Введение к работе
Диссертация посвящена комплексным исследованиям оптических свойств атмосферных аэрозолей (преимущественно в инфракрасной области спектра) в зависимости от их микроструктуры и состава и от состояния атмосферы.
Актуальность работы.
Исследования оптических свойств аэрозолей являются одной из центральных проблем оптики атмосферы, что обусловлено ролью, которую аэрозоли играют в формировании оптических свойств атмосферы, высокой изменчивостью и многообразием аэрозольных образований в условиях реальной атмосферы.
Корректный учет оптических свойств аэрозолей необходим при решении разнообразных фундаментальных научных и прикладных задач, связанных с распространением оптического излучения в атмосфере.
Методы дистанционного зондирования атмосферы и земной поверхности, мощным стимулом для развития которых стали достижения космической техники, с одной стороны, требуют корректного учета влияния аэрозолей, как мешающего фактора, на передаточную функцию атмосферы, а с другой - предоставляют уникальные возможности для изучения свойств самих аэрозольных образований, прежде всего, в верхней и средней атмосфере. Данное направление исследований приобрело особое значение в связи с осознанием на протяжении последних десятилетий важной роли, которую аэрозоли играют в процессах трансформации климата. В этом плане необходимо подчеркнуть важную роль, которую приобрели исследования оптических свойств как фоновых аэрозолей, так и аэрозольных загрязнений атмосферы естественного (прежде всего - вследствие вулканических выбросов, выноса в атмосферу продуктов эрозии почв и др. , метеоритных вторжений в атмосферу и т. д.) и антропогенного (проиьшленные, транспортные выбросы - в том числе выбросы продуктов сгорания ракетных и самолетных двигателей, - дымы, образующиеся при различных техногенных катастрофах и др. ) происхождения.
Активное использование оптического - в частности, инфракрасного - диапазона электромагнитного излучения при разработке си-стек связи, обнаружения, наведения, проводки судов, посадки сако-
летов в условиях пониженной видимости, наблюдающееся в последние десятилетия, невозможно без знания основных закономерностей аэрозольного ослабления при различных условиях в атмосфере.
Свидетельством актуальности подобных исследований является их высокая активность, что проявляется на протяжении ряда лет в постоянном росте количества публикаций, посвященных оптике атмосферных аэрозолей и смежным проблемам.
Состояние проблемы.
В видимой области спектра основные, чаще всего присутствующие в воздухе, типы аэрозолей преимущественно определяют рассеяние излучения; при переходе к ИК диапазону спектра на первый план выходят эффекты, связанные с поглощением излучения.
Если задачи, связанные с оценкой молекулярного поглощения в свободной от аэрозолей атмосфере, можно считать более или менее решенными (По-крайней мере - в теоретическом плане; в этой области исследований речь, преимущественно, идет об уточнении количественных характеристик поглощения и совершенствовании применяемых расчетных методик. Одной из немногих принципиальных проблем в этой области, еще ожидающих решения, остается проблема континуального поглощения водяного пара в ИК области спектра, без решения которой невозможно сколько-нибудь существенное уточнение экспериментальных оценок оптических характеристик атмосферных аэрозолей на основе экспериментальных исследований в натурных условиях.), то влияние аэрозолей на формирование характеристик полей излучения в атмосфере изучено недостаточно даже в видимой области спектра, где проблема представляется более простой в связи с объективными особенностями природы реальных атмосферных аэрозолей к вследствие более высокого уровня развития техникк эксперимента обусловленной этим более полной обеспеченности экспериментальными данными.
Исследования аэрозолей как одной из основных оптически-активных составляющих атмосферы занимают важное место во всех работах, посвященных проблемам оптики атмосферы и радиационной климатологии. Внимание к этим вопросам не ослабевает до настоящего времени, что можно рассматривать как свидетельство, с одной стороны, актуальности и сложности проблемы, а с другой - неудовлетворенности исследователей полученными результатами.
Современныэ представления об оптических свойствах атмосферных аэрозолей формируются на основе результатов исследований в
двух, объективно связаных, но до некоторой степени самостоятельных направлениях. Прежде всего, это экспериментальные исследования оптических свойств атмосферы, анализируя результаты которых в ИК области спектра, нельзя не отметить их неполноту и противоречивость. По-видимому, следует признать, что результаты экспериментальных исследований играли роль первоначального стимула к интенсивному развитию исследований в области оптики атмосферных аэрозолей, в то время, как современные представления о реальных оптических свойствах атмосферных аэрозолей формируются преимущественно под воздействием результатов другого направления исследований - численного моделирования оптических характеристик, в основе которого лежит численно-теоретический анализ процессов генерации отдельных типов аэрозолей, их трансформации при различных условиях в атмосфере и обусловленных этими процессами особенностей оптических свойств аэрозолей. Следует отметить, что между этими объективно взаимосвязанными направлениями исследований наблюдается определенный разрыв.
В период конца 50 - начала 80 — г. г. экспериментальные исследования оптических свойств атмосферы, в том числе - аэрозольной составляющей атмосферы, проводились в зарубежных странах (США, Великобритания, Франция) и в СССР чрезвычайно активно, и были направлены на решение фундаментальных проблем природы и закономерностей атмосферного ослабления и его составляющих, но в последнее десятилетие их интенсивность резко упала. Можно полагать, что это связано не столько с уменьшением интереса к проблеме, сколько с тем обстоятельством, что традиционные методы исследований в значительной степени исчерпали свои возможности, а принципиально новых подходов не предложено. В то же время, за этот период произошло осознание необходимости комплексного подхода к исследованиям оптических свойств атмосферы и атмосферных аэрозолей.
Роль аэрозолей в атмосфере не ограничивается существенным -иногда определяющим - вкладом в формирование оптических свойств атмосферы. Невозможно выделить круг проблем физики атмосферы, при решении которых можно было бы игнорировать участие аэрозолей. Присутствие в воздухе частиц и капель самым существенным образом влияет на процессы, связанные с фазовыми переходами воды в атмо-
сфере (процессы образования облаков, туманов, осадков), в значительной степени влияет на электрические свойства атмосферы; появление в составе аэрозольных частиц некоторых веществ - таких, как металлы и их окислы, многие органические соединения и проч. определяет качество воздуха с точки зрения медико-биологического воздействия на живую природу и человека и т.д. Многообразные процессы, происходящие в атмосфере, в свою очередь, влияют на состояние аэрозолей и их свойства, воздействуя на процессы генерации частиц, их распространения, трансформации и стока.
Такое многообразное проявление свойств атмосферных аэрозолей, тесная, но не всегда очевидная связь этих свойств с изменчивыми условиями в атмосфере, являются одной из причин, определяющих высокий интерес к проблемам, связанным с изучением аэрозолей со стороны самых различных отраслей науки и техники. Активное участие специалистов различных направлений в изучении атмосферных аэрозолей создает благоприятные условия для развития широкомасштабных комплексных исследований. К сожалению, на практике чаще наблюдается прямо противоположная ситуация: исследования отдельных свойств аэрозолей проводятся принципиально разными методами, но достижения в одних направлениях исследований остаются неис-пользоваными - иногда даже неизвестными - в других областях исследований.
Реальную потребность объединения усилий специалистов различных отраслей науки и народного хозяйства отражает состоявшийся в октябре 1993г. в Москве учредительный съезд Российского Аэрозольного Общества, основными задачами которого являются объединение и координация деятельности отдельных центров и специалистов, занимающихся исследованиями аэрозолей или заинтересованных в результатах подобных исследований. Безусловно, создание РАО отражает потребность специалистов в различных отраслях науки, связанных с исследованиями аэрозолей, в объединении и координации усилий, создает определенные предпосылки для успешного развития комплексных исследований аэрозолей, в том числе, - и атмосферных аэрозолей. Так, по инициативе РАО уже летом 1994 г. при участии целого ряда различных организаций начались исследования по программе "Аэрозоли России".
Настоящая работа основывается, преимущественно, на результатах исследований, проведенных в различные годы отделом физики атмосферы и лабораторией физики аэрозолей НИИ Физики СПбГУ в обла-
сти изучения оптических свойств аэрозолей и некоторых смежных направлениях. Учитывая направленность собственных научных интересов и исследований автора, а также специфику исследований оптических свойств в различных областях спектра, изложение ограничивается ИК областью спектра. Поскольку аэрозоли - единая система и их свойства в различных спектральных диапазонах неразрывно связаны, систематически используются, разумеется, и результаты исследований в видимом диапазоне, но без детального обсуждения. (Исключение в этом отношении составляет часть диссертации, посвященная экспериментальным исследованиям оптических свойств агрегатов частиц в зависимости от характеристик их структуры, что связано, прежде всего, с реальными возможностями оптического эксперимента в различных областях спектра, )
Отдел физики атмосферы НИИ Физики Ленинградского (Санкт-Петербургского) Государственного Университета является одним из ведущих центров в России в области атмосферной оптики. Созданная более тридцати лет назад по инициативе К. Я. Кондратьева группа (впоследствив преобразованная в лабораторию) физики аэрозолей практически с начала своей работы избрала путь комплексных исследований. Как следует из изложенного выше, потенциально фронт исследований атмосферных аэрозолей чрезвычайно широк, его практически невозможно охватить в рамках одного, весьма ограниченного по своим материальным и техническим ресурсам, научного подразделения. Поэтому в центре внимания коллектива лаборатории и ее руководителя Л.С. Ивлева на всем протяжении существования лаборатории остаются две основные проблемы - микроструктура и оптические свойства аэрозолей. В рамках этих основных направлений систематически проводятся экспериментальные исследования микроструктуры я состава аэрозолей в различных регионах и на разных уровнях в атмосфере - от приземного слоя до мезосферы, изучаются оптические свойства атмосферных аэрозолей и проб аэрозолей во всем оптическом диапазоне излучения. Одновременно постоянно развиваются исследования в области теории оптических свойств дисперсных систем и численного моделирования оптических характеристик аэрозолей.
Значительная часть исследований проводится в тесном сотрудничестве с другими исследовательскими институтами и организациями; в частности, за период своего существования лаборатория принимала непосредственное участие в проведении оптических экспериментов в условиях реальной атмосферы, проводившихся отделом физи-
ки атмосферы НЛИФ, ГОИ им СИ. Вавилова, Институтом Оптики Атмосферы СО РАН, ГГО им. А.И. Воейкова, Центральной Аэрологической Обсерваторией и другими исследовательскими организациями. Практически ежегодно - и также в тесном сотрудничестве с различными научными и производственными учреждениями - проводятся экспедиционные исследования микроструктуры и состава атмосферных аэрозолей; такого рода исследованиями охвачена значительная часть территории СНГ и ряд регионов за рубежом.
Теоретические и экспериментальные исследования по оптике и микрофизике аэрозолей развиваются параллельно, по тесно координирующимся программам, во многих случаях - силами одних и тех же сотрудников. Представляется, что такой «дуализм> интересов лаборатории в значительной степени предопределяет тот факт, что на протяжении длительного периода лаборатория является одним из лидеров в аэрозольных исследованиях, в частности, в области оптики аэрозолей в России.
За время своего существования коллектив лаборатории предложил ряд аэрозольных моделей атмосферы, в том числе - оптических моделей атмосферных аэрозолей в широкой области спектра. Проведены обширные циклы исследований - экспериментальных, теоретических и расчетных - по таким проблемам, как взаимодействие аэрозолей с водяным паром, влияние несферичности и неоднородности частиц на оптические свойства дисперсной системы, закономерности эволюции функции распределения и состава аэрозольных частиц при различных условиях на разных уровнях в атмосфере и т. д. . В последние годы, когда в мировой науке начали развиваться исследования физических процессов на основе теории фрактальных систем, лаборатория активно включилась в эти работы, прежде всего, в целях использования новых методов анализа адсорбционных, аэродинамических, оптических свойств аэрозолей. Такой широкий фронт исследований способствует выработке представлений о необходимости комплексного подхода к проблемам атмосферных аэрозолей, в том числе - оптики аэрозолей.
Цепь работы.
В соответствии с изложенным выше, основная цель диссертационной работы состояла в разработке целостной оценки оптических свойств атмосферных аэрозолей в ИК области спектра в связи с особенностями состава и структуры аэрозолей при различных условиях з атмосфере на основе комплексных исследований.
Основные научные задачи диссертационной работы, Лля достижения поставленной цели в ходе работы решались следующие конкретные научные задачи:
-
Проведение экспериментальных исследований оптических характеристик аэрозолей в широкой области спектра в натурных и в лабораторных условиях при одновременном получении возможно более полной информации о структуре и составе аэрозолей и о состоянии атмосферы.
-
Анализ характерных особенностей оптических характеристик атмосферных аэрозолей в ИК области спектра, определенных экспериментально, - изменчивости спектральных коэффициентов аэрозольного ослабления в связи с вариациями микроструктуры и состава аэрозолей, их зависимости от метеорологических условий.
-
Анализ и обобщение результатов лабораторных исследований ИК спектров поглощения проб атмосферных аэрозолей, проводящихся, преимущественно, с целью определения оптических постоянных вещества частиц аэрозолей и их отдельных фракций, оценка перспектив использования подобных методов для оперативной оценки состава аэрозолей.
-
Анализ комплекса экспериментальных и расчетных данных об оптических свойствах атмосферных аэрозолей в связи с изменчивостью их микроструктуры и состава при различных условиях в атмосфере с целью оценки достоверности, сопоставимости и надежности подобных данных и выработки единой цельной концепции оптических свойств атмосферных аэрозолей.
-
Разработка моделей оптических характеристик атмосферных аэрозолей, пригодных для оперативной оценки ситуации в атмосфере при определенных условиях и для использования в радиационно-кли-матических задачах, а также анализ их применимости.
-
Исследования оптических свойств ряда специфических форн аэрозолей (дымы, вулканические, стратосферные аэрозоли), обладающих определенной внутренней структурой, с целью изучения влияния структуры агломератов частиц на их оптические характеристики и перспектив применения теории фрактальных кластеров в подобных исследованиях.
Научная новизна полученных результатов.
В ходе исследований по теме диссертации получены следующие основные результаты:
1. Комплекс результатов измерений спектральной прозрачности
атмосферы (толщи атмосферы и на горизонтальной трассе) и характе
ристик состава и структуры аэрозолей, на основе которых:
а) определены коэффициенты аэрозольного ослабления в области
спектра 0,4 + 15 нкя, изучены особенности их спектральной струк
туры и связь с параметрами микроструктуры аэрозолей;
б) экспериментально установлены основные особенности зависи
мости коэффициентов аэрозольного ослабления в ИК области спектра
от влажности воздуха.
2. Комплекс исследований ИК спектров проб атмосферных аэро
золей, на основе которых:
а) наглядно продемонстрировано различие состава отдельных
фракций аэрозолей;
б) изучены ИК спектры поглощения органических веществ в со
ставе атмосферных аэрозолей;
в) предложена методика определения содержания органических
веществ в составе аэрозолей и исследованы закономерности измен
чивости их содержания;
г) предложена модель оптических постоянных вещества отдель-
ных'фракций аэрозолей для области спектра 0,3 + 15мхм.
-
Предложена модель оптических характеристик аэрозолей приземного слоя атмосферы для области спектра 0,3 + 15 ыкн и исследована ее применимость при различных условиях в атмосфере.
-
Проведены исследования оптических свойств структурированных частиц в зависимости от параметров фрактальной геометрии, на основе результатов которых:
а) Подтверждена применимость теории фрактальных систем для
описания наблюдаемых эффектов;
б) В рамках теории Берри-Персиваля [1] показана необходи
мость учета эффектов многократного рассеяния внутри агломерата
при размерах частиц-мономеров и значениях оптических постоянных,
типичных для некоторых типов атмосферных аэрозолей;
в) получены аналитические выражения для оптических характе
ристик фрактальных кластеров для реалистических представлений
парно-корреляционной функции;
г) на основе уточненной теории проведены расчеты и предложе
ны модели оптических характеристик дымов и некоторых типов аэро
золей средней атмосферы.
Значительная часть перечисленных результатов получена впервые.
Результаты проведенных достаточно разноплановых исследований подтверждают обоснованность и плодотворность концепции комплексного подхода к изучению свойств - в том числе, оптических - атмосферных аэрозолей. Подобные идеи начали достаточно активно развиваться еше в начале 70 — г. г. (в этой связи можно напомнить работы К. Я. Кондратьева, Л. С. Ивлева и др. ) и получили широкое распространение в последний период. Однако, как правило, под комплексностью подхода имеется в виду необходимость сочетания оптических и микрофизических (прежде всего - измерений дисперсности частиц) исследований. По мнению автора, при проведении такого рода исследований необходимо большее внимание уделять изучению процессов генерации аэрозольных частиц, их трансформации и переноса в условиях атмосферы. Только сочетание экспериментальных и теоретических исследований всего комплекса физико-химических свойств аэрозолей, процессов и механизмов, оказывающих на них воздействие, с методами численного моделирования дает возможность построения цельной и непротиворечивой модели атмосферных аэрозолей. Оптические свойства аэрозолей тесно связаны с другими их физико-химическими свойствани, и соответствующие модели должны учитывать такие связи.
В диссертации рассматриваются и обобщаются результаты исследований, проводившихся автором на протяжении более чем двадцатилетнего периода. За это время многие проблемы получили развитие, некоторые результаты, имевшие при их получении пионерский характер, не только подтверждены, но и широко используются в исследованиях по атмосферной оптике и физике аэрозолей.
Так, при участии автора проводились одни из первых массовых измерений аэрозольного ослабления в атмосфере в зависимости от микроструктуры аэрозолей и синоптических условий, в ходе которых впервые были экспериментально обнаружены эффекты, связанные с проявлением поглощения ИК излучения аэрозолями и детально изучена связь оптических характеристик аэрозолей с влажностью воздуха.
Проведение лабораторных исследований ИК спектров проб атмосферных аэрозолей позволило разработать оригинальную методику определения количества органических веществ в составе аэрозолей, что дало возможность исследовать его временные (сезонные, суточ-
ные) вариации и обоснованно оценить возможный вклад соответствующих частиц в формирование оптических свойств аэрозолей.
На основе экспериментальных исследований и результатов численного моделирования предложены модели оптических постоянных вещества отдельных фракций аэрозолей и оптическая модель аэрозолей приземного слоя атмосферы для области спектра 0,3 + 15 икн. Эти результаты используются при построении моделей оптических характеристик атмосферных аэрозолей и при исследованиях аэрозолей. Экспериментальные исследования оптических характеристик агломератов малых частиц в связи с закономерностями их структуры, осуществленные впервые, позволили, с одной стороны, в некоторых отношениях уточнить теорию оптических свойств фрактальных кластеров, а с другой - дают возможность более адекватно оценить оптические свойства некоторых типов аэрозолей, уточнить их роль в формировании климата.
Широкое использование представлений и методов теории фрактальных систем в настоящее время следует рассматривать как одно из наиболее эффективных и перспективных направлений исследований.
Научная и практическая ценность работы определяется подробным исследованием процессов, определяющих оптические свойства аэрозолей, комплексными исследованиями оптических и микрофизических свойств аэрозолей при разнообразные условиях.
Значительная часть исследований проводилась в рамках договоров с различными организациями, в настоящее время исследования оптических свойств фрактальных кластеров поддерживаются РФФИ (грант 94-05-17266-а).
Полученные в работе результаты используются при разработке оптических моделей атмосферных аэрозолей и в практической работе отдела физики атмосферы НИИФ СПбГУ.
Достоверность и апробация полученных результатов.
Основные результаты, обуждаемые в диссертации, отражены в двух монографиях, 39 научных работах, опубликованных в центральных и зарубежных журналах, тематических сборниках, изданных центральными издательствами, неоднократно докладывались на научных совещаниях и конференциях, в том числе на Всесоюзных Совещаниях по оптике атмосферы и по распространению дазерного излучения в атмосфере (Томск, 1978-83, 1991 г.г.), Всесоюзном совещании по загрязнению воздуха (1980), на конференциях по распространению
излучения в дисперсных средах (1978), Российской (Москва, 1993) и Международной (Москва, 1994) аэрозольных конференциях, I и II Межреспубликанских симпозиумах по оптике атмосферы и океана (Томск, 1993, 1995) и др. Отдельные вопросы, рассматриваемые в диссертации, докладывалось и обсуждалось на семинарах в НИИ* СПбГУ, НИИКИ ОЭП, ВНО ГОИ им. СИ. Вавилова, ИОА РАН и др..
Достоверность представленных в них результатов подтверждается сравнением с более поздними независимыми исследованиями российских и зарубежных авторов, хорошим согласием оптических, микрофизических и расчетных данных.
Определенные уточнения некоторых экспериментальных оценок, переосмысление ряда гипотез и выводов, сделанных на начальных стадиях исследований представляются естественными и, в некоторых случаях, производились при участии автора. Так, при реализации цикла исследований ИК спектров проб атмосферных аэрозолей, в процессе исследований заметно трансформировалась оценка автором роли органических веществ в составе аэрозолей в формировании их оптических свойств.