВ естественных аэрозолей:
а) для крупнодисперсной фракции (г>1мкм)-77а+, К*, Са+ || СГ, 5<94“ ;
б) для мелкодисперсной фракции (г < 1 мкм) - Н+, М74 || 80^~, ОН~
Оценки сделанные в [296] по ИК спектрам поглощения проб аэрозоля, отобранных вблизи Майнца (ФРГ) и в чистом воздухе (Атлантическое побережье, Ирландия и гора Сфинкс в Швейцарии на высоте 3573 м), свидетельствуют о том, что главным компонентом аэрозоля является . Вместе с тем за-
метен вклад в общую массу частиц органических соединений (>10 %).
Большой цикл исследований посвящен оценке содержания органических соединений, таких как аминокислоты, белковые вещества, сложные эфиры и т.д. в атмосферных и осадках [163, 220, 222, 315, 316, 319, 367] Показано, что в качестве растворимого органического вещества может выступать окисленный скипидар, который рассматривается [367] как главный компонент частиц растительного происхождения. Присутствие органической фракции зарегистрирова-
21
но сетью станций США - ее средняя концентрация составляет 13 % в городской зоне и 5 % в сельских районах.
В состав нерастворимого вещества аэрозолей входят зола, частицы угольной пыли, частицы грунта (соединения кремния, гликогены, карбонаты, кальциты, окислы железа) [126, 127, 130, 266, 275, 285]. В составе минеральной пыли (частиц грунта) по весу доминируют Si02 (50 %), А120з (15 %), Fe (6 %), MgO (1,3 %), МпО (1,3 %), Na20 (1,5 %) [285].
В табл. 1.2 по данным [345] приведены средние характеристики химического состава атмосферного аэрозоля*, которые достаточно полно определяют химический состав растворимой неорганической компоненты так называемого сельского аэрозоля ( Na*, Cet* у NH%y NCÇ ,СГ\ SC%~ ) и его минераль-
ной составляющей (Fe2Ö3, Si02, Л120з, CaO, PbO, ZnO).
Таблица 1.2
__________________Химический состав аэрозоля (средние данные)_________
Химический компонент Средние значения В условиях “чистого воздуха”
нг/м'3 % нг/м''* °/о
Na* 50 0.831 18 2.321
48 0.79 5 0.65
Ca** 102 1.70 10 1.28
NH\ 1124 18.70 132 16.94
NO$ 804 13.40 111 14.25
er 107 1.78 44 5.65
sdt 2704 44.90 266 34.15
Fe2Ö3 125 2.08 16 2.05
Si02 610 10.14 86 11.04
AW3 233 3.81 34 4.36
CaO 94 1.57 25 3.21
PbO 27 0.46 10 1.28
ZnO 28 0.47 22 2.82
Общая весовая Концентрация 6056 100 779 100
Пробы аэрозоля собраны в обсерватории на горе Банк на высоте 1780 м в Западной Германии за период с мая 1972 г. по декабрь 1 977 г
22
В заключение приведем обобщенную характеристику концентрации основных компонентов фонового аэрозоля [316], которые характеризуются высокой однородностью пространственного распределения:
- сульфаты 0.1-1 мкг/м3;
- морская соль 0.1-0.5 мкг/м3;
- органический компонент 0.4-0.8 мкг/м3;
- компонент, отличающийся большой изменчивостью - минеральная пыль 0.4-0.8 мкг/м3.
Распределение аэрозоля по размерам. Не менее важным параметром аэрозолей как оптической среды является спектр размеров частиц. Для описания спектра размеров предлагаются различные аналитические выражения, подробно рассмотренные в монографии [58]. Более общим из них является четырех параметрическое распределение (обобщенное гамма - распределение) [273]
п(г) = Аг*ехр(-Вгу) (1.6)
где А, В, р и у - эмпирические постоянные. С другой стороны, многочисленные измерения больших и гигантских частиц (г >0.1 мкм по номенклатуре Х.Юнге [275]) показали, что усреднение по многим реализациям и последующее сглаживание экспериментально наблюдаемых распределений, как правило, приводит к возможности их аппроксимации аналитическим выражением вида
"« = -^- = 0-0 (1.7)
Л\%г
где N - число частиц, г - радиус частицы, С - константа, зависящая от концентрации, (3 - показатель экспоненты (параметр Юнге), варьирующий в пределах
от 2 до 5.
Величина показателя Р характеризует крутизну крупнодисперсной ветви распределения: чем больше вклад в распределение вносят крупные частицы, тем меньше р [119, 275].
К настоящему времени имеется большое количество работ, посвященных исследованию функций распределения аэрозольных частиц по размера [19, 45,
23
48, 74, 130, 154,266,275,368 и др.].
Верхний предел распределения частиц по размерам обусловлен процессом седиментации, ограничивавшим время пребывания аэрозоля во взвешенном состоянии. Седиментация начинает особо.ощущаться при г > 10 мкм, а для г>20 мкм скорость оседания настолько велика, что соответствующие частицы практически не встречаются в спокойном воздухе. Нижний предел распределения частиц по размерам определяется, в основном, двумя процессами - коагуляцией, обусловливающей рост частиц и тем быстрее, чем мелкодисперснее аэрозоль, и механизмами образования новых частиц.
Авторы [156] при исследовании микроструктуры приземного аэрозоля фотоэлектрическим счетчиком обнаружили, что для дымок (Бм > 3 км) наиболее часто наблюдается распределение Юнге с параметром р = 3. На основе им-пакторных измерений в районе г. Рыльска [119, 120, 124] получен следующий результат: 1/3 всех зарегистрированных спектров частиц с размером 0.1 <г<\.5 мкм имеет юнговские распределения с показателем р= 3. Г.В.Степанов [224] получил для степных районов удовлетворительное описание распределений частиц с показателем р= 2.5 - 3.
По данным [159] для Центрального района Европейской территории России (ЕТР) дифференциальные спектры размеров частиц при г>0.05 мкм хорошо аппроксимируются степенной функцией Юнге с показателем р = 3. Дополняя указанные сведения, отметим измерения [317] в Тихоокеанских воздушных массах - р менялось от 2 до 3.5. Авторы [323] с помощью фотоэлектрического счетчика выполнили исследование микроструктуры в бассейне Тихого океана и получили следующие результаты: спектр п(г) в области г е 0.2-2мкм в первом приближении аппроксимируется распределением типа (1.7), причем подчеркивается, что значения показателя р были меньше, чём на континенте. При скорости ветра К~2 м/сек, р« 2.4 и величина параметра Юнге уменьшается при усилении ветра.
В соответствии со схемой образования аэрозоля в тропосфере, по
24
К.Уитби [368], распределение частиц по размерам в области г е 0.001 - 30 мкм (см. рис. 1.1.) представляет собой суперпозицию, по крайней мере, трех распределений, описывающих аэрозоль разной природы, каждое из которых может быть аппроксимировано логарифмически нормальным распределением.
м-і
ехр
т.
(1.8)
& ;=11п(10)л/271се.г
где к - количество фракций, А,- - концентрация у - Й фракции, см'3; гт. - медианный радиус, мкм; -1псг.. Причем для городского аэрозоля мода в области ядер Айткена (г< 0.1 мкм) является доминирующей, однако в сельской местности доминирующая роль переходит к моде, связанной с областью аккумуляции.
В табл. 1.3 приведены параметры логарифмически нормального распределения (1.8) для двух моделей атмосферного аэрозоля: средней континентальной (модель I [368]) и средней модели океанического аэрозоля (модель II [354]).
Таблица 1.3
Модели спектра размеров частиц
ФРАКЦИИ ЧАСТИЦ К Гт . мкм % Фо 8Р Єн
I. Умеренные широты - континент (пограничный слой)
1. Аккумулятивная (сульфатная I) 0.999677 0.069 ■ 0.708 1.225 0.7 0.3
2. Грубодисперсная (сульфатная II) 0.000323 0.97 0.765 1.241 0.7 0.3
11. Умеренные широты - океан (пограничный слой)
1. Аккумулятивная (сульфатная) 0.9795 0.069 0.708 1.487 0.7 0.3
2. Морская (морские брызги) 0.205 0.3 0.8 2.016 1 0
Распределения частиц по размерам нормированы на 1 частицу см ‘
На рис. 1.2 значками показан средний профиль плотности распределения частиц по размерам п(г) для переходных сезонов года по данным исследований автора в сельском районе Среднего Поволжья с помощью фотоэлектрического счетчика частиц “Квант” [40].
Представленный спектр п(г) в диапазоне ге0.2 - 3 мкм удовлетворительно описывается степенным законом (1.7) с показателем р«3, в то время как
25
п(г) , см Чскм1
10'
10'
10
101
10°
КГ
ю*
10'
10*
полный спектр п(г) - г е0.1 -20 мкм, в первом приближении можно интерпретировать как суперпозицию трех частных логарифмически-нормальных распределений (1.8):
Первое с параметрами ^=0.005
мкм, <^ =1.1 описывает спектр размеров так называемой “тонкодисперсной фракции сульфатного аэрозоля” (см., например, [116, 213, 354]).
Второе логарифмически-нормаль-ное распределение с параметрами ^2=0.095 мкм и 0.8 описывает
спектр размеров частиц “грубодисперсной фракции сульфатного аэрозоля”.
И, наконец, третье распределение с параметрами гтъ =0.562 мкм и а(з= 0.9
101 10° 101 10* г.мкм
описывает спеюр размеров “пылевой Рисл 2 Средняя функция распределения
(1юакции” атмосферного аэрозоля по раз-
мерам в переходные сезоны года Материалы о структуре дисперс- (дневное время,/<50%).
ной среды, подобные представленным выше, получены различными методами и приборами, однако, согласно [275, 295], спекгры размеров частиц “сухого” аэрозоля над континентами в умеренных широтах могут быть определены значениями показателя Р “удивительно постоянными и равными приблизительно 3”, по крайней мере, в области оптически активной фракции частиц г<1 мкм. При этом отмечается, что качественно однообразные спектры размеров частиц типичны для различных районов в Европе и США. Это обстоятельство подтверждают и результаты исследований, выполненные в рамках экспериментальных программ ГАРЭКС-77, ГАРЭКС-79, которые были реализованы в пес-
26
ках Каракумов. В [94, 95, 118] получен большой массив данных (330 спектров) по п(г) в области ге 0.1-64 мкм (1977 г.) и ге ОД-15 мкм (1979 г.). Распределения частиц по размерам аридного аэрозоля, средние профили которых для разных погодных условий, характеризуемых скоростью ветра К, представлены на рис. 1.3, имеют вид ниспадающих кривых с уменьшением концентрации в область больших размеров.
а б
. г,мкм
Рис. 1.3. а - средние спектры распределений частиц по размерам в осенний период:
(кривая 1- при скорости ветра 5 7 м/с; кривая 2 - зимний период) б - средние спектры распределений частиц по размерам для аридной зоны в зависимости от скорости ветра: У=0*2 м/с (о); 3*4 м/с (А); 5*6 м/с (х); 7*8 м/с (■); 9*10 м/с (*); 11*12 м/с (•); 13*14 м/с (А)
Причем для спектров п(г), полученных в осенний период, который по характеру погодных условий и состоянию поверхности почвы можно с полной уверенностью отнести к типичным для сухого периода года, независимо от ре-
27
жима ветровой эрозии, характерны два перегиба центрированных в областях г € 0.3 - 1.5 мкм и 5 -15 мкм. Подобный вид спектра п(г) можно интерпретировать как проявление трех фракций - частных распределений, каждое из которых описывается логарифмически-нормальным распределением (1.8):
- аккумулятивной - “сульфатный” аэрозоль (гигроскопичен): =0.005 мкм,
о,, =1.1;
- пылевой (фракция I) - вторичные продукты дробления почвенных частиц (негигроскопична):- гщ =0.74 мкм, сг^ =0.8;
- пылевой (фракция II) - продукты
Л^.СМ'3
выветривания с поверхности почвы - “пылевой поземок” (негигроскопична),: г||^= 9.5 мкм, с^=0.8.
Необходимо особо отметить один важный вывод, который вытекает из анализа результатов экспериментальных программ в аридной зоне - линейная зависимость роста концентрации частиц всех размеров от скорости ветра при ее увеличении V > 7 м/с, что наглядно иллюстрируют данные приведенные на рисунках 1.3 и 1.4.
пустыней в зимний период, когда ПО- Рис. 1.4. Зависимость концентрации частиц/У,
от скорости ветра V для двух диапа-верхность песка влажная, прослежива- зонов размеров г частиц:
, 1) г= 0.13 ... 0.18 мкм;
ются только две фракции (над влажным 2) г=9. 19 мкм. •
песком отсутствует вторая пылевая фракция), огибающая которых описывается юнговским распределением с показателем р=3, что соответствует условиям умеренных широт.
Отметим, что результаты представленного исследования находятся в хо-
28
рошем качественном соответствии с результатами, полученными в указанном районе в сухой период в рамках программы КЭНЭКС-70 [62] и данными Блиф-форда [282], полученными в штате Небраска (США).
В заключение данного раздела следует упомянуть известные, сведения, указывающие на существенное отклонение от степенного закона Юнге. Для пустынных районов США в ясную погоду в апреле - июне 1962 г. с помощью импакторных ловушек было получено много модальное распределение частиц по размерам [295] с экстремальными точками в следующих диапазонах радиусов частиц: 0.1-0.15; 0.3 - 0.37; 0.55 - 0.65 - соответственно первый, второй и третий максимумы.
Однако последние данные, зарегистрированные в условиях высокой видимости (т.е. тогда, когда в большей степени должны проявляться особенности различных генераторов аэрозольных частиц), не преуменьшают уверенности в том, что для реально наблюдаемых спектров п(г)> особенности которых обусловлены целым рядом географических и метеорологических факторов, возможно существование стабильных во времени распределений частиц по размерам и их концентраций [45].
1.3. Аэрозольное ослабление видимой и ИК радиации в приземном слое
атмосферы.
Для многих прикладных задач атмосферной оптики решающее значение имеет информация об объемных коэффициентах аэрозольного ослабления ах.
В настоящем параграфе рассматриваются соответствующие данные для погодных условий, когда аэрозольное помутнение образовано увлажненными частицами (т.е. при относительной влажности/> 30 - 40 %) и связанная аэрозолем вода находится в жидком состоянии, в том числе - переохлажденном. Закономерности аэрозольного ослабления в условиях, когда в атмосфере присутствует ледяная фракция, посвящен следующий параграф.
Работы в затронутой области весьма многочисленны и выполняются как у нас в стране [38, 50, 73, 147, 179, 180,205, 214, 236, 241 и др.] так и за рубежом
29
[277, 286, 290, 307, 310, 321, 337, 340, 353, 354 и др.]. Попытаемся дать краткий обзор имеющихся в настоящее время данных об аэрозольной составляющей ослабления видимой и ИК радиации в области длин волн X = 0.5 - 12 мкм. Обобщение материалов подобных исследований, выполненных до начала 70-х годов, содержится, например в [73,120, 205,213, 214, 235,275].
Большой цикл экспериментальных работ по определению спектральных коэффициентов аэрозольного ослабления проведен на Звенигородской научной базе (ЗНБ) Института физики атмосферы АН, РФ. Детальные исследования аэрозольного ослабления в приземном слое атмосферы осуществлены Ю.С.Георгиевским [50 - 53]. Измерение прозрачности проводилось в одиннадцати “узких” спектральных интервалах диапазона X = 0.37 - 1.0 мкм на трассе протяженностью 1.3 км. Анализ данных показал, что по спектральному ходу объемных коэффициентов аэрозольного ослабления “оптические” ситуации следует разделить по степени уменьшения его селективности на два типа - это дымки и туманные дымки [212-215].
В широком спектральном диапазоне Х= 0.59 - 12 мкм в период 1967-1969 гг. систематическое исследование спектрального пропускания атмосферы для всех сезонов года выполнено В.Л.Филипповым [230,
231, 233, 235, 240, 263]. Отмечены различия в характере оптического состояния приземного слоя атмосферы: в разные сезоны года получены спектры а(А,), отличающиеся как
по абсолютной величине, так и по селектив- Рис. 1.5. Средние относительные спектральные коэффициенты аэро-ности спектрального хода коэффициентов зольного ослабления в “ок-
^ ^ нах” прозрачности атмосферы
аэрозольного ослабления. Последнее на- в различных (см. табл. 1.4) оп-
глядно иллюстрируют профили а(Х), пред- тических ситуациях по дан-
* ™ К'Г г ньм 0 л Филиппова [255]
ставленные на рис. 1.5.
30
Начиная с 1970 г. систематические измерения спектрального пропускания в “окнах” прозрачности атмосферы в диапазоне 0.37 - 13 мкм на ЗНБ ИФА АН РФ выполнялись А.Х. Шукуровым и А.И.Чавро [51, 53, 179, 180, 270]. Результаты этих исследований позволили Г.В.Розенбергу выдвинуть в 1974 г. гипотезу [216] о существенном вкладе субмикронной фракции частиц в поглощение света в окне прозрачности атмосферы 8-12 мкм.
Таблица 1.4
Сводка основных метеорологических условий в которых наблюдаются состояния оптической погоды, обозначенные на рис. 1.5_________________
Сезон Тип дымки 5а/ / % Дополнительные сведения
Зима Дымка (кривая В) Ледяной туман (А) Дымки с мелким снегом в виде крупы (С) > 3 км > 3 км <100 <100 Образуется в условиях, когда упругость водяных паров в окружающем воздухе не превышает (при данной температуре) уровень, соответствующий их насыщенному состоянию относительно льда. Значения относительной влажности, при которых наступает насыщение, надо льдом, следующие: /,°С, -10, -20, -30, -40,-50,-60 /,% 91, 82, 74, 67, 61, 55 Возникает при условии е(1)>Ел(0 Выделена именно эта ситуация, так как только в этом случае незначительны флуктуации светового потока на трассе, связанные с изменчивостью интенсивности осадков
Весна- осень Дымка (К) Туманная дымка (Ь) Дымка с моросью (М) Дымка в условиях осадков обложного типа (Р) > 3 км < 3 км <96 >95
Лето Дымка (И) Дымка радиационного происхождения (Д) > 5 км > 1.5км 50-95 <100 Дымки не распавшиеся в течение по-лусуток (т.е. претерпевшие длительный процесс трансформации аэрозоля) и имеющие чаще всего адвективное происхождение Образуются, как правило, после выпадения обильных осадков вечером и ночью. В неизменном состоянии существуют незначительное время.
Исследования прозрачности атмосферы в области спектра 2-13 мкм вы-
поднялись и на полевой базе ГГО им. А.И.Воейкова под С-Петербургом под
31
руководством А.М.Броунштейна. Здесь следует упомянуть его работу [38], в которой дан анализ и количественные оценки отдельных факторов ослабления на пропускание ИК излучения в окнах прозрачности атмосферы.
Сотрудниками ИОА СО АН РФ под руководством М.В.Кабанова и ЮА.Пхалагова реализовано несколько программ экспериментальных исследований спектральной прозрачности на приводных и приземных оптических трассах [75, 205, 206]. Исследование аэрозольного ослабления в условиях прибрежной дымки на Черном море позволило выявить несколько интересных закономерностей. Было установлено, что характер профиля а(Х) здесь во многом определяется ветровым режимом: при ветре с моря наблюдается более пологий спектральный ход а(Х), чем при ветре с суши.
С точки зрения практического использования интересные результаты вытекают из сопоставления конкретных реализации зависимостей ои(Х) рекомендуемых авторами как типичные для отдельных районов умеренной зоны. Для указанного сравнения нами были отобраны спектры а(Х), которые характеризуют однотипные погодные условия по основным метеорологическим параметрам (температура, относительная влажность, видимость), регулирующие аэрозольное помутнение.
На рис. 1.6 представлены типичные спектры коэффициентов ослабления излучения в условиях дымок: здесь спектры 1,4,5 соответствуют данным измерений Д.Курчио [290] на восточном побережье США, спектр
2 - измерениям Ю.А.Пхалагова [14, 205] во
Рис. 1.6. Коэффициенты аэрозольного внутриконтииентальном районе (Томская ослабления ах в области
- ч , _ Х=0.5-4 мкм (пояснения см.
обл.); спектры 3,6,7 получены автором в в табл 1 ^
Среднем Поволжье. Видно, что профили а(Х)
0.5 10° 5.0 А..»«*
32
по ансамблям спектров 1-3 и 4-7 находится в хорошем согласии по характеру спектрального хода относительных коэффициентов аэрозольного ослабления. При этом профили 1-3, зарегистрированы в близких погодных условиях (см. табл. 1.5) и характеризуют типичные континентальные дымки. Профили 4,5 характеризуют морскую прибрежную дымку. Профили 6,7 отражают оптическое состояние континентальной дымки, характеристика которой будет дана ниже.
Таблица 1.5
Сводка метеорологических условий, в которых наблюдаются состоя-
№ спектра Дата /% /,°С Su, км Район, проведения измерений
1 04.59 г. 70 26 Восточное побережье США
2 10.70 г. 87 1.7 22 Томская область
3 04.73 г. 74 6.7 23 Среднее Поволжье
4 09.59 г. -90 9.8 Восточное побережье США
5 09.59 г. -90 13 Восточное побережье США
6 03.75 г. 65 4.7 12 Среднее Поволжье
7 03.75 г. 85 0.8 9 Среднее Поволжье
10
На рис. 1.7 приведены три спектра а(Х) (в относительных единицах), которые рекомендуются в качестве типичных для континентальной дымки умеренных широт. Профиль 1 предлагается авторами [251, 256] для Европейской территории России и базируется на результатах статистической обработки материала натурных оптических измерений в окнах прозрачности атмосферы. Профиль 2 предлагается авторами [352, 353, 354] для средних условий континентальной дымки (так называе-
ю*
ю
JL I 1 І II.
J 1-------------1 І І I 1 II
1(Г ю! Х.мк*
мого “сельского аэрозоля”) на территории Рис. 1.7. Средние спектральные зависимости коэффициентов аэро-
США и базируется на расчетах по методу и
формулам МИ с использованием модельного представления о спектре размеров аэрозоля (модель 1 по данным табл. 1.3). И,
зольного ослабления в континентальной дымке (/ е 50-75 %, е 10-30 км). а°™(А,) - нормированы на единицу при А.Ю.55 мкм
33
наконец, профиль 3 построен по данным [337] и типичен для континентального полярного (умеренного - в соответствии с терминологией, принятой в России) воздуха на территории Западной Европы, который также базируется на расчетах по формулам Ми с использованием модели спектра размеров аэрозоля. Следует констатировать хорошее количественное согласие профилей 1 и 2 в области 0.5 - 7.0 мкм. При этом расхождение результатов в области окна прозрачности 8-12 мкм, где на модельном профиле а(Х) отчетливо проявляется полоса поглощения сульфата аммония при X = 9.2 мкм, в определяющей степени следует отвести к выбранной модели комплексного показателя преломления, принятой в расчетах по Ф.Фольцу [358 - 362]. В наших экспериментах, выполненных с применением оптической установки [260], подобная полоса практически не проявлялась, хотя как будет показано ниже, были отчетливо видны полосы обусловленные с поглощением излучения связанной жидкой водой аэрозольных частиц. Профиль 3 существенно отличается от а(Х), рассмотренных выше, и его, на наш взгляд, нельзя рассматривать в качестве типичного для континентального умеренного воздуха. С другой стороны, совпадение профилей 1,2, которые были получены независимо и с использованием разного методического подхода, дает определенное право наследующее заключение: в разных географических районах, даже расположенных на разных континентах, но относящихся к идентичным климатическим областям при одинаковом физическом состоянии окружающей среды и подстилающей поверхности реализуются близкие по характеру оптические ситуации.
Однако понятие “типичное” оптическое состояние для данного района следует рассматривать не иначе как состояние, которое реализуется с вероятностью порядка 50 % для рассматриваемых погодных условий. В то же время необходимо констатировать очевидный факт, что в пределах одного географическом района следует ожидать большого многообразия в проявлении оптических свойств атмосферного аэрозоля, обусловленных как его конденсационным преобразованием, так и адвекцией в данный район воздушных масс разного географического происхождения. Действительно исследование динамики
34