Содержание
Введение....................................................................5
Список обозначений.........................................................19
Глава 1. Применение методов решения обратных задач в спектронефелометрии и спектрополяриметрии приземного аэрозоля..............21
1.1. Адаптация итерационного алгоритма решения обратных задач к определению спектров размеров частиц аэрозоля по данным измерений с помощью УФ-нсфелометра и спектроиоляриметра ФАН........................22
1.2. Активная сиектронефелометрия приземного аэрозоля......................34
1.2.1. Оценка нижней границы восстанавливаемых распределений частиц по размерам в экспериментах с использованием диффузионного отсскатсля частиц.................................................................36
1.2.2. Определение зависимости факторов конденсационного роста и лезу чести от размера частиц аэрозоля......................................37
1.2.3. О соотношении между различными оптическими и микрофизичсскими характеристиками конденсационной акгивности аэрозоля.......................45
1.3. Анализ связей между содержанием сажи и концентрацией частиц различных размеров. Оценка альбедо однократного рассеяния..................50
1.4. Корреляционные связи между микрофизическими параметрами приземного
аэрозоля...................................................................55
Основные результаты Главы 1................................................60
Глава 2. Статистический подход к оптической диагностике приземного аэрозоля...................................................................61
2.1. Анализ данных измерений на спекгронефелометре СИУ и поляриметре ФАН методом главных компонент..............................................62
2.1.1. Статистические характеристики спектральных зависимостей коэффициентов направленного светорассеяния.................................62
2.1.2. Статистический анализ данных измерений на нефелометре-поляриметре ФАН........................................................................66
2.2. Статистический анализ распределений частиц по размерам.................69
2.3. Статистические связи между оптическими и микрофизическими параметрами аэрозоля.......................................................73
2
2.4. Прямой расчет объемной концентрации, эффективного размера и показателя преломления по данным измерений на нефелометре ФАИ................76
2.5. Статистическая параметризация индикатрисы рассеяния света...............80
Основные результаты Главы 2..................................................83
Глава 3. Исследование оптических свойств и микроструктуры крупнодисперсной фракции аэрозоля методом солнечного ореола..................84
3.1. Сравнение характеристик ореольного светорассеяния в различных регионах.....................................................................85
3.2. Выделение индикатрисы однократного рассеяния из индикатрисы яркости
в малоугловом приближении с использованием преобразования Ганкеля............88
3.3. Аналитическая аппроксимация распределений частиц по размерам по данным измерений спектральной прозрачности и солнечного ореола...............91
3.4. Итерационный метод восстановления индикатрисы однократного рассеяния по данным измерений яркости солнечного ореола и спектральной оптической толщины аэрозоля.............................................96
3.5. Восстановление спектров размеров грубодисперсной фракции аэрозоля
без выделения сигнала однократного рассеяния................................101
3.6. Определение объемной концентрации крупнодисперсной фракции аэрозоля по данным измерений индикатрисы яркости неба для одного угла рассеяния..............................................................105
3.6.1. Вывод эмпирического соотношения между ореольнмм рассеянием и объемным содержанием крупнодисперсного аэрозоля.............................105
3.6.2. Сопоставление с другими данными наблюдений............................109
Основные результаты Главы 3.................................................114
Глава 4. Определение радиационно-значимых характеристик аэрозоля непосредственно по данным наблюдений........................................115
4.1. Оценка среднего косинуса для обратностепенных распределений частиц
по размерам по параметру Ангстрема..........................................116
4.2. Связь между характеристиками индикатрисы яркости безоблачного неба
и индикатрисы однократного рассеяния аэрозолем..............................117
4.3. Параметризация отношения потоков рассеянного и прямого солнечного излучения...................................................................124
3
4.3.1. Допущения, принятые при расчетах D/D отношения.......................126
4.3.2. Подбор аппроксимирующих соотношений..................................127
4.3.3. Чувствительность D/D отношения к изменению его аргументов............130
4.4. Коррекция результатов измерений рассеянной радиации приборами типа MFRSR.......................................................................132
4.5. Определение альбедо однократного рассеяния но данным измерений яркости неба в солнечном альмукантарате и отношения потоков рассеянного и
прямого солнечного излучения................................................138
Основные результаты Главы 4.................................................141
Глава 5. Усовершенствование методов интерпретации наблюдений спектральной прозрачности и яркости дневного неба...........................142
5.1. Развитие методик выделения безоблачных ситуаций........................142
5.2. О возможности оценки размеров частиц полупрозрачных облаков по измерениям пропускания излучения солнечными фотометрами.....................147
5.2.1. Учет конечных угловых размеров солнца................................148
5.2.2. Оценки размеров облачных частиц......................................150
5.3. Определение параметров микроструктуры аэрозоля по данным измерений спектральной оптической толщины аэрозоля и яркости неба в солнечном
альмукантарате..............................................................152
Основные результаты Главы 5.................................................163
Глава 6. Оптическая диагностика некоторых специфических типов аэрозолей .... 164
6.1. Оптические и радиационные характеристики искусственных дымовых аэрозолей в видимой и УФ-областях спектра...................................164
6.2. Оптические свойства и микроструктура дымов лесных и торфяных пожаров в Подмосковье летом 2002 г..........................................170
6.3. Исследование трансформации аэрозоля при формировании смога в
Пекине......................................................................175
Основные результаты Г лавы 6................................................184
Заключение..................................................................185
Литература..................................................................187
Приложение. Вывод формулы (4.12)............................................210
4
Введение
Атмосферный аэрозоль является одной из наиболее изменчивых составляющих земной атмосферы. Аэрозоль оказывает значительное влияние на распространение излучения в атмосфере, на радиационный баланс системы Земля - атмосфера [63, 64, 67, 168]. Он может оказывать как выхолаживающее, так и нагревающие воздействие в зависимости от его поглощающих свойств [67, 164, 165]. Абсолютная величина аэрозольного радиационного форсинга определяется концентрацией и оптическими свойствами частиц. Кроме прямого радиационного воздействия, аэрозоль участвует в процессах облакообразования, влияет на их свойства и время существования и, тем самым, оказывает еще и непрямое воздействие на климатическую систему [50, 64, 65, 176, 217]. Непрямое радиационное воздействие аэрозоля связано с его физико-химическими свойствами, в частности, с содержанием растворимых веществ и конденсационной активностью. Это свидетельствует о важности экспериментальных исследований микроструктуры и процессов трансформации, в том числе и конденсационной изменчивости, аэрозоля.
Исследования свойств аэрозоля оптическими методами имеют длительную историю и продолжают интенсивно развиваться в настоящее время. Их важными достоинствами являются, с одной стороны, возможность наблюдений в реальных атмосферных условиях без искажений свойств объекта, а с другой, при измерениях в локальных объемах, исследований изменений состояния аэрозоля при контролируемом воздействии на его свойства. Для того чтобы получить полный оптический образ аэрозоля по измерениям светорассеяния необходимо измерять все параметры Стокса для всех углов рассеяния и в широком диапазоне длин волн. Поэтому, в реальности, в натурных экспериментах доступная информация всегда ограничена, и те параметры, которые не поддаются измерению, должны быть или промоделированы, или восстановлены посредством «микрофизической экстраполяции» по терминологии Г.В. Розенберга. Надо учитывать, что по шкале размеров атмосферный аэрозоль занимает несколько порядков и состоит из нескольких фракций разного происхождения [47, 102, 221]. В видимой области спектра определяющий вклад в характеристики светорассеяния вносят частицы субмикронного аэрозоля (кроме экстремальных ситуаций, типа пыльной мглы).
5
Основными инструментами для исследования микроструктуры субмикронного аэрозоля в локальных объемах являются счетчики частиц (анализаторы подвижности [222], диффузионные счетчики [201], фотоэлекгрические счетчики [73, 198]), нефелометры и поляриметры [25, 120, 143]. При использовании всех этих приборов необходимо в гой или иной форме решать обратные задачи. Все методы исследования микроструктуры субмикронного аэрозоля обладают определенными достоинствами и недостатками. Естественно, что наиболее полную и достоверную информацию можно получить только при комплексном подходе. Отметим, что область размеров в несколько десятых микрометра (по радиусу) является, вообще говоря, граничной для счетчиков частиц (нижней для фотоэлектрических счетчиков и верхней для анализаторов подвижности и диффузионных счетчиков). В гоже время, в этой области обычно находится максимум объемного распределения частиц аэрозоля по размерам, и именно частицы этого диапазона вносят максимальный вклад в характеристики аэрозольного светорассеяния. Поэтому вполне естественно использовать нефелометры и поляримегры для исследования субмикронного аэрозоля. В Институте физики атмосферы нсфсломегрические и поляриметрические исследования атмосферного аэрозоля, начатые под руководством Г.В. Розенберга, ведутся более 40 лет. Промежуточным их итогом стала однопараметрическая оптическая модель приземного аэрозоля, разработанная под руководством Г.В. Розенберга и Г.И. Горчакова [32, 35, 101]. Параллельно аналогичные исследования развивались в Институте оптики атмосферы СО РАН (М.В. Кабанов, М.В. Панченко, В.Я. Фадеев, Ю.А. Пхалагов, В.Н. Ужегов). По результатам исследований характеристик аэрозольного рассеяния и ослабления в прибрежном районе была построена однопарамегричсская модель прибрежной дымки, во многом подобная модели ИФА [59]. При создании моделей микроструктуры обратная задача решалась для модельных оптических характеристик методом регуляризации (ИОА) и в предположении логнормального распределения по мегоду Г.В .Розенберга [103] (ИФА). Обратные задачи для моделей решались В.В. Веретенниковым (ИОА) и A.C. Емиленко (ИФА). В последние годы как в ИОА, так и в ИФА проводятся регулярные измерения характеристик светорассеяния с использованием серийного нефелометра-поляриметра ФАН [194,
6
195, 196, 197]. Причем в ИОА развивается метод активной нефелометрии, когда измеряются оптические параметры аэрозоля во время контролируемого воздействия на его свойства (М.В. Панченко, B.C. Козлов, С.А. Терпугова, Е.П. Яушева). В связи с этим актуальной стала задача введения в практику регулярных измерений решения обратных задач для больших по объему массивов экспериментальных данных. Исследования рассеивающих свойств аэрозоля дополняются измерениями на ослабления на горизонтальных 195, 96]
(Ю.Л. Пхалагов, В.Н. Ужегов. H.H. Щелканов) и наклонных [58] (С.М. Сакерин, Д.М. Кабанов) трассах. При их интерпретации используется как статистический подход [97], так и методы решения обратных задач [98, 99] (Р.Ф. Рахимов,
Э.В. Макиенко).
Измерения в локальных объемах важны с точки зрения исследования микрофизических свойств аэрозоля, анализа механизмов его изменчивости, экологического мониторинга атмосферы. Для корректного учета радиационно-климатических эффектов аэрозоля необходимо диагностировать его свойства в толще атмосферы. В последние годы успешно развиваются лидарные [45] и спутниковые [175] методы исследования аэрозоля. В отличие от спутниковых измерений прозрачности атмосферы на касательных трассах, интерпретация, которых развивается в работах Ю.М. Тимофеева, A.B. Полякова, Я.А. Виролайнен,
A.B. Поберовского, A.B. Васильева и др. [20, 93, 94, 131], а в ультрафиолетовой области спектра - в работах A.A. Черсмисина, JI.B. Границкого и др. [138, 139], традиционные наземные методы измерения спектральной прозрачности и яркости безоблачного неба не позволяют восстанавливать вертикальные профили аэрозольных параметров. Однако они необходимы для валидации спутниковых данных и, кроме того, позволяют получить более подробную информацию о микроструктуре аэрозоля.
В последние годы интенсивно развивается сеть автоматизированных солнечных фотометров AERONET (AErosol RObotic NETwork) [171]. С 2001 г. фотометры AERONET в возрастающем от года к году количестве работают и в России. Данные с сети в автоматическом режиме обрабатываются в NASA. Обратная задача светорассеяния решается методом Дубовика-Кинга [155]. Как и любой алгоритм решения обратной задачи, этот метод также нуждается в проверке и подтверждении.
7
Кроме того, возможны и другие подходы к интерпретации данных измерений, не требующие решения обратной задачи [51]. В настоящее время они развивается, в частности, в работах В.Е. Павлова, Т.Б. Журавлевой, Ю.А. Матющенко, В.В. Пашнева, A.C. Шестухина и др. [39, 79, 86, 87, 88] и В.А. Смеркалова [122, 123, 124,125].
Все вышеизложенное свидетельствует об актуальности темы диссертационной работы, посвященной развитию методов оптической диагностики атмосферного аэрозоля.
Основной пелыо работы является разработка и усовершенствование методов восстановления микрофизических и радиационных параметров аэрозоля по измерениям характеристик аэрозольного светорассеяния и применение этих методов к данным натурных наблюдений.Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Провести измерения характеристик аэрозольного светорассеяния в локальных объемах и в столбе атмосферы в различных сезонно-географических условиях.
2. Усовершенствовать и адаптировать к конкретным наборам измеряемых параметров методику решения обратных задач светорассеяния
3. Усовершенствовать методы определения зависимости факторов конденсационного роста (летучести) от размера сухой (нена1регой) частицы. Получить количественные оценки этих зависимостей.
4. Разработать методы прямого расчета параметров микроструктуры по данным спектрополяриметрических измерений, минуя решение обратных задач.
5. Разработать и апробировать методы оценки параметров грубодиснерсной фракции, не требующие учета эффектов кратного рассеяния.
6. Разработать методику определения фактора асимметрии индикатрисы рассеяния непосредственно из измерений яркости неба в солнечном альмукантарате.
7. Получить аналитическую параметризацию отношения потоков рассеянной и прямой солнечной радиации, необходимую для использования этого отношения для оценки альбедо однократного рассеяния аэрозоля.
8
8. Усовершенствовать методику интерпретации данных измерений
спектральной прозрачности и яркости безоблачного неба.
9. Применить разработанные и усовершенствованные методы анализа к данным
оптических измерений естественных и искусственных аэрозолей.
Научная новизна работы состоит в том, что:
1. Впервые выполнены измерения коэффициентов направленного светорассеяния природных и искусственных аэрозолей в диапазоне длин волн 254 - 578 нм.
2. Впервые аппарат решения обратных задач светорассеяния был применен в активной спектронефелометрии субмикронного аэрозоля, То) позволило получить количественные характеристики зависимостей фактора конденсационного роста и фактора летучести от размера частиц аэрозоля.
3. Впервые предложена и статистически обоснована эмпирическая формула для непосредственного расчета показателя преломления вещества аэрозоля по данным спектрополяриметрнчсских измерений.
4. На основании статистического анализа угловых зависимостей коэффициентов направленного светорассеяния получено соотношение, связывающее интегральные параметры индикатрисы рассеяния - средний косинус и отношение потоков рассеянных в переднюю и заднюю полусферы - между собой и с отношением интенсивностей рассеяния под углами 20 и 130°.
5. Проведены измерения индикатрис яркости неба в области солнечного ореола в различных географических регионах.
6. Впервые предложено, обосновано и проверено на независимых данных соотношение, связывающее объемную концентрацию крупнодисперсного аэрозоля и рассеяние в области ореола на одной длине волны и под одним определенным углом рассеяния.
7. Показана возможность решения обратной задачи ореольного светорассеяния без учета вклада многократного рассеяния.
8. Разработаны методы определения среднего косинуса индикатрисы рассеяния света но данным измерений спектральной прозрачности и яркости неба в безоблачных условиях.
9. Предложена аналитическая аппроксимация отношения спектральных потоков рассеянного и прямого солнечного излучения, обеспечивающая точность
9
приемлемую для практических оценок альбедо однократного рассеяния аэрозоля.
10. Получены количественные оценки необходимой коррекции данных измерений диффузной радиации приборами типа MFR.SH.
11. Впервые обнаружен и объяснен аномальный спектральный ход рассеяния света в ультрафиолетовой области спектра искусственными дымовыми аэрозолями. Сделаны оценки мнимой части показателя преломления и альбедо однократного рассеяния в УФ- диапазоне для этих аэрозолей. Проведены измерения и получены оценки оптических, микрофизических и радиационных свойств аэрозоля во время пожаров 2002 г. в Подмосковье.
12.По данным пефелометрических измерений в Пекине выявлены основные закономерности трансформации аэрозоля при формировании смога Достоверность полученных результатов, выводов и положений
диссертационной работы обеспечивается высокой точностью измерений, тщательностью калибровок и интеркалибровок, в том числе и в ходе комплексных экспериментов, как серийных приборов, так и собственных разработок. Надежность результатов решения обратных задач проверялась как в численных, так и в реальных (по искусственному увлажнению аэрозоля и контролируемому изменению распределения частиц по размерам с использованием диффузионного отсекателя частиц) экспериментах, а также путем сопоставления с другими методами на независимом наблюдательном материале. Используемые в работе программы расчета нолей яркости безоблачного неба, созданные Т.Б. Журавлевой, были протестированы ею на эталонных расчетах. Излагаемые в работе результаты и выводы находятся в русле современных представлений об оптических и микрофизических свойствах атмосферного аэрозоля.
Научная и практическая значимость полученных результатов
1. Разработанная автором методика и соответствующий пакет программ для восстановления микроструктуры аэрозоля, определения зависимостей факторов конденсационного роста и летучести аэрозоля от размера используются в ИОА СО РАН при интерпретации данных регулярных спектрополяриметрических наблюдений.
10
2. Разработанные и обоснованные автором методы мониторинга грубодисперсного аэрозоля в столбе атмосферы, оценки фактора асимметрии индикатрисы рассеяния света по наблюдениям яркости безоблачного неба, восстановления распределений частиц по размерам по данным измерений спектральной прозрачности и яркости безоблачного неба могут быть применены при обработке данных солнечных фотометров.
3. Предложенный метод контроля крупнодисперсного аэрозоля по рассеянию под одним углом может быть использован и для мониторинга в приземном слое с использованием искусственного источника излучения. Ореольный фотометр для реализации этого метода создается в настоящее время в ИОА СО РАИ.
4. Высокоточная аналитическая параметризация отношения потоков рассеянного и прямого солнечного света и полученные оценки корректирующих факторов, необходимых для исправления косинусной характеристики широкоугольного приемника, дают возможность оценивать альбедо однократного рассеяния аэрозоля по измерениям с помощью спектральных пиранометров с вращающимся экраном типа MFRSR.
5. Предложенные автором на основе решения обратных задач аналитические модели спектров размеров фонового и дымового аэрозоля используются в ИФА РАН при расчетах аэрозольного радиационного форсинга.
Результаты работы использованы при выполнении Проектов РФФИ 01—05— 64405, 04-05-64579, 04-05-65061, 07-05-00860, 07-05-00384, а также
международных проектов Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Program (контракт 5012) и МПТЦ (проект # 3254).
На защиту выносятся следующие положения:
1. Разработана и внедрена в практику регулярных наблюдений методика анализа трансформации микрофизических характеристик аэрозоля но данным спектрополяриметрических измерений при искусственном контролируемом воздействии на его свойства, включающая решение обратных задач аэрозольного светорассеяния и определение зависимости фактора конденсационного роста и фактора летучести от размера частиц.
2. Создана методика прямого расчета параметров микроструктуры субмикронной фракции аэрозоля, позволяющая но данным
11
спектрополяримстрических измерений определить объемную концентрацию, эффективный размер и показатель преломления вещества аэрозоля, минуя этап решения обратных задач светорассеяния.
3. Предложен, обоснован и подтвержден на независимых данных метод мониторинга объемного содержания крупнодисперсного аэрозоля путем измерения яркости неба на одной длине волны света и для одного, зависящего от длины волны, угла рассеяния.
4. Предложенная аналитическая параметризация отношения потоков прямого и рассеянного солнечного обеспечивает среднюю точность 1 - 2 % для реальных атмосферных условий, что позволят значительно упростить оценки альбедо однократного рассеяния аэрозоля по значению этого отношения.
5. Полученные на основе предложенного автором подхода коэффициенты коррекции потоков рассеянного излучения, измеряемых приборами типа радиометра MFR.SK, позволяют уменьшить ошибки, вызванные неидеальноетыо приемника, до 1%.
6. Разработана методика определения среднего косинуса индикатрисы рассеяния по наблюдаемой яркости неба в солнечном альмукантарате, дающая возможность определить его без решения уравнения переноса излучения и обратных задач светорассеяния как с использованием информации об оптической толщине аэрозоля, так и без нее.
7. Обнаруженный автором аномальный спектральный ход рассеяния искусственными дымовыми аэрозолями в ультрафиолетовой области спектра может быть объяснен особенностями распределений частиц по размерам и спектральным ходом мнимой части показателя преломления. Получены оценки альбедо однократного рассеяния дымовых аэрозолей в УФ-дианазоне.
Апробация результатов. Основные результаты работы докладывались на Международных радиационных симпозиумах 0184996, 1Я8’2000; Европейских аэрозольных конференциях ЕАС2004, ЕАС2005, ЕАС2007; Конференции по видимости, аэрозолям и атмосферной оптике У1я1Ы1ку-06; Ежегодных конференциях но программе АЛМ (1996-1998, 2000, 2004, 2005), Международных симпозиумах по атмосферной радиации стран СНГ МСАР-2002, МСАР-2004, МСАР--2006; Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана. Физика
12
атмосферы» (2001-2003, 2005, 2007); Рабочих группах «Аэрозоли Сибири» (1999, 2002-2007)и др.
Но теме диссертации автором опубликовано 50 научные работы и сообщения, из них 27 статей в журналах, соответствующих перечню ВАК для докторских диссертаций. Результаты работы докладывались на семинарах в ИФА им. Л.М. Обухова РАН, ИОА им. В.Е. Зуева СО РАН, на Физическом факультете Санкт-Петербургского государственного университета.
Личный вклад. Основные научные результаты были получены непосредственно автором. Автору принадлежат постановка задач и все сделанные выводы. Им создан проточный спектронефелометр для видимой и УФ- областей спекгра и выполнены измерения спектральных зависимостей коэффициентов направленного светорассеяния (натурный аэрозоль), спектральных зависимостей коэффициентов направленного светорассеяния и ослабления (искусственные дымы). Проведены измерения спектральной прозрачности и яркости неба в области ореола (совместно с П.П. Аникиным и A.A. Исаковым). Измерения на приборе MFRSR и их первичная обработка проводились автором совместно с П.П. Аникиным и Е.В. Ромашовой. Автором написано большинство использовавшихся компьютерных программ (кроме программ расчета но методу Монте-Карло и решения уравнения переноса излучения в малоугловом приближении) и проведены расчеты (кроме расчетов отношений потоков диффузного и прямого излучения методом Монте-Карло). Измерения в Душанбе выполнялись на ореольном фотометре, созданном A.A. Исаковым и В.В. Лукшиным. Ореольный фотометр на основе акусто-оптического спектрометра был подготовлен П.П. Аникиным при участии автора. Измерения оптических характеристик аэрозоля с помощью нефелометра ФАН проводились A.C. Емиленко в Китае (Пекин и Синлун) и в Москве. Сбор проб для определения содержания сажи осуществлялся A.C. Емиленко и В.М. Копенкиным, их обработка -В.М. Копсйкиным. В работе использовались данные нефелометричсских измерений оптических характеристик аэрозоля при контролируемом воздействии на его состояние, проводимых в Институте оптики атмосферы СО РАН (М.В. Панченко, С.А. Тернугова, B.C. Козлов, Е.П. Яушева), а также данные Томской станции AERONET (М.В. Панченко, С.М. Сакерин). Данные брались с
13
сайта АЕЛОНЕТ (www.aeronei.gsfc.nasa.gov). Программы расчетов яркости безоблачного неба методом Монте-Карло, а также программа решения уравнения переноса излучения в малоугловом приближении путем разложения в ряд по полиномам Лежандра были созданы Т.Б. Журавлевой по инициативе автора. Расчеты отношений потоков прямого и рассеянного солнечного неба выполнялись П.П. Аникиным и И.М. Насртдиновым. Формула (4.25) предложена И.М. Насртдиновым.
Объем и структура диссертации
Диссертация сос тоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем работы составляет 210 страниц текста, включая 116 рисунков и 15 таблиц. Список литературы содержи т 222 наименования.
В первой главе рассматривается круг вопросов, связанных с возможностями восстановления микрофизических параметров аэрозоля по данным измерений на серийном нефелометре-поляриметре ФАН и созданном автором спектронефелометре СНУ для ультрафиолетовой области спектра. Описывается алгоритм решения обратной задачи. Даются оценки диапазона размеров частиц, в котором решение обратной задачи дает достоверные результаты. Показано, что при обращении данных нефелометра ФАН нельзя одновременно определить действительную и мнимую части показателя преломления. Значительное внимание уделено применению методов решения обратных задач при интерпретации данных измерений оптических свойств аэрозоля при контролируемом воздействии на его состояние (увлажнение, нагрев, ограничение спектра размеров), выполняемых в ИОЛ СО РАН. Приводятся результаты определения зависимостей фактора конденсационного роста и фактора летучести от размеров частиц. Выполнен статистический анализ зависимостей факторов роста от размеров частиц. Проанализированы связи между различными оптическими и микрофизическими параметрами конденсационной изменчивости аэрозоля. Показано, что фактор конденсационного роста для объемной концентрации субмикронного аэрозоля может быть найден по изменению показателя преломления при увлажнении.
Во второй главе проведен статистический анализ массивов данных измерений и соответствующих им ансамблей распределений частиц по размерам, полученных путем решения обратных задач. Рассмотрены корреляционные связи между
14
статистическими параметрами оптических характеристик и спектров размеров. Показано, что эти связи позволяют рассчитать параметры микроструктуры, минуя стадию решения обратных задач. Получены формулы для расчета объемной концентрации, эффективного радиуса и показателя преломления. Наибольший интерес представляет, на наш взгляд, возможность прямого расчета показателя преломления вещества аэрозоля (при решении обратной задачи он выбирался по критерию гладкости спектра размеров). В последнем разделе главы на основании статистического анализа данных угловых зависимостей коэффициентов направленного светорассеяния предлагается соотношение, связывающее между собой интегральные параметры индикатрисы рассеяния света - средний косинус и асимметрию светового потока. Это соотношение может быть использовано для оценок среднего косинуса по данным измерений с помощью некоторых модификаций интегральных нефелометров.
Третья глава посвящена исследованиям крупнодисперсной фракции аэрозоля в толще атмосферы методом солнечного ореола. Приводятся характеристики солнечных ореольиых фотометров, на которых проводились измерения. Дается феноменологическое описание результатов наблюдений, выполненных в различных регионах. Рассматриваются два подхода к выделению сигнала однократного рассеяния из наблюдаемой яркости неба - в малоугловом приближении с использованием преобразования Ганкеля и итерационным методом, опираясь на расчеты яркости неба методом Монте-Карло. Во втором подходе в качестве начального приближения аэрозольной индикатрисы рассеяния предлагается использовать результат микрофизи ческой экстраполяции спектральной зависимости аэрозольной оптической толщины. Приводятся результаты решения обратных задач по данным измерений в Подмосковье, на арх. Шпицберген и в шт. Оклахома, США. Предлагается аппроксимация спектров размеров суммой логнормальных фракций. Показано, что распределение крупнодисперсной фракции аэрозоля может быть найдено путем решения обратной задачи, не принимая во внимание вклад многократного рассеяния. Предлагается и обосновывается метод определения объемного содержания крупнодисисрсного аэрозоля (0.8 - 10 мкм) в столбе атмосферы по измерениям ореольного рассеяния на одной длине волны и под одним, пропорциональным длине волны углом.
15
В четвертой главе рассматриваются разрабатываемые автором методы оценки радиационно-значимых параметров аэрозоля по измерениям в безоблачных условиях без решения обратных задач и использования радиационных кодов. В первом разделе главы предлагается простое соотношение, связывающее средний косинус индикатрисы рассеяния и параметр Ангстрема в приближении обратностепенного распределения. Его недостатком, является зависимость среднего косинуса от показателя преломления и от вида распределения. Во втором разделе обосновывается метод оценки среднего косинуса аэрозольной индикатрисы рассеяния по данным измерений яркости неба в солнечном альмукантарате. На основании расчетов методом Монте-Карло найдено соотношение между «наблюдаемыми» (интегралом от индикатрисы яркости и средним косинусом индикатрисы яркости) характеристиками и аэрозольными параметрами (аэрозольной оптической толщиной и средним косинусом индикатрисы рассеяния). Это соотношение, как несложно показать, является следствием решения уравнения переноса излучения в малоугловом приближении. Для оценки аэрозольного поглощения по измерениям потоков излучения около 30 лет назад был предложен так называемый diffuse-direct (D/D) метод, основанный на связи отношения потоков рассеянного и прямого солнечного излучения с аэрозольным поглощением. Для того чтобы сделать этот метод пригодным для практического применения, была подобрана аналитическая аппроксимация этого отношения как функции альбедо однократного рассеяния, оптической толщины, среднего косинуса, альбедо подстилающей поверхности и высоты солнца (раздел 4.3). Кроме того, в разделе (4.4) проанализирована возможность коррекции ошибок измерений потоков рассеянного излучения, вызванных неидеалыюстыо косинусной характеристики приемника. Показано, что для радиометров типа MFRSR такая ошибка составляет примерно 2 - 4% и может быть уменьшена введением коррекции до уровня менее 1%. Проверка аппроксимации отношения потоков на данных натурных наблюдений с помощью MFRSR показала, что предлагаемая формула адекватно описывает временной ход D/D отношения, а получаемые оценки альбедо однократного рассеяния близки к данным, полученным на основе параллельных измерений на фотометре, входящем в сеть AERONET.
16
Пятая глава посвящена усовершенствованию методик обработки результатов и интерпретации данных измерений спектральной прозрачности и яркости неба. Предлагается модифицировать алгоритм выделения безоблачных ситуаций критерием, основанным на слабой селективности пропускания солнечного излучения полупрозрачными облаками. В связи с этим проанализировано влияние конечных размеров солнечного диска на измерение пропускания солнечного излучения облаками. Показано, что при полях зрения фотометра больших, чем 1°, угловыми размерами солнца можно пренебречь, а данные измерений в условиях полупрозрачной облачности использовать для оценки размеров облачных частиц. В последнем разделе главы предлагается схема интерпретации измерений, использующая в качестве начального приближения синтетический спектр размеров, полученный объединением решений обратных задач для спектральной оптической толщины (субмикронный диапазон) и ореолыюго рассеяния (диапазон крупных частиц). Проведено сравнение с методикой АЕ1ЮМЕТ.
В шестой главе изложенные ранее методы оптической диагностики применены к некоторым специфическим видам аэрозоля - свежим дымовым аэрозолям в лабораторных условиях, дымам торфяных и лесных пожаров в Подмосковье летом и осенью 2002 г. и к городскому смогу в Пекине. Выяснены причины аномального спектрального хода рассеяния света дымовыми аэрозолями в ультрафиолетовой области спектра. Получены оценки мнимой части показателя преломления и альбедо однократного рассеяния дымовых аэрозолей в диапазоне длин волн 0.25 - 0.58 мкм. На основании данных измерений во время дымовых заносов на ЗНС выявлено, что изменчивость дымового аэрозоля определяется, прежде всего, вариациями концентрации, а не микроструктуры. Дымы обладают высокой спектральной селективностью, причем параметр Ангстрема растет с длиной волны. Распределения частиц по размерам в субмикронной области хорошо описываются одним логнормальным распределением с объемной модой в диапазоне
0.1 - 0.2 мкм. Дымовые аэрозоли, наблюдавшиеся в Подмосковье в 2002 г., были слабо поглощающими. Альбедо однократного рассеяния на длине волны 500 нм варьировало от 0.95 до 0.99. Установлены основные черты формирования смога в Пекине - рост размера частиц, а не их концентрации, уменьшение показателя преломления и относительной доли сажи в аэрозоле.
17
В заключении сформулированы основные результаты диссертации.
Работа выполнялась в рамках плана научно-исследовательских работ Института физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН.
Автор выражает глубокую признательность и благодарность Г.И. Горчакову за постоянную поддержку и внимание к работе. Автор благодарен своим коллегам по Институту физики атмосферы: A.A. Исакову, A.C. Емиленко, В.М. Копейкину, П.П. Аникину, Е.В. Ромашовой. В работе использованы данные натурных наблюдений, выполненных ими, или при их участии. Значительная часть результатов была получена в тесном сотрудничестве с коллегами из Института оптики атмосферы СО РАН. Автор благодарит М.В. Панченко за постоянное внимание к работе, плодотворные дискуссии, предоставление возможности использовать результаты экспериментов, проводимых в ИОА. Работа выполнялась при тесном взаимодействии с сотрудниками ИОА B.C. Козловым, С.А. Терпуговой, Е.П. Яушевой, В.В. Полькиным, Д-М. Кабановым, С.М. Сакериным, В.Н. Ужеговым. Автор благодарит Ю.А. Пхалагова, Р.Ф. Рахимова, Э.В. Макиенко за полезные обсуждения. Результаты по диагностике радиационных характеристик аэрозоля были бы невозможны без тесного сотрудничества с ТБ. Журавлевой, создавшей пакет программ расчета радиационных потоков и нолей яркости безоблачного неба. Автор благодарит И.М. Насртдинова за участие в работе по аналитической параметризации D/D отношения. Часть исследований, касающихся оптической диагностики аэрозоля в толще атмосферы, проводилась под значительным воздействием подходов и идей, развиваемых В.Е. Павловым и
В.А. Смеркаловым.
18
Список обозначений
А - показатель Ангстрема
As — альбедо подстилающей поверхности
В - яркость неба
Свс - объемная доля сажи в аэрозоле.
D- коэффициент направленного светорассеяния
Db - яр костный коэффициент направленного светорассеяния
dS(r)!dr - дифференциальное распределение площадей сечений частиц но размерам dVIdr - дифференциальное распределение объемов частиц по размерам е — параметр конденсационной активности для показателя преломления J[(/j) - нормированная индикатриса рассеяния
G-отношение потоков рассеянного и прямого солнечного излучения, g- средний косинус индикатрисы рассеяния GF -фактор конденсационного роста
/0-- интенсивность солнечного излучения на верхней границе атмосферы
Jq— функция Бесселя первого рода нулевого порядка
K(r,(p„Aj) - ядро интегрального уравнения Фредгольма
т - воздушная масса
МВс ~ массовое содержание сажи
п - показатель преломления
N-счетная концентрация аэрозоля
Р - степень линейной поляризации
//(cos<p) - полиномы Лежандра порядка /
р, - собственные векторы ковариационных матриц спектральных зависимостей 1п(£>)
q - параметр Ван де Хюлста
Qi - коэффициенты разложения индикатрисы рассеяния по полиномам Лежандра г - радиус частицы R - коэффициент корреляции
Rc - корректирующий фактор для приемников с неламбертовской косинусной характеристикой
19
- Київ+380960830922