Введение к работе
Актуальность темы. Диссертационная работа посвящена развитию одной из основных задач аэрономии - фотодиссоциации молекулярного кислорода и озона в мезосфере и средней атмосфере Земли. Эта задача в свою очередь включает в себя два важных направления. С одной стороны необходимо уметь рассчитывать вертикальные профили концентраций всех метастабильпых атомов и молекул, образующихся во время фотодиссоциации, с другой стороны - зная интенсивности излучения одних малых атмосферных составляющих, ігужно уметь восстанавливать другие малые атмосферные составляющие (например, озон или атомарный кислород). Кинетические модели, позволяющие решать такие задачи разрабатываются с восьмидесятых годов прошлого века и традиционно включают в себя только электронное возбуждение молекулярного кислорода при фотодиссоциации озона и молекулярного кислорода, в то время, как уже более двадцати лет известно об электронно-колебательном возбуждении молекул кислорода как при фотодиссоциации, так и при передаче энергии от вышележащих в энергетическом плане атомов и молекул к нижележащим.
Таким образом, давно назрела необходимость в разработке самосогласованной модели электронно-колебательной кинетики продуктов фотодиссоциации озона и молекулярного кислорода, дополненной современными значениями констант скоростей и квантовых выходов реакций. В данной работе представлена такая модель и проведен подробный анализ ее' свойств, на основании которого предложены параметризации, позволяющие с минимальным объёмом вычислений оценивать вертикальные профили концентраций всех метастабильных атомов и молекул, образующихся во время фотодиссоциации, а также восстанавливать вертикальные профили малых атмосферных составляющих по измеренным интенсивностям других атмосферных составляющих.
Объект исследования и методы исследования. Объектом исследования является модель электронно-колебательной кинетики продуктов фото диссоциации озона и молекулярного кислорода, разработанной в лаборатории средних и верхних атмосфер планет кафедры физики атмосферы СПбГУ и получившая дальнейшее
3 ^
)
развитие в диссертационной работе. Исследовались свойства модели, в том числе чувствительность ко всем входшцим параметрам (концентрациям атмосферных компонент, интенсивностям фотопотоков в различных полосах и линиях, температуре газа, константам скоростей и квантовым выходам реакций). Исследования проводились как для прямой задачи расчета вертикальных профилей концентраций метастабильных атомов и молекул кислорода, так и для обратной задачи восстановления вертикального профиля озона из различных интенсивностей эмиссий молекулярного кислорода на массиве данных, полученных в спутниковом эксперименте TIMED-SABER. Для решения указанных задач применялись современные математические методы, в том числе разработанные на факультете ПМПУ СПбГУ.
Цели и задачи диссертации состоят, во-первых, в том, чтобы развить существующую модель электронно-колебательной кинетики продуктов фотодиссоциации озона и молекулярного кислорода, которая была бы лишена недостатков существующих моделей чисто электронной кинетики. В работе показано, что использование модели электронно-колебательной кинетики позволяет в значительной степени лучше описать фотохимические процессы, происходящие в атмосфере.
Во-вторых, целью проведённых исследований была демонстрация преимуществ использования модели электронно-колебательной кинетики для задачи восстановления вертикального профиля концентрации озона из измеренных интенсивностей эмиссий атмосферной и инфракрасной атмосферной полос молекулярного кислорода.
В-третьих, работа была направлена на получение аналитических выражений для задачи восстановления вертикального профиля озона согласно модели электронно-колебательной кинетики продуктов фотодиссоциации озона и молекулярного кислорода.
Научные положения, выносимые на защиту.
Аналитические формулы для описания квантовых выходов молекул O2(a'Ag,v=0-5) в синглетном канале фотолиза озона в полосе Хартли в зависимости от длины фотолитического излучения.
Новый метод восстановлешта вертикального профиля концентрации озона из эмиссии молекул 02(b'+g, v=l) как дополнение к традиционным методам вос-
становления озона из эмиссий 02 в атмосферной и в инфракрасной атмосферной полосах.
Результаты анализа чувствительности модели YM-2006 электрошю-колебательной кинетики фотолиза 02 и 03 в мезосфсре и нижней термосфере Земли в зависимости от вариаций всех входящих в модель параметров (концентраций атмосферных компонент, температуры газа, скоростей фотодиссоциации, констант скоростей реакций и квантовых выходов продуктов в этих реакциях) для прямой задачи расчёта вертикальных профилей концентраций молекул 02(Ь'Х+й, v=0-2), 02(а1Д, v=0-5) и обратной задачи восстаноатения вертикального профиля озона из интенсивностей эмиссий Атм (762 нм) и ИК Атм (1Д7 мкм) полос молекулы 02.
Четыре набора параметризаций - упрощенных аналитических формул (разной степеїш точности): для прямой задачи расчёта вертикальных профилей концентраций атомов 0(]D) и молекул 02(b'+g, v=0-2), 02(а]Дв, v=0-5) и для обратной задачи восстановления вертикального профиля Оз из интенсивностей эмиссий Атм (762 нм) и ИК Атм (1Д7 мкм) полос молекулярного кислорода в рамках модели электронно-колебательной кинетики продуктов фотодиссоциа-ции озона и молекулярного кислорода.
Научная новизна. Все положения, перечисленные в разделе «Научные положения, выносимые на защиту», а также основные вьшоды диссертации являются новыми, включая аналитические выражения для параметризации модели и восстановления вертикального профиля озона из интенсивности эмиссии Огф'Х"^, v= 1).
Достоверность полученных результатов по расчёту квантовых выходов молекул 02(a'Ag,v) в синглетном канале фотолиза озона в полосе Хартли, расчёт вер-тикалыпых профилей концентраций молекул 02(b'X+g, v=0) и 02(а'Дг, v=0) и вертикальных профилей концентрации озона, восстановленных из интенсивностей эмиссий атмосферної! и инфракрасной атмосферной полос молекулы 02 подтверждены сравнением с известными литературными данными.
Модель чисто электронной кинетики является частным случаем модели электронно-колебательной кинетики продуктов фотодиссоциации озона и молекулярного кислорода. Расчёты по заселёшюстям электронных уровней молекул 02(b'X+g)
и 02(alAg), проведённые в рамках обеих моделей, совпадают. Расчёты заселённости колебательно-возбуждённых уровней молекул O^b1^, v>0) и 02(a'Ag, v>0) проведены впервые.
Основные результаты модели были использованы сотрудниками NASA (А.А. Кутепов и А.Г. Феофилов) для уточнения методики восстановления вертикального профиля озона и водяного пара из данных, полученных в спутниковом эксперименте TIMED-SABER.
Практическая ценность и область применения результатов. Научная и практическая ценность данной работы состоит, прежде всего, в том, что на основании проведённого комплексного исследования свойств модели электронно-колебательной кинетики продуктов фотодиссоциации озона и молекулярного кислорода были получены аналитические выражения для прямой задачи расчёта вертикальных профилей концентраций молекул 02(b'X+g, v=0-2), O^a'Ag, v=0-5) и обратной задачи восстановления вертикального профиля озона из интенсивностей эмиссий атмосферной и инфракрасной атмосферной полос молекулы 02, которые позволяют свести объём вычислений к минимуму и оценить диапазон неопределённости данной величины.
Разработанные аналитические формулы для расчётов квантовых выходов молекул 02(a'Ag,v) в синглетном канале фотолиза озона в полосе Хартли в зависимости от длины волны фотолитического излучения позволяют существенно уточнить предыдущие расчёты вертикальных профилей концентраций молекул 02(a'Ag,v).
Кроме этого, новый метод восстановления вертикального профиля озона из интенсивности эмиссии молекул 02(b'+g, v=l) является альтернативой традиционных методов восстановления вертикальных профилей озона из измерений интенсивностей эмиссий молекул 02(blS+g, v=0) в атмосферной полосе и C^a'Ag, v=0) в инфракрасной атмосферной полосе.
Работа над диссертацией была поддержана Работа поддержана РФФИ (гранты № 05-05-65318, № 09-05-00694-а).
Апробация работы. Теме диссертации посвящено 17 публикации, включая 3 статьи в реферируемых журналах. Список публикаций приведен ниже. Результа-
ты работы докладывались на международном симпозиуме стран СНГ "Атмосферная Радиация и Динамика" (Сашст-Петербург, 2009), молодёяаюй конференции "Физика и прогресс" (Санкт-Петербург, 2008), всероссийской конференции "Развитие системы мониторинга состава атмосферы" (Москва, 2007), тринадцатом международном семинаре "Динамика и оптимизация пучков" (Санкт-Петербург, 2006), международном симпозиуме стран СНГ "Атмосферная Радиация" (Санкт-Петербург, 2006), XIII международном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы" (Томск, 2006), 10-ой научной ассамблее международной ассоциации геомагнетизма и аэрономии (Тулуза, 2005), международном стшозиуме стран СНГ "Атмосферная Радиация" (Санкт-Петербург, 2004), XI международном симпозиуме "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы" (Томск, 2004). По результатам работ получена стипендия НИЕНШАНЦ в 2004 году, стипендия Леонарда Эйлера от DAAD (немецкая служба академических обменов) в 2004 - 2005 годах, от правительства Санкт-Петербурга получен грант для молодых учёных в 2006 году, получен грант от DAAD на прохождение годовой стажировки в университете г. Лейпциг в 2007 - 2008 годах.
Личный вклад автора. Модель электронно-колебательной кинетики продуктов фотодиссоциации озона и молекулярного кислорода в используемой в диссертации форме была разработана В.А. Янковским и P.O. Мануйловой. Аналитические формулы для квантовых выходов молекул 02(a'Ag,v) в синглетном канале фотолиза озона в полосе Хартли были разработаны автором диссертации совместно с В.А. Янковским. Анализ чувствительности модели электронно-колебательной кинетики продуктов фотодиссоциации озона и молекулярного кислорода для прямой задачи расчёта вертикальных профилей концентраций молекул 02(Ь'Х^, v=0-2), 02(a1Ag, v=0-5) и обратной задачи восстановления вертикального профиля озона из интенсивностей эмиссий атмосферной и инфракрасной атмосферной полос молекулы 02, параметризация модели электронно-колебательной кинетики продуктов фотодиссоциации озона и молекулярного кислорода и аналитические формулы для восстановления вертикального профиля озона из интенсивности эмиссии молекул 02(b'X+g, v=l) получены лично автором диссертации.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав и двух приложений. Полный объём диссертации составляет 142 страницы, включая 31 рисунок, 24 таблицы и список литературы из 68 наименований.
