Особенности отклика полей солнечной ультрафиолетовой радиации в атмосфере на различные возмущения ее газового и аэрозольного состава

2
Введение.
В 1. Современное состояние исследований структуры полей солнечной ультрафиолетовой радиации в атмосфере.
В 2. Цель и основные сведения о диссертационной работе.
Глава 1. Разработка методики расчета структуры полей солнечной УФ радиации в атмосфере.
1.1. Постановка задачи расчета структуры полей солнечной УФ радиации в атмосфере.
1.2. Метод последовательных порядков рассеяния. Расчет полей энергетической яркости солнечной УФ радиации в атмосфере.
1.3. Дельта-метод Эддингтона. Схема расчета нолей компонент потока солнечной УФ радиации в условиях безоблачной атмосферы.
1.4. Методика расчета переноса УФ радиации через разорванную облачность.
Глава 2. Структура полей солнечной УФ радиации в атмосфере в невозмущенных условиях.
2.1. Комплекс взаимосогласованных численных моделей, предназначенный для расчета полей солнечной УФ радиации в атмосфере.
2.2. Результаты верификации разработанного в диссертации комплекса численных моделей атмосферы с данными других авторов.
2.3. Структура полей солнечной УФ радиации в атмосфере в невозмущенных (фоновых) условиях. Эффективные слои рассеяния.
2.4. Выводы.
Глава 3. Отклик полей солнечной УФ радиации в атмосфере на различные сценарии возмущения ее радиационноактивных составляющих.
5
5
21
34
34
39
40
46
58
58
60
67
74
76
3.1. Вертикальная структура полей рассеянной УФ радиации в атмосфере. Слои эффективного возмущении.
76
3
3.2. Влияние полетов стратосферной авиации на структуру нолей солнечной УФ радиации в атмосфере.
3.2.1. Сценарий возмущения атмосферного озона полетами стратосферной авиации.
3.2.2. Отклик нолей УФ радиации на возмущение флотом стратосферной авиации состава атмосферы.
3.2.3. Последствия разрушения атмосферного озона флотом стратосферной авиации с точки зрения биологическое воздействие УФ радиации.
3.2.4. Выводы.
3.3. Воздействие загрязнения атмосферы продуктами сгорания ракетного топлива на структуру полей солнечной УФ радиации.
3.3.1. Сценарий возмущения пространственного распределения атмосферного озона.
3.3.2. Отклик полей солнечной УФ радиации в атмосфере.
3.3.3. Выводы.
3.4. Отклик полей солнечной УФ радиации в атмосфере на извержения вулканов.
3.4.1. Извержения вулканов и образование аномалий в озонном слое Земли.
3.4.2. Сценарий возмущения пространственного распределения атмосферного озона и аэрозоля.
5.4.3. Отклик полей солнечной УФ радиации в атмосфере.
3.4.4. Выводы.
3.5. Антарктическая озонная “дыра”.
3.5.1. Изменения, возникающие в структуре полей солнечной УФ радиации в атмосфере.
3.5.2. Структура полей солнечной УФ радиации в атмосфере в области антарктической озонной “дыры”.
3.5.3. Выводы.
3.6. Отклик нолей солнечной УФ радиации на присутствие в атмосфере полей разорванной облачности.
3.6.1. Сценарии возмущения оптических характеристик атмосферы полями разорванной облачности.
3.6.2. Отклик полей солнечной УФ радиации в атмосфере.
3.6.2. Выводы.
79
79
83
94
97
98
98
103
107
109
109
111
114
123
124
124
125
135
136
136
137 144
20
Поток суммарной радиации на поверхности Земли Q может быть представлен в виде:
0(ЛЛ ) = 2(0,00 )(] + ЛГ + (Ar)2 +...) = , (В.6)
1 “* лГ
где г - та часть радиации, отраженной от поверхности, которая рассеяна назад к поверхности атмосферой. Для изофопно отражающей (ламбертовой) поверхности г является функцией состава атмосферы и длины волны, но не зависит от зенитного угла Солнца. Согласно данным Shettle et al. 11974|, зависимость г от длины волны достигает максимума 0,4 при Я =315 нм, спадая до величины 0,2 на более коротких волнах. В области значительного поглощения озоном г уменьшается с ростом ОСО. Близкое значение г получено в работе Чубаровой [1993] на основании модельных расчетов. В тоже время там же отмечается, что значения г, полученные на основании наблюдений УФ радиации путем обращения (Effects of Increased Ultraviolet Radiation on Biological Systems [1992]), значительно меньше и примерно равны 0,13. Высказано предположение, что на эффекты переотражения сильно влияет неоднородность альбедо подстилающей поверхности, связанная с городской застройкой и т.п.
В работах Doda et al. [1980], Doda et al. [1981] приведены экспериментальные значения спектральных альбедо различных поверхностей в ультрафиолетовой области спектра. С самолета на различных высотах измерялись потоки восходящей и нисходящей радиации. С целью устранения влияния атмосферы данные по каждой длине волны линейно экстраполировались к уровню Земли. Дня исследованных поверхностей (сосновый лес, океан, зеленый луг, пашня, пустыня, черная лава, снег) спекфальнос альбедо составляет несколько процентов (снег - 40%) и имеет тенденцию к росту с увеличением длины волны. В работе предложены аналитические аппроксимации спектрального хода альбедо в исследованном диапазоне (290-400 нм).
В 2. Цель и основные сведения о диссертационной работе.
В связи со стремительным развитием методов дистанционного наблюдения поверхности Земли и различных слоев атмосферы из космоса и с высотных самолетов все большее значение приобретают задачи, связанные с возможностью на-
блюдения и сопровождения в режиме реального времени протекающих в атмосфере процессов, особенно тех, которые несут повышенную опасность или отличаются непредсказуемым поведением. Высокая биологическая активность солнечной УФ радиации в диапазоне длин волн 280-340 нм обуславливает необходимость постоянного слежения за изменением структуры радиационных полей и связанных с ними изменениями доз поражения живых тканей человека (вызывающего рак кожи, разрушение сетчатки глаза), животных и растений, что может привести к серьезным нарушениям экологического баланса, в первую очередь, в экосистемах полярных широт, в течение эволюционного развития приспособившихся к низкому естественному уровню УФ радиации и чу тко реагирующих на любое его изменение.
Для того, чтобы извлечь из воспринимаемых приборами возмущений полей рассеянной радиации информацию о происходящих в атмосфере процессах, необходимо решить обратную задачу оптики пространственно неоднородных сред, которая в подавляющем большинстве случаев не имеет аналитического решения и решается только численно, используя метод многократной прогонки аналогичной прямой задачи (задачи расчета полей радиации по известной структуре среды) для различных пространственных распределений радиационно-активных компонент атмосферы. Необходимость обрабатывать в режиме реального времени данные, непрерывно поступающие с измерительной аппаратуры, накладывает жесткие требования на программное обеспечение, использующееся для расчета пространственной структуры среды и анализа происходящих в ней изменений. Численная модель расчета полей направленной радиации в атмосфере должна обладать высоким быстродействием, позволяющим отслеживать динамику наблюдаемых явлений, высоким пространственным (до нескольких десятков метров) и спектральным (доли нм) разрешением, высокой точностью и надежностью, а также гибкостью по отношению к различным сценариям возмущений атмосферных параметров и возможностью детальной прорисовки тонкой структуры их пространственного распределения.
Интерес, который во всем мире проявляется к дистанционным наблюдениям в УФ-Б диапазоне (280-320 нм), вряд ли можно назвать случайным. Структуру