Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Радиационная модель переноса солнечного излучения в земной атмосфере 34
1.1. Описание метода дискретных ординат 34
1.2. Структура модели 40
1.3. Описание оптических параметров, задаваемых в модели 44
1.3.1. Внеатмосферная радиация и поглощение различными газами 44
1.3.2. Коррекция на рефракцию воздуха ...46
1.3.3. Коррекция на давление воздуха и расчет молекулярного ослабления 48
1.3.4. Вертикальные профили распределения параметров 50
1.3.5. Аэрозольные параметры атмосферы 53
1.3.6. Оптические и микрофизические характеристики облаков.. 57
1.3.7. Альбедо поверхности 59
Глава 2. Оценки влияния различных атмосферных факторов на УФР 62
2.1. Влияние общего содержания озона на УФР 62
2.2. Влияние тропосферных газов на УФР 68
2.3. Влияние аэрозоля на УФР 83
2.3.1. Оценки радиационных свойств аэрозолей по данным фотометра CIMEL 83
2.3.2. Коррекция радиационных свойств аэрозоля за счет учета N02 98
2.3.3. Влияние аэрозоля различных типов на УФР с учетом дополнительного поглощения газами в тропосфере 102
2.4. Влияние альбедо поверхности на УФР 107
2.5. Влияние облачности на УФР 125
2.5.1. Оценка воздействия сплошного покрова облаков на УФ
радиацию 125
2.5.2. УФ радиация в условиях разорванной облачности 137
2.5.3. Оптические толщины облаков по данным о пропускании суммарной радиации у поверхности Земли 151
Глава 3. Реконструкции УФР у поверхности Земли 160
3.1. Новый метод реконструкции УФР 160
3.2. Проверка метода реконструкции УФР на независимом материале по наземным и спутниковым данным 167
3.3. Реконструкция многолетних вариаций УФР в различных географических регионах с середины 30-х гг. XX века 173
3.4. Анализ влияния облачности и озона на УФР по наземным и спутниковым данным измерений 185
Глава 4. УФ радиация в Московском регионе 198
4.1. Методические аспекты мониторинга УФ-В радиации в Московском регионе 198
4.1.1. Описание УФ биометра UVB-1 и методики измерений УФ-В радиации в МО МГУ 198
4.1.2. Методика проведения УФ-В мониторинга 207
4.2. Характеристика УФ радиации в Московском регионе 209
4.3. Оценки возможных вариаций УФР в Москве при ясном небе 221
4.4. Сопоставление УФ-В радиации в Москве и пригороде на Звенигородской биостанции МГУ 224
Глава 5. Оценка качества спутниковых данных УФР по результатам наземных измерений 236
5.1. Описание спутникового алгоритма NASA TOMS для восстановления УФР у поверхности Земли 236
5.2. Описание алгоритма JRC METEOSAT для восстановления УФР у поверхности Земли 239
5.3. Пространственные и временные ограничения при валидации спутниковых данных с большим полем зрения 240
5.4. Оценки качества спутниковых восстановлений УФР при ясном небе 243
5.5. Оценки качества спутниковых восстановлений УФР по алгоритму TOMS в облачных условиях 250
5.6. Погрешности спутниковых восстановлений сезонных и годовых сумм УФР относительно наземных измерений и результатов модельных реконструкций 253
Глава 6. Пространственное распределение УФР у поверхности Земли . 261
6.1. Пространственное распределение важнейших параметров, необходимых для расчета УФР 262
6.2. Особенности географического распределения УФР 280
6.2.1. Основные закономерности распределения УФ радиации при ясном небе 280
6.2.2. Основные закономерности распределения УФ радиации в облачных условиях 299
6.2.3. Распределение биологических ресурсов УФР по земному шару 303
Заключение 311
Список литературы
- Описание оптических параметров, задаваемых в модели
- Коррекция радиационных свойств аэрозоля за счет учета N02
- Проверка метода реконструкции УФР на независимом материале по наземным и спутниковым данным
- Оценки возможных вариаций УФР в Москве при ясном небе
Введение к работе
Ультрафиолетовая радиация (УФР) составляет лишь несколько процентов от всего потока солнечного излучения, приходящего на земную поверхность, однако ее воздействие на природную среду и здоровье человека очень велико. Ультрафиолетовая радиация обладает наибольшей биологической и фотохимической активностью в спектре солнечного излучения. Высокая эффективность воздействия УФР объясняется высокой энергией фотонов приходящего излучения в коротковолновой области спектра. Эта энергия растет с уменьшением длины волны от 0.49 10" Дж при 400 нм (длинноволновая граница УФР) до 1Я 0.68 10" Дж при 290 нм (коротковолновая граница УФ спектра у поверхности Земли). Вследствие этого с уменьшением длины волны биологическая активность УФ радиации увеличивается. По степени ее биологического воздействия согласно [299] УФР принято подразделять на три области: область УФ-С (100 Х 280нм), область УФ-В (280-315 нм), и область УФ-А (315-400 нм). (В некоторых странах за границу между областью УФ-В и УФ-А принимают длину волны 320 нм). Область УФ-С полностью поглощается в верхних слоях атмосферы кислородом и озоном; область УФ-В также в значительной степени ослабляется стратосферным озоном: к поверхности Земли доходит лишь небольшая ее часть. Таким образом, в естественных условиях к поверхности Земли поступает УФ радиация области А и В.
Действие УФ радиации, оказываемое на живую и неживую природу, может быть как положительным, так и отрицательным. На рис. 1 показаны объекты, на которые воздействует УФР. Видно, что УФР оказывает влияние на земные и водные экосистемы, на протекание биогеохимических циклов, качество воздуха, «время жизни» различных полимерных материалов, а также непосредственно на здоровье людей и живые организмы.
Биологическое действие УФР. Механизмы и виды воздействия УФР на живые объекты. Биологическое воздействие УФР происходит через поглощение квантов света различными молекулами - хромофорами, которые присутствуют в покровных тканях кожи и глаз. Эти ненасыщенные молекулы могут переходить в более высокое энергетическое состояние. Компоненты молекулы, содержащие сопряженные двойные связи, свободно поглощают энергию в УФ области. Бензольные ядра с одним или двумя атомами азота, обнаруживают высокое поглощение в области УФ-В. Происходящие при этом бимолекулярные реакции довольно многочисленны; наиболее важными среди них являются те, в результате которых образуются тиминовые димеры. Так, в дезоксирибонуклеи-новой кислоте (ДНК), которая является носителем генетической информации, при поглощении кванта света происходит разрыв двойной связи между 5-м и 6-м атомами углерода в тимине (азотистое образование). Если такой разрыв происходит в соседних образованиях, то между ними могут замкнуться валентные связи и образовать димер тимина - основной фотопродукт облучения ДНК. Число димеров пропорционально дозе УФР и меняется с изменением длины волны при пике с максимумом в области 280 нм. В области УФ-В (до 315 нм) чувствительность большинства хромофор резко убывает с ростом длины волны. Однако разрушение молекул ДНК может наблюдаться и под воздействием больших доз УФ-А в присутствии некоторых веществ, которые называются фотосенсибилизаторы (например, акридин), когда возникают «сшивки» между ДНК и белками. Повреждение молекулы ДНК не позволяет выполнять ей свои функции и служит сигналом для вступления в действие других биологических процессов, которые, в свою очередь, могут привести к гибели клетки, генетической рекомбинации, мутагенезу и даже к канцерогенезу [86].
Что касается восстановительных процессов ДНК, то они довольно сложны. Отметим среди них процесс фотореактивации, в результате которого под действием видимого света и при определенных условиях фотореактивирующий фермент мономеризует димер и может восстановить молекулу до первоначаль ного состояния [86]. Однако исследования процесса фотореактивации ДНК в клетках млекопитающих дали неоднозначные результаты.
УФР оказывает прямое действие и на рибонуклеиновые кислоты (РНК), однако поскольку молекула РНК существует во множестве копий, то для возникновения серьезных повреждений нужны очень большие дозы УФР.
Рассмотрим более подробно отрицательные и положительные эффекты воздействия УФР на здоровье людей и биоту. Отрицательное воздействие УФ радиации может быть острым и хроническим. УФ радиация действует, главным образом, на глаза, кожу, а также иммунную систему организма. Острое воздействие УФ радиации на кожу выражается в ее покраснении и возникновении эритемы и загара. Сильное покраснение может привести к образованию волдырей и повреждению кожных покровов с вторичными инфекциями и явлениями, характерными при ожогах первой и второй степени. Отрицательное хроническое воздействие УФР на кожу выражается в ее старении (солнечный эластоз), появлении изменений незлокачественного характера (актинический кератоз) и злокачественных опухолей кожи - в возникновении рака немеланомного типа (NMSC) и кожной меланомы (СММ). Ежегодно диагноз NMSC ставится 500 тыс. жителей США [143]. Доказательством того, что рак кожи немеланомного типа связан с УФ облучением подтверждается тем, что он обычно возникает у людей со светлой кожей на участках тела, наиболее подверженных воздействию солнечного света; в 80-90% случаев он возникает на голове, шее, кистях рук и предплечьях, а у женщин - на ногах. Кроме того, у негров NMSC практически не встречается, а в Австралии рак кожи - это заболевание переселенцев из северной Европы, при том, что местное население им практически не страдает [86]. Влияние непосредственного воздействия УФР подтверждается также высокой корреляцией между годовыми дозами УФ радиации и показателями заболеваемости раком кожи немеланомного типа, полученной Гордоном и Сильверстоуном [по 86]. По-видимому, возникновение NMSC определяется дозой облучения, накопленной в течение жизни. Чаще он встречается у людей, проводящих большое время на воздухе, или род деятельности которых связан с искусственным УФ излучением. Наиболее опасное для жизни заболевание злокачественной меланомой (СММ) также положительно коррелирует с УФ излучением [297]. Значимым фактором риска заболевания СММ являются солнечные ожоги, особенно полученные в детстве. Редкие периоды интенсивного УФ облучения (отпуск и т.п.) опаснее суммарных доз. [ПО]. Предшественниками меланомы считают обилие веснушек и родимых пятен [18]. По последним данным Онкологического центра им. Н.Н. Блохина РАМН [10] отмечается положительная динамика заболевания меланомой кожи жителей России: от 3.4 тыс.чел. в 1985 г. 5 тыс. - в 1995 году и 6.6 тыс. чел. - в 2002 г. В США наблюдается положительный тренд заболеваемости меланомой с начала 70-х гг., составляющий примерно 4%. Нужно также отметить, что УФР в совокупности с действием некоторых химических соединений и лекарственных препаратов может приводить к сильному отрицательному воздействию на кожу даже при небольших дозах облучения.
Рассмотрим более подробно процессы, происходящие в коже человека под воздействием УФ излучения. В результате УФ облучения возникает эритема и загар, которые являются признаками воздействия УФР и репарации повреждений кожи. Эритема, которая выражается в покраснении кожи, проявляется после нескольких часов латентного периода и ограничивается участками, подвергшимися воздействию УФ радиации. В результате облучения происходит расширение кровеносных сосудов и увеличивается дермальный кровоток. Считается, что начальная фотохимическая реакция происходит в эпидермисе, где поглощение фотонов кератиноцидами может привести к освобождению внутриклеточных веществ, которые диффундируют и вызывают расширение сосудов. Это подтверждает наличие латентного периода, а также то, что большая часть энергии поглощается эпидермисом (рис. 2).
Для многих типов кожи через 48 часов после облучения начинается пигментация кожи («загар»). Он частично связан с миграцией пигментного меланина, присутствующего в базальных клетках, в поверхностные слои кожи. Загар также связан с образованием нового пигмента. По данным многочисленных экспе риментов через 24 часа после облучения в клетках человека обнаруживаются также и «обгоревшие» клетки, диффузно распространенные по всему эпидермису. Они отличаются однородной потускневшей цитоплазмой и пикнотиче-скими пятнами и похожи на ороговевшие клетки. После этого наблюдается гиперплазия, которая наступает примерно через 2 дня, в результате чего отмечается постепенное увеличение толщины эпидермиса в течение 8-14 дней. Эти изменения представляют собой репарации повреждений, вызванных УФ излучением и в то же время защиту от дальнейшего облучения [86]. В литературе описываются попытки обнаружить процессы фотореактивации у человека в ходе облучения УФ за счет видимого света. Однако согласно [75] можно говорить только о несколько большем проценте людей, у которых за счет процессов фотореактивации видимый свет несколько ослабляет образование эритемы.
Воздействие УФ радиации на ДНК, как было показано выше, вызывает мутагенез, который в большинстве случаев связан с ошибками процесса SOS-репарации ДНК и, следовательно, может привести к канцерогенезу. В ряде исследований, описанных в [86], приводится следующий механизм; «ошибочное» востановление ДНК приводит к увеличению частоты хромосомных аберраций и росту мутаций, увеличивая скорость трансформации здоровых клеток в раковые и способствуя проявлению скрытых онкогенных вирусов, способных потенцировать рост раковых клеток.
Острое воздействие на органы зрения проявляется в развитии фотокератита («снежной слепоты») и фотоконьюктивита, которые обычно можно вылечить. Одним из наиболее опасных заболеваний глаз, вызываемых УФ радиацией, является катаракта, о чем свидетельствуют как экспериментальные, так и эпидемиологические данные [81]. Количество полностью слепых от катаракты людей в мире составляет примерно 20 млн. чел., при этом в тропиках их процент выше (до 30% пожилых людей). К другим УФ зависимым глазным патологиям относят птеригиум - гипертрофию глазной коньюктивы. Это заболевание часто возникает под воздействием искусственного УФ излучения. Оно является профессиональным заболеванием сварщиков.
эффекторов [81]. Последние находятся в равновесии с лимфоцитами-супрессорами, количество или активность которых возрастает под воздействием УФ радиации. Есть мнение, что запускает эту реакцию уроканиновая кислота, локализованная в поверхностных слоях кожи. В результате длительного облучения большими УФ дозами страдает иммунная система организма в целом. Следствием этого является снижение резистентности к инфекционным агентам и к некоторым инфекционным заболеваниям [193], а также возможно развитие рака кожи. В качестве примера можно указать на заболевания с кожной фазой развития или зависящие от клеточного дефицита (корь, ветряная оспа, герпес и др).
Положительный результат воздействия УФ радиации связан, главным образом, с образованием витамина D (антирахитный эффект). УФР оказывает также благотворное действие на лечение некоторых кожных заболеваний (например, псориаза). Недостаток УФР может приводить к нарушению процесса обмена фосфора и кальция у разных групп населения, особенно у детей. В свою очередь это нарушает нормальный процесс формирования костной ткани и уменьшает активность защитных систем организма. Витамин D образуется фотохимическим путем в коже под действием УФР. Исследования показали, что витамин D образуется из так называемого провитамина (главным образом, из 7-дегидрохолестерола). Провитамин находится в самых нижних клетках рогового слоя кожи. Он затем преобразуется в превитамин, который является уже непосредственным предшественником витамина D. Согласно [86] нормальная суточная потребность в витамине D составляет 200 МБ у взрослых, и 400 ME у детей (или соответственно 5-Ю мкг холе(эрго-)кальциферола витамина D2). В последнее время считается, что дефицит витамина D, или D гормона 25[ОН]Оз, который создается в печени непосредственно из витамина D, может привести к различным заболеваниям. Дефицит витамина D обнаружен у людей, недостаточно времени проводящих вне помещений, а также при недостаточном поступлении этого витамина с пищей (главным образом, у детей). Он отмечается также у пожилых людей, проживающих в районах с низкой инсоляцией, а так же у людей, ведущих неподвижный образ жизни. Отмечается, что способность кожи образовывать витамин D у пожилых людей в четыре раза меньше, а содержание 25(OH)D3 в сыворотке их крови менее 30 мкг/л. Это классифицируется как гиповитаминоз D (пороговое значение витамина D при гиповитаминозе -40 мкг/л, пороговое значение, соответствующее дефициту витамина D, - 12-15 мкг/л) [207]. По данным Г.Я. Шварца [105], недостаточность витамина D может повысить риск некоторых хронических заболеваний, встречающихся в практике кардиологов (артериальная гипертензия) и эндокринологов (например, сахарного диабета типов 1 и 2) неврологов (эпилепсия, рассеянный склероз и боковой амиотрофический склероз, церебральные параличи), психиатров (болезнь Альцгеймера, шизофрения, маниакально-депрессивный психоз, аутизм), онкологов (рак предстательной, молочной, поджелудочной желез, толстой кишки и др.). В пользу связей недостатка витамина D с рассеянным склерозом говорит резкое возрастание случаев заболеваний с увеличением географической широты и генетическая предрасположенность к таким заболеваниям людей со светлой кожей и голубыми глазами [105]. Следует отметить также повышение риска заболевания диабетом 2 типа в северных странах у темнокожих выходцев из Азии (в 4-5 раз!) по сравнению с белокожими жителями. У женщин, проводящих достаточно длительное время на солнце и имеющих высокий уровень метаболитов D-гормона в крови, отмечено снижение на 20-50% частоты случаев рака молочной железы по сравнению с теми, кто редко подвергается инсоляции [207]. Особо следует отметить УФ недостаточность для темнокожих иммигрантов, переехавших из районов высоких широт. По данным [207] 80% пожилых афроамериканцев в США имеют дефицит витамина D. Это связано с низкой способностью их темной кожи утилизировать природную инсоляцию по сравнению с кожей белых. При этом к концу зимнего периода число темнокожих, страдающих недостатком витамина D значительно увеличивается. В работе В.К. Беликовой и др.[15] показано, что заболеваемость рахитом, вызываемым также недостатком витамина D, в районах, расположенных вблизи 65°с.ш. в 2-3 раза превышают таковые на 45° с.ш. Следует отметить, что избыточное УФ об лучение может приводить и к обратной реакции и разрушению многих витаминов (особенно витамина С) [14].
Отмечается негативное воздействие УФР на различные растения и микробы, однако они способны вырабатывать защитные механизмы. Было показано, что увеличенные дозы УФ радиации не ведут к гибели организмов, но изменяют их продуктивность, жизненные циклы и приводят к выработке некоторых химических реагентов, ведущих к изменению защитных функций [297]. В последние годы было показано, что УФ излучение негативно влияет на рост и фотосинтез фитопланктона, а также на содержание в нем протеина [316]. Чувствительностью к УФ-В излучению обладают морские водоросли, зоопланктон, а также морские ежи и кораллы. УФ-В радиация способна непосредственно поражать икру и мальков рыб, личинок креветок и крабов, снижать репродуктивную способность, рост и выживаемость [316]. Известно, что УФ радиация действует и на высшие растения (уменьшение высоты, сухой массы, поверхности листьев и др.) Наибольшая чувствительность по результатам тестирований оказалась у семейства тыквенных (горох, соевые бобы и др.) [291].
Важную роль УФ радиация играет в биогеохимических связях. В частности, в результате ее действия на почвенные микроорганизмы (например, на циано-бактерии) может меняться скорость утилизации растворенного в воде азота воздуха, который участвует в процессах фотосинтеза. Этот процесс трудно переоценить, поскольку величина утилизации этими веществами в целом сравнима с объемом ежегодного производства искусственных азотных удобрений. Кроме того, УФ излучение способно активизировать и ключевой фермент ассимиляции азота - нитрогеназу [316]. Оно также оказывает и опосредствованное воздействие, разрушая органические компоненты почвы и нарушая сложившиеся взаимодействия между микробными и растительными компонентами агробиоценозов. УФ радиация также индуцирует активное протекание фотохимических реакций в атмосфере, что может улучшать качество воздуха.
Однако, говоря об эффектах УФ радиации, надо принимать во внимание одновременное действие таких факторов, как рост концентрации СОг, изменение температурного и влажностного режима и других, которые могут ослабить или, наоборот, усилить отрицательное действие УФ-В радиации на живые организмы.
Биологическую эффективность УФ радиации принято оценивать с помощью спектров (спектральной эффективности) биологического действия, которые характеризуют роль тех или иных длин волн УФ радиации для данного объекта (например, кожа, глаз и т.п.) в относительных единицах. Для оценки уровня биологически активной ультрафиолетовой радиации (БАУФР) используется следующее выражение:
400
йвАУФР- Ш)Е(Л) dX (I)
280
где Е(Л) -спектральная эффективность биологического действия, Q(X) -спектральная плотность энергетической освещенности, выраженная в Вт/м нм. Например, при расчете уровня биологически активной эритемной радиации используется спектр эритемного действия. На рис. 3 приведены спектры биологического действия на различные объекты. Как видно из рисунка, большинство спектров имеет максимум в УФ-В области. На практике спектры биологического действия часто называются также кривыми биологического действия.
Сходство различных кривых биологического действия объясняется похожими процессами, происходящими в результате поглощения фотонов радиации клетками организмов. Однако, если спектры действия, в частности, на кожу человека близки для всех рас, то в пороговых значениях образования эритемы существуют значителные различия. Согласно [299] выделяют четыре типа человеческой кожи для европейского населения. Их характеристика, а также пороговые значения минимальных эритемных доз приведены в табл. 1.
Между кривыми эритемного действия для типов кожи 1, 2 и 3, 4 существуют небольшие различия, однако общепринятой является кривая действия для типа кожи 1 и 2, определенная через 24 часа после облучения. Эта кривая действия была принята в качестве базовой международным комитетом по освещению в тей тела также меняется: она убывает в последовательности: грудь (100%) живот, спина, шея (50%) верхние и нижние конечности (менее 25%) [18].
Наиболее распространенная кривая эритемного действия по CIE [163,251] задается следующим образом:
Е(Л)=и для А, 298нм
Е(Я)=\0л°-094(298-х для298 X 328 нм
# 10Л°015(139-Х) для 328 Ж400 нм (II)
Две-три минимальные эритемные дозы вызывают сильное покраснение кожи (яркую эритему), 5 доз - болезненный ожог, 10 доз - образование волдырей.
Согласно второму закону фотохимии (закону взаимности Бунсена и Роско) известно, что первичное фотохимическое воздействие зависит только от интенсивности и продолжительности облучения. Поскольку эритема и другие явления, связанные с УФ облучением, являются косвенными эффектами, то к ним этот, закон может быть применен лишь условно. Исходя из опытных данных, эритемное действие можно считать пропорциональным дозе, и оно не зависит от соотношения между плотностью потока энергетической освещенности и продолжительностью, если продолжительность облучения не превышает латентного периода, который может меняться от 1 до 6 часов [86]. Если же время облучения, необходимое для получения 1 МЭД, сравнимо с латентным периодом, то эритема не возникает. Продукты фотохимических реакций удаляются в результате обмена веществ или восстанавливаются. В.А. Белинским указывалось, что если эритемная доза была меньше пороговой эритемной дозы1, в течение часа, то эритема не образовывалась и при более длительном облучении [88]. В результате экспериментов было показано, что доза УФ радиации без об-разования эритемы не должна превышать 120 Дж/м (Э) при экспозиции 7 часов.
Люди, чья пофессия связана с работой на открытом воздухе, получают 10% от годовой суммы УФ радиации, приходящей к земной поверхности; люди, работающие внутри помещения - всего 3% [125]. Однако во время каникул или отпусков люди могут удвоить годовую норму [295]. Как видно из предыдущего обзора, это может иметь как позитивные (формирование витамина D), так и негативные последствия (рак кожи, катаракта). Пороговая доза для формирования витамина D оценивается разными авторами по-разному. По данным Holick [207] для получения примерно 800-1500 ME (или 20-40 мкг эргокальциферола витамина D) необходимо облучать 25% тела дозой УФ радиации, равной 25% от одной МЭД. Эти расчеты были сделаны, исходя из того, что одна минимальная эритемная доза при облучении всего тела создает примерно 10000-25000 МБ. По другим источникам для формирования витамина D необходимо 50% от МЭД [309]. Для оценок in vitro 5% превитамина D образуется при облучении 2 МЭД [293]. Как отмечалось в [18], где однако использовался старый спектр эритемного действия, для нормального функционирования организма суточная доза эритемной радиации должна составлять не менее 12.5% и не более 75% от одной МЭД.
Согласно последним рекомендациям ВМО, Всемирной Организации Здравоохранения, UNEP и др. [194] при мониторинге УФ радиации и ее прогнозе рекомендуется использовать УФ индексы, UVI, которые определяются нормированием суммарной эритемной радиации на некоторое малое значение (0.025
Вт/м2(э)):
UVI=Qe/0.025 (III)
В зависимости от величины различают разные категории УФ индексов: низкая категория (UVI 2), средняя (UVI=3-5), высокая (UVI=6-7), очень высокая (UVI S-\0) и экстремально высокая (UVI \\) по [194]. Согласно рекомендациям в [194], уже начиная с UVI=3, необходима защита от Солнца. В качестве предохранительных мер рекомендуются защитные кремы с фактором защиты SRF=15 и выше, защитные очки, одежда и проч.
Во многих странах наряду с прогнозом погоды, дается прогноз и УФ индексов (например, в США, Европе, Австралии). И население по телевидению информируется о возможных изменениях уровня УФ радиации.
Обзор исследований УФ радиации у поверхности Земли.
Исследованию УФ радиации, приходящей к земной поверхности, посвящено много работ. В Советском Союзе измерения УФР были начаты уже в 1930-х гг. Н.Ф. Галаниным и А.Н. Бойко. Пионерами в исследовании УФ радиации были также профессор кафедры меторологии и климатологии Географического факультета МГУ В.А. Белинский и его многочисленные ученики. Их экспериментальные и теоретические работы 50-70-х гг. XX столетия послужили основой создания целой научной школы в МГУ. В частности, необходимо упомянуть монографию под редакцией В.А. Белинского «Ультрафиолетовая Радиация Солнца и Неба» [18], Атлас карт ультрафиолетовой радиации [88] и некоторые другие его публикации [16, 17, 19, 88], а также последующие работы М.П. Га-раджа и Е.И. Незваль [26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 62]. В Метеорологической об серватории МГУ усилиями М.П. Гараджа и Е.И. Незваль с 1968 г. был организован мониторинг УФ радиации 300-380 нм [26]. Проводились также исследования спектрального состава УФ спектрометром, разработанным в МО МГУ [25, 32]. В начале 60-х гг. большую роль в исследовании спектрального состава УФ радиации сыграли работы, выполненные Бенером [123] в Швейцарии, а также модельные исследования УФР, выполненные Грином с коллегами [195, 256, 255 и др.]. Кроме того, в 70-80-гг. много экспериментальных работ было выполнено в Польше и Чехословакии [283,283].
В связи с проблемой истощения озонового слоя стала реальной угроза повышения доз коротковолновой УФ радиации и появления в ее спектре излучения более коротких длин волн. Были разработаны различные международные и национальные программы по изучению УФ радиации. В частности, исследования УФР ведутся в рамках программы GAW (Global Atmospheric Watch), ряда европейских программ (COST-713 и COST-726, EDUCE и др.), национальных американских программ USDA [127], EPA/NOAA и NSF http://bsimail.biospherical.com/nsf/ и др. В Канаде был создан международный центр данных по УФ радиации http://www.msc-smc.ec.gc.ca/woudc/. В настоящее время существует также и европейский центр данных по ультрафиолетовой радиации в Финляндии (EUVDB). В то же время в 1994 году ВМО установила наблюдательный совет по УФ измерениям в программе GAW, позволяющий стандартизировать проведение наблюдений и оценку качества измерений на разных станциях мониторинга [308]. Таким образом, масштаб исследований УФР с конца 80-х гг. прибрел глобальный характер. Особую роль при этом выполняли исследования УФ радиации из космоса. В частности, большую роль в понимании трендов озона и УФР у поверхности Земли сыграли спектральные измерения прибором TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer), который был установлен в 1978 г. на борту спутника NIMBUS-7, а также, позднее, и на других носителях (http://iwocky.gsfc.nasa.gov/ [202, 203, 204). Кроме этого восстановление УФ радиации у поверхности Земли стало возможно с помощью прибора GOME (европейский УФ спектрометр на борту ERS-2) и с помощью ком бинации спутниковых приборов: MVIRI на борту METEOSAT и TOMS на борту NIMBUS-7[300].
Использование данных измерений на полярно-орбитальных спутниках приборами типа TOMS, GOME позволяют получать данные измерений УФ радиации раз в день по всему земному шару. Поскольку грубое временное разрешение может давать большую погрешность в оценке дневной суммы эритемной радиации, то были предложены и другие методы определения атмосферных параметров с других спутников (например, данные ERBE [239] позволяют восста-навлитвать поля УФР с часовым интервалом). Для оценки пространственного распределения УФ радиации используется также климатология облачности ISCCP [244], данные METEOSAT [301, 302] или данные AVHRR[270], имеющие хорошее временное и пространственное разрешение. Валидация данных спутникового зондирования показывает неоднозначность восстановления УФР в разных географических регионах. Разница между спутниковыми УФ измерениями и данными наземных измерений может достигать 40% [250, 259]. В главе 5 подробно обсуждаются причины их различий, главной из которых, вероятно, является неучет поглощающего аэрозоля и газовых примесей в атмосфере [111,113, 157, 160,250 и др.].
О важности исследований УФ радиации говорит и то, что достижениям в этой области науки посвящается глава в международном научном сборнике "Scientific Assessment of Ozone Depletion", который выходит раз в четыре года и спонсируется ВМО, ЕС, NOAA, UNEP, NASA [312, 313, 314, 315]. В ней описываются последние научные достижения в исследовании УФ радиации по модельным и экспериментальным данным, приводятся оценки пространственно-временных изменений УФ радиации, прогнозы УФ радиации в будущем и др.
В связи с уменьшением содержания общего содержания озона, особенно большое внимание в настоящее время уделяется исследованию его влияния на ослабление УФ радиации. В частности, в 90-ые годы по данным многочисленных измерений в различных точках земного шара была подтверждена степен Была численно оценена зависимость УФР у поверхности Земли от вертикального распределения озона и температуры и показано, что роль этих факторов может составлять несколько процентов. (229, 225).Учет особенностей вертикального распределения озона и температуры может быть важен при оценках многолетних трендов УФР.
В [185] сделаны попытки оценить влияние на ослабление УФР других газовых примесей (в частности, SO2), возникающих за счет извержений вулканов или при антропогенном загрязнении атмосферы. Однако эти оценки проводились лишь для отдельных случаев. В целом, до последнего времени недооценивалась роль диоксида азота и некоторых других газов в поглощении УФ радиа ции. Так, крупными учеными еще в 2002 году считалось, что общее содержание NO2 в атмосфере незначительно [240] и, следовательно, этот газ не может оказывать значимых эффектов на ослабление УФР. В разделе 2.2 приводятся оценки возможных вкладов антропогенных газовых примесей в поглощение УФР в разных условиях, которое было подтверждено и непосредственными наблюдениями в Москве.
Аэрозоль может существенно ослаблять поступление УФ радиации к земной поверхности. Известно, что характеристики аэрозоля, в частности, аэрозольная оптическая толщина и альбедо однократного рассеяния во многом определяют ослабление солнечной радиации. В настоящее время сеть измерений AERONET совместно с измерениями UVMFSR позволяют оценивать свойства аэрозоля в УФ диапазоне спектра, см., например, [218, 223]. Натурные эксперименты в Греции в 1996 г во время кампании PAUR II позволили оценить аэрозольные характеристики атмосферы в УФ области спектра. Показано, что параметр Ангстрема в этой области равен a = 1.0±0.5, а альбедо однократного рассеяния изменяется между 0.84 и 0.98 [319]. До последнего времени отсутствовали климатические оценки аэрозольных характеристик в УФ области спектра. Лишь в последней работе Ярославского приведена статистика аэрозольных свойств атмосферы в УФ диапазоне спектра для Польши [212]. Однако большая пространственная и временная изменчивость аэрозольных свойств атмосферы, особенно в УФ диапазоне спектра, делает необходимым проведение непосредственных аэрозольных измерений в московском регионе, которые были организованы с 2001 г. (см. раздел 2.3.3).
В серии работ было показано влияние пространственного распределения альбедо снега на поступление УФ радиации [231, 232, 285, 279]. В частности, по их оценкам влияние альбедо снега на длине волны 324 нм может увеличивать поток УФР у земной поверхности от 8 до 39%. Альбедо снега может оказывать влияние на УФР у поверхности Земли в радиусе 40 км, даже если в точке непосредственных измерений не наблюдается снега [285, 232].
Во многих работах показано влияние облачности как одного из важнейших факторов регулирования УФР у поверхности Земли. В частности, среди последних работ, посвященных исследованию ослабления УФ радиации сплошным покровом облаков, следует отметить статьи [141, 145, 214, 265 и др.]. В этих публикациях показано, что пропускание УФР сплошным покровом облаков варьирует в широких пределах: от 0.3 до 0.8 [141]. Во многих работах, выполненных разными авторами, в том числе и автором этого исследования, указывается на спектральный характер пропускания УФР облачностью [26, 27, 31, 95, 151, 170, 256]. Для эритемной радиации эта величина может быть выше на 15-45%, чем для интегральной радиации. В разделе 2.5 на основе современных модельных и экспериментальных данных дается объяснение этому эффекту. Показана также необходимость использования трехмерных моделей для описания УФ радиации в условиях разорванной облачности [315], что было сделано при оценке УФР в условиях разорванной облачности в Москве (см. раздел 2.5.2). Важным моментом является тот факт, что при открытом диске Солнца рост УФР по сравнению с ясным небом может быть существенным и достигать 25% [145].
В настоящее время большое внимание уделяется разработке методов предсказания уровня УФ радиации. Для разработки прогностических схем УФР используются численные модели прогноза погоды. В некоторых научных центрах (например, в NCEP, KNMI, ECMWF, ВОМ) в прогностические модели ассимилируются данные по общему содержанию озона и разрабатываются алгоритмы, позволяющие прогнозировать его содержание на несколько дней вперед. Такой прогноз производится по данным спутникового мониторинга (исходя из инерционности полей озона) или на основании существования статистических связей с метеорологическими полями на определенных высотах. В то же время эти модели дают информацию об облачности, уровне коротковолновой радиации и снеге [314]. На основании совокупности этих данных производятся прогностические оценки УФР [119, 238, 230,237].
В 70-90-е гг. XX века большое внимание уделялось разработке численных методов переноса солнечного излучения в атмосфере, необходимых для вычисления УФ радиации. Для оценок УФ радиации используются разные методы расчета, включая различные модификации двухпотоковых методов [34, 213, 54, 69, 71, 91], а также более точный метод дискретных ординат [288]. В частности, двухпотоковый метод дельта-Эддингтона был положен в основу создания банка данных спектров УФ радиации в облачных условиях в МО МГУ [95].
Наиболее часто используемыми моделями или программными комплексами для расчета УФ радиации являются libRadtran [242], тропосферная ультрафиолетово-видимая модель (TUV) [245], модель STAR [271] и некоторые другие. При оценке разорванной облачности или эффектов неравномерно распределенного альбедо поверхности обычно используются 3-х мерные модели. Довольно часто при этом применяется метод статистических испытаний (Монте-Карло) [33, 72, 57]. Однако, в случае больших оптических толщин и сильно вытянутых индикатрис рассеяния, требуются большие машинные ресурсы для реализации расчетов, а высокая точность может оставаться нереализованной из-за отсутствия данных о ряде параметров.
Начиная с конца 80-х гг., наблюдается активное развитие сети мониторинга УФ радиации. Можно выделить несколько типов измерений УФ радиации.
1. Измерения спектрального состава УФ радиации сканирующими спектро-радиометрами с разрешением лучше АЯ=1нм (например, УФ спектрорадиомет-ры сети NSF SUV-100, спектрорадиометры Brewer, Bentham, Optronics и др.). На основании этих наблюдений организованы международные и национальные программы, например, программы УФ мониторинга Франции, Бельгии, Новой Зеландии, Швеции, Германии, США, Канады и других стран (см. например, обзор работы международного радиационного симпозиума в Санкт-Петербурге [85]).
2. Измерения многоканальными УФ радиометрами типа GUV-511, GUV-541 или UV-MFRSR, с помощью которых получают данные в нескольких каналах УФ диапазона спектра с разрешением порядка АЛ=2нм. Приборами такого типа проводятся измерения в США, Южной Америке и северной Европе.
3. Измерения широкополосными приборами типа UVB-1 YES или SL Biometer 501А, вид спектральной чувствительности которых близок к кривой спектральной чувствительности биологически активной радиации и имеет максимум в УФ-В области спектра. Данные приборы являются наиболее распространенными. Из широкополосных приборов следует также отметить УФ радиометр фирмы Эппли в диапазоне 300-3 85нм с эффективной длиной волны в длинноволновой области спектра (http://www.eppleylab.com/).
Измерения УФ радиации с хорошим спектральным разрешением безусловно являются наиболее информативным и могут быть использованы для оценки воздействия УФ радиации на различные биологические системы. Однако изменение атмосферных условий во время сканирования по спектру, а также ограниченность временного разрешения измерений иногда приводят к трудностям в использовании этих данных. Высокая стоимость спектрорадиометров не позволяет приобретать несколько приборов для одного пункта даже в странах, где на исследования в этой области тратятся значительные средства. Поэтому возникают перерывы в наблюдениях, вызванные необходимостью проведения регулярных проверок работы приборов, и это может существенно затруднить оценку трендов измерений [124]. Многоканальные приборы типа UV- MFRSR, GUV-511, GUV-541 совмещают некоторые качества спектральных приборов (имея удовлетворительное спектральное разрешение) и широкополосных приборов, поскольку дают возможность проводить измерения с хорошим временным разрешением одновременно в нескольких каналах. Однако измерения в отдельных спектральных каналах требуют дополнительных исследований по созданию так называемого синтетического спектра УФ излучения [134], необходимого для решения большинства прикладных задач. Это связано в конечном итоге с привлечением дополнительных модельных расчетов, что несколько снижает ценность таких измерений. Широкополосные приборы, разработанные в 90-е годы (UVB-1 YES, SL501A), отличаются стабильностью и довольно удобны при проведении УФ мониторинга. Однако, приборы этого типа требуют проведения регулярных калибровок и проверки их характеристик. Даже небольшие отклонения в кривой спектральной чувствительности могут привести к значительным погрешностям в измерениях из-за изменения спектральной плотности энергетической освещенности в УФ области спектра на несколько порядков.
Следует отметить, что оптимальным вариантом УФ мониторинга является комбинация узкополосных многоканальных и широкополосных измерений, проводимых, например, на сети USDA в США [127], позволяющая выявлять зависимости БАУФР от параметров его определяющих (характеристик аэрозоля, озона и облачности).
В 90 - х годах мониторинг УФ радиации проводился примерно в 200 пунктах с помощью широкополосных приборов и примерно в 100 пунктах - приборами с хорошим спектральным разрешением. Наиболее густая сеть существует в Европе, Северной Америке и Австралии. В последнее время за рубежом большое внимание уделяется проведению международных сравнений широкополосных УФ биометров в рамках различных международных программ. Например, такие сравнения проводились в рамках программы WMO/STUK в 1995 г. в Финляндии, в рамках проекта COST 713 в 1999 г. в Греции и др. К сожалению, в России до последнего времени измерения коротковолновой УФР ведутся лишь в очень ограниченном числе пунктов и не везде регулярно. Измерения спектрального состава УФ радиации с помощью спектрорадиометра Brewer проводятся в Кисловодске, Якутске и Обнинске (см. например, описание результатов измерений в Обнинске в [259, 292]). Кроме того, измерения УФР проводятся в Воейково с помощью модифицированного озонометра М-124 [40].
В Метеорологической Обсерватории (МО) МГУ эпизодические спектральные измерения УФ радиации проводились в 70-90 х гг. [25, 32, 63, 197] в том числе, при непосредственном участии автора. Мониторинг УФР в области менее 380 нм проводится с 1968 г. уфиметром МГУ, имеющим максимум чувствительности в области 340-345 нм, и практически не чувствительным к области УФ-В [49, 154, 156]. Следует подчеркнуть, что это самый длинный ряд непосредственных измерений УФ радиации в мире. Наряду с этими измерениями, с 1999 г. в МО МГУ и с 2000 г. в Подмосковье на Звенигородской биостанции МГУ под руководством автора начаты регулярные измерения широкополосными приборами UVB-1 YES с максимальной чувствительностью в УФ-В области спектра. Проведение одновременных радиационных измерений в городе и пригороде дает возможность судить о влиянии города на радиационный режим атмосферы.
Мониторинг УФ радиации в различных географических регионах и в том числе в Антарктиде, позволяет оценивать степень опасности уровней УФР для биоты. Так, спектральные измерения УФ радиации в Антарктиде в рамках программы NSF показали, что максимальное поступление УФ радиации наблюдалось в 1998 г. весной южного полушария в период мощной озоновой дыры. В 2000 году рекордная по размеру озоновая дыра охватила огромные территории, включая территорию Аргентины. В результате этого на станции Ушуйа были зарегистрированы максимальные значения УФР в октябре 2000 г. На рис. 6. приведены максимальные дневные дозы эритемной радиации на станциях NSF, расположенных в Антарктиде, на Аляске, в тропиках и в Аргентине. Пики УФР, зарегистрированные в октябре, возникают вследствие больших высот Солнца и низкого содержания озона во время озоновой дыры 2000 г. Отчетливо видно, что эти максимумы перекрывают максимум УФР, наблюдаемый в тропиках в Сан Диего.
Одна из основных задач, стоящая перед исследователями УФ радиации, заключается в оценке возможных трендов УФР, которые могут быть связаны как с изменением озона, так и с вариациями других геофизических параметров. Многие биологические эффекты зависят от продолжительности воздействия УФ радиации. Оценка изменчивости УФР в прошлом также важна для определения возможности адаптации различных биологических объектов к изменчивости уровня УФР. Для надежного выявления трендов также необходимы периоды, превышающие несколько десятилетий [307].
солнечного сияния [235,236] производится коррекция данных для облачных условий. В работе [224] для нескольких европейских станций сравниваются два метода реконструкции УФР: усовершенствованная статистическая модель на основе MARS технологии и расчетный метод с учетом облачности. Было показано, что статистическая модель, хотя и дает лучшие результаты для суточных УФ вариаций, но может быть использована в других географических условиях только после настройки коэффициентов по большому ряду измерений.
Таким образом, использование статистического подхода или эмпирических зависимостей в указанных методах делали затруднительным их применение в других географических пунктах и требовали создания нового метода реконструкции УФР. Для выявления причин межгодовой изменчивости УФР автором был разработан метод реконструкции, восстанавливающий ежегодные аномалии УФР с учетом отдельных геофизических факторов при сохранении физического смысла каждого из факторов в отдельности [156] (см. также главу 3).
Принципиально другим подходом при реконструкции уровня и трендов УФР в прошлом является использование климатической модели с химическим блоком. В частности, в [216] описаны результаты восстановлений и прогнозы УФР по земному шару с использованием трехмерной климатической модели UMETRAC, и химической транспортной модели FinROSE. Использование рассмотренных методов позволяет оценивать как межгодовую изменчивость УФ радиации, так и делать климатические оценки УФ радиации. В частности, в статье [189] на основании данных TOMS и УФ реконструкций получена климатология УФ индексов над территорией Канады и США.
Рассмотрим оценки межгодовой изменчивости УФ радиации в различных географических пунктах. Наиболее длинный ряд реконструкции УФР по данным об озоне, продолжительности солнечного сияния и высоте снежного покрова был получен в Швейцарии [236] (рис. 7). В течение исследуемого периода с 1926 по 2003 г. видны значительные межгодовые колебания УФР с высокими значениями в середине 1940-х годов, в начале 60-х и в 1990-х г. время. В некоторых странах в последние годы были также разработаны подобные атласы, которые, однако, носят сугубо региональный характер. Например, был выпущен атлас УФР для территории Новой Зеландии [130].
Все вышесказанное указывает на важную роль биологически активной УФ радиации, а также на сложную зависимость УФР от геофизических факторов. Детальному исследованию влияния геофизических факторов на биологически активную УФ радиацию, теоретическим и экспериментальным оценкам УФР, разработке методов реконструкции и восстановлению уровней УФР в прошлом в разных географических условиях, а также выявлению пространственных закономерностей распределения УФР по земному шару и посвящена настоящая диссертация.
Описание оптических параметров, задаваемых в модели
В качестве спектрального распределения внеатмосферной постоянной использовалась комбинация данных. Для длин волн 300-400 нм - использовались спутниковые данные ATLAS3 1994г. из ftp:susim.nrl.navy.mil с разрешением 0.15 нм на половине ширины спектрального интервала. Данные SUSIM [298] использовались для интервала короче 300 нм, поскольку в длиннововолновой УФ области они не очень надежны (см. примечание авторов в описании TUV). Сочетание этих архивов внеатмосферного распределения обычно используется в модельных расчетах. В видимом диапазоне использовались данные по [266] с разрешением 2 нм. Результирующее спектральное распределение внеатмосферной радиации приведено в Приложении 1 (таблица 1-П1). Как дополнение, использовалась внеатмосферная радиация из архива SOLSTICE для оценки возможных погрешностей в распределении УФР у поверхности Земли, возникающих из-за неопределенности задания внеатмосферной радиации.
На рис. 9 приведены спектры и соотношение спектральных значений энергетической облученности у поверхности Земли в молекулярной атмосфере для двух внеатмосферных распределений ATLAS3/SUSIM и SOLSTICE. Как видно, общий разброс составляет ±10%, при этом SOLSTICE дает более заниженные значения в области УФ-В до 310 нм. Для отдельных длин волн разница может превышать 10%. Оценка чувствительности к внеатмосферному распределению для различных интегралов в УФ диапазоне показала, что неопределенность за счет использования разных внеатмосферных распределений составляет менее 0.5%, однако для эритемной радиации данные SOLSTICE дают результат ниже, чем данные ATLAS3/SUSIM примерно на 1.5%.
Проводились сравнения и с активно использовавшимся в предыдущих расчетах внеатмосферным распределением, рекомендованным ВМО в 1986 г [266]. Расчеты показали, что новое уточненное распределение внеатмосферной посто янной ATLAS3/SUSIM выше, чем в [266], примерно на 3.5% для интеграла 300-380 им и на 5% - для интеграла 300-320 нм.
В таблице І-П1 Приложения 1 приведены также сечения поглощения и рассеяния различных газов, которые используются при анализе в данной работе. Для озона учитывалась температурная зависимость, которая в области Хеггинса может приводить к значительным различиям в коэффициентах поглощения: в нижней тропосфере поглощение озоном при одном и том же его содержании выше, чем в верхней тропосфере. Коэффициенты поглощения озона с ростом температуры увеличиваются до 15% в области УФ-В, и до 100% и выше - в области от 315 нм до 350 нм. Коэффициенты поглощения озона, приведенные в [327], несколько выше (до 10%). Учет поглощения NO; важен, главным образом, в нижней тропосфере, где концентрация N02 может быть высокой за счет антропогенных выбросов (см. раздел 2.2).
Рис. 9. Спектры суммарной УФ радиации у поверхности Земли при использовании внеатмосферных распределений ATLAS3/SUSIM и SOLSTICE (левая ось) и их относительные различия, R (%), при разном внетмосферном распределении, в % (правая ось). Жирная кривая - 5 нм скользящее среднее отношения спектров. Молекулярная атмосфера, Х=300 матм. см, h=90.
На рис. 10 приведены коэффициенты поглощения различных газов по данным разных авторов [114, 121, 167, 247, 253, 278]. Различия в коэффициентах поглощения NOj лежат в среднем в пределах 5-10% при комнатной температуре. Как видно из рисунка, данные Дэвидсона несколько ниже данных Шнейдера в области 300-400 нм. Данные других авторов по коэффициентам поглощения N02 для длин волн в диапазоне 300-400 нм также лежат в этих пределах [121].
В наших модельных расчетах использовались данные Дэвидсона, считающиеся на настоящий момент наиболее надежными. Однако в ряде экспериментов нами использовались и другие данные по поглощению N02 (например, в [102]).
На рис. 10 также приведены данные по поглощению радиации диоскидом серы и формальдегидом. Как видно в УФ диапазоне спектра способность к поглощению диоксидом серы значительно превосходит озоновое поглощение, в то время как полосы поглощения формальдегида в УФ диапазоне довольно слабые.
Для введения поправки в величину длины волны в реальной среде относительно условий вакуума используются следующие соотношения: Л(р)=Л(0Уп(р,А) (1.3.1) где п - коэффициент рефракции воздуха, который определяется из выражения: п(р,Л) 1+1.Ж-8 (8342.13 + 2406030./(130.-(1000/Л)А2) + 15997./(38.9 -(1000/Л)л2)) (р/2.69Е19 273.15/288.15)) (1.3.2) где р - плотность воздуха (мол/см3), Л - длина волны в нм. Коэффициент рефракции воздуха составляет 1.00028 в УФ диапазоне и 1.00026 в видимой области спектра.
Величина сдвига длины волны у поверхности Земли для стандартных условий составляет 0.08 нм в коротковолновом УФ диапазоне и 0.1-0.2 нм в видимом диапазоне. Однако в связи с выраженными фраунгоферовыми линиями в УФ диапазоне спектра и относительно небольшими изменениями спектральных значений внеатмосферной радиации в длинноволновой области эффект сдвига волн за счет рефракции выражен, главным образом, в УФ диапазоне (рис. 11),
Коррекция радиационных свойств аэрозоля за счет учета N02
В разделе 2.2 было показано, что в городских условиях за счет дополнительного загрязнения атмосферы концентрация некоторых газовых примесей может быть довольно велика. При этом, восстановление оптических свойств аэрозоля может быть неточным за счет неучета содержания оптически эффективных газов. В видимом диапазоне спектра таким газом является диоксид азота. Москва с населением свыше 10 миллионов человек - источник значительных эмиссий NOx. В начале 90-х годов по данным [48] эмиссии NOx наблюдались за счет действия стационарных источников, прежде всего, тепловых станций (-60%), а также за счет транспорта (-40%). Однако в период 1993-2003 число автомобилей выросло в 3 раза, что привело к росту NOx на +13.2% [61].
Диоксид азота, представитель семейства NOx, имеет заметные полосы поглощения в УФ и видимом диапазоне спектра и, вследствие этого, может оказать некоторое воздействие на результаты восстановления аэрозольных свойств атмосферы. Для оценки эффектов учета NO2 в алгоритме восстановления аэрозольных свойств атмосферы нами были выполнены численные эксперименты. В табл. 11 приведены рассчитанные коэффициенты поглощения NO2 для пяти длин волн фотометра CIMEL в пределах полосы поглощения NO2.
При расчете содержания NO2 в столбе атмосферы было учтено его верти кальное распределение с высотой по трехмерной модели согласно [241]. Использовались также приземные концентрации N02, измеренные на станции Мо-сэкомониторинга и в экопавильоне МО МГУ в рамках сотрудничества с ИФА РАН. Погрешность определения N02 по нашим оценкам составляет примерно 0.01-0.02 для условий хорошо перемешанного в нижнем километровом слое воздуха и может быть гораздо больше в условиях мощных температурных инверсий.
Для оценки влияния содержания N02 на восстановление аэрозольных свойств были проведены расчеты с учетом и без учета N02 и оценены остатки после применения процедуры восстановления аэрозольных параметров по [176]. При этом случайным образом выбирались данные для различных оптических условий. На рис. 35 приведено соотношение остаточных членов при восстановлении аэрозольных свойств атмосферы с учетом и без учета N02. Хорошо видно, что практически во всех рассматриваемых случаях при учете газового поглощения наблюдается уменьшение остаточного члена (в среднем на 30%), и он не превышает 3%. В стандартной же процедуре восстановления аэрозольных свойств без учета N02 остаточный член может достигать 6%. Это говорит об улучшении результатов восстановления аэрозольных свойств атмосферы и косвенно подтверждает правильность определения нами содержания N02 в столбе атмосферы.
Происходят некоторые изменения и в распределении частиц по размерам: неучет дополнительного газового поглощения приводит к смещению максиму ма в область более мелких частиц, чем это есть на самом деле и в получении несколько завышенных концентраций субмикронного аэрозоля (рис. 36). Существует некоторая тенденция к завышению значений действительной и мнимой части комплексного показателя преломления, но различия находятся в пределах ошибки определения этих характеристик.
Неучет дополнительного газового поглощения несколько сказывается и на определении альбедо однократного рассеяния. В частности, показано, что занижение значений соа может достигать 0.02 (рис. 37) и наблюдается при относительно большой доле оптической толщины NO2 в аэрозольной оптической толщине. Следовательно, даже при большом содержании N02 в условиях дымной мглы 2002 г. за счет наблюдаемых больших аэрозольных оптических толщин, значения альбедо однократного рассеяния занижаются незначительно, в пределах Дсо=0.01. Основной эффект занижения значений альбедо однократного рассеяния будет наблюдаться при больших эмиссиях NOx, когда содержание аэрозоля невелико. Следует отметить, что несколько заниженные величины альбедо однократного рассеяния, полученные в городских условиях (например, в Москве и в Мехико) по сравнению с фоновыми, могут быть в некоторой степени связаны с неучетом в стандартном алгоритме AERONET коррекции на содержание N02.
Проверка метода реконструкции УФР на независимом материале по наземным и спутниковым данным
Проверка методики осуществлялась по данным наземных измерений УФР 300-380 нм в Москве, а также проводились сравнения с результатами спутниковых восстановлений. Наряду с этим использовались данные измерений американского научного фонда NSF в Аргентине и США, чтобы оценить работу метода не только для эритемной радиации, но и для других типов биологически активной УФР.
Для оценки качества работы методики в Москве использовались данные измерений суммарной УФ радиации 300-380 нм с 1968 г. На рис. 62 приведены результаты сравнений между модельными реконструкциями УФР и данными непосредственных измерений Q380. Как видно из рисунка, отмечается удовлетворительное согласие в вариациях Q380 с коэффициентами корреляции г«0.8 как в теплый период, так и в целом за год. Максимальные отличия составляют 7%, а среднее квадратичное отклонение - около 3%. С учетом того, что погрешность калибровки приборов лежит в пределах 10%, данный результат можно считать удовлетворительным. На рис. 63 приведено сравнение данных измерений Q380 с результатами реконструкции для сложных условий марта месяца, характеризующегося, к тому же, заметными межгодовыми изменениями альбедо поверхности. Как видно из рисунка, учет только реальной изменчивости альбедо поверхности и эффектов многократного переотражения радиации для условий облачной атмосферы может привести к вариациям УФР до 12% со среднеквадратичным отклонением 4%. Этот эффект наблюдался в 2002 г., когда снежный покров сошел очень рано. По данным МО МГУ снежный покров отмечался только три дня (3, 4, 5 марта). В результате, расчеты при среднем пространственном альбедо Ап=0.36, не «уловили» относительного уменьшения УФ радиации за счет этого фактора в марте 2002 г., в то время как учет реального альбедо позволил внести дополнительную коррекцию в реконструкцию УФР (см. результаты разных реконструкций 2002 г. на рис. 63).
Для проверки разработанной методики использовались также спутниковые данные измерений эритемной радиации и УФР 300-380 нм в Москве. Как видно из рис. 64, отмечается хорошая сходимость между результатами реконструкций и спутниковыми измерениями УФР, скорректированными на поглощающий аэрозоль (см. также главу 5). Коэффициенты корреляции для Q380 равны, соответственно, 0.94 для TOMS и 0.8 для MVIRI (METEOSAT). Корреляция для эритемной радиации даже выше, она составляет соответственно 0.96 и 0.83 для TOMS и MVIRI METEOSAT. Результаты по TOMS являются более надежными, поскольку прибор, использующийся в спутниковом мониторинге, обладает большей стабильностью.
На рис. 64 б также приведены восстановленние абсолютные значения эритемной радиации предлагаемым методом реконструкции, используя данные наблюдений Q„ последних лет в качестве привязки. При отсутствии данных изме [69 рений возможно использовать модельные оценки УФР при ясном небе, точность которых в настоящее время достаточно велика.
Отметим, что корреляция результатов реконструкции УФР со спутниковыми данными лучше, чем с данными наземных измерений. Как сказано выше, это определяется случайной погрешностью наземных измерений, в то время как погрешность калибровки каналов TOMS составляет менее 1%. Максимальные различия между результатами модельной реконструкций УФР и спутниковыми восстановлениями по TOMS не превышают 3%. Высокая корреляция модельных значений с надежными данными УФР по TOMS с учетом поглощающего аэрозоля подтверждает высокую точность предлагаемого метода реконструкции солнечной радиации у земной поверхности. Отметим, что сравнения со спутниковыми данными проводились лишь для теплого периода, поскольку погрешность спутниковых восстановлений УФР при наличии снега довольно высока (см. главу 5).
Данные TOMS использовались также для более детального исследования применяемой методики. В частности, при восстановлении УФ радиации во вне-озонной области спектра в Москве по данным TOMS было получено, что коэффициент корреляции последовательно повышается при учете большего числа факторов (табл. 21). Так, если мы учитываем только изменчивость за счет разорванной облачности, величина объясненной дисперсии составляет R2=78%, в то время как учет всех параметров (включая оптическую толщину аэрозоля и облаков) повышает объясненную дисперсию до R2=87%.
Как видно из анализа данных МО МГУ, наибольшей изменчивостью и значительным влиянием на УФР обладает облачный фактор. Однако степень его воздействия может различаться в разных регионах. Поэтому мы сопоставили оценку изменчивости радиации за счет облаков по спутниковым данным с результатами модельных реконструкций для 19 станций (см. архив на сайте http://cdiac.esd.ornl.gov/ epubs/ndp/ ndp048). (Более подробно описание этих наблюдений и методики анализа представлены в следующем разделе). Для анали 170 за был выбран период 1980-1990 гг., когда измерения TOMS по времени пересекались с имеющимися наблюдениями за облачностью. Было показано, что корреляция между данными реконструкции изменчивости УФР за счет облачного фактора и отражательной способностью по TOMS на 380 нм высока и в среднем для всех станций превышает 0.76. Как видно из табл. 21, применение предложенной методики резко повышает объясненную дисперсию УФР во внеозонной области по сравнению с результатами, когда используется просто балл облагав в разных географических зонах (см. примеры изменения R2 для некоторых станций).
Для того, чтобы проверить качество реконструкций УФР в других географических регионах, были использованы также данные спектральных наблюдений американского научного фонда NSF.
Оценки возможных вариаций УФР в Москве при ясном небе
Поскольку измерения УФ радиации проводятся в относительно чистом месте на юго-западе Москвы, то интересно было оценить, насколько УФР, измеренная в МО МГУ, может характеризовать ее уровень в Москве вне локальных источников загрязнения.
При анализе основное внимание уделялось малооблачным условиям, поскольку в этих условиях поступление УФ радиации близко к максимальному. Мы использовали численные оценки УФР, полученные на основе данных непосредственных экспериментальных наблюдений аэрозольных оптических толщин атмосферы.
Для этих целей с мая по октябрь 2005 г. проводился эксперимент по изучению аэрозольных свойств атмосферы в разных пунктах Москвы, главным образом, в центральной его части: в районе Садового кольца, на Таганской площади, у Киевского вокзала, у м. Кропоткинская и в ряде других мест в центре города. Все эти пункты удалены от источников локальных эмиссий (промышленных зон) и поэтому могут в целом характеризовать средний уровень замутненное атмосферы в Москве. Измерения проводились с помощью портативного солнечного фотометра GLOBE, описанного в [139], который регулярно калиб 221 ровался по солнечному фотометру CIMEL, работающему в режиме мониторинга в МО МГУ. Это дало возможность надежно характеризовать пространственные вариации аэрозольных свойств атмосферы. Измерения проводились таким образом, чтобы разница во времени между измерениями CIMEL и портативным фотометром GLOBE не превышала 1-2 минут. Для коррекции разницы в длинах волн (505 и 625 нм у GLOBE) и (500 и 675 нм у CIMEL) использовался параметр Ангстрема, определенный по CIMEL. Таким образом, окончательные результаты сравнений получены для длин волн 500 и 675 нм. Всего получено 59 одновременных наблюдений в разные дни теплого сезона 2005 г. (13 дней), которые характеризовались различными синоптическими условиями, включая условия лесных пожаров в октябре 2005 г. Оптическая толщина по данным CIMEL менялась от т5оо=0.05 до т5оо=0.42, в среднем составляя 0.23, т.е. охватывая основной диапазон значений Т5оо- Анализ различий в значениях Т500 показал, что в центре Москвы аэрозольная оптическая толщина меньше, чем в МГУ, примерно на 0.009±0.007, что формально является значимой величиной при Р=95%. Но, принимая во внимание погрешность калибровки, которая составляет 0.01-0.02 для прибора GLOBE, можно считать эту величину, лежащей в пределах ошибки измерений. В целом разница в оптических толщинах носит случайный характер. Однако наблюдаемые ситуации с заметным уменьшением аэрозольной оптической толщины в центре города связаны, возможно, с более интенсивным развитием конвекции в центре Москвы (где она может начинаться несколько раньше за счет более высоких температур воздуха), чем на юго-западе и, следовательно, с более ранним вовлечением аэрозоля в облакообразование, что ведет к некоторому уменьшению его содержания в атмосфере.
На рис. 86 приведена гистограмма распределения различий между оптическими толщинами в центре Москвы и в МО МГУ, которая имеет распределение, близкое к нормальному с максимумом около нуля. С 95% вероятностью вариации оптических толщин лежат в диапазоне Ai5oo =±0.06. При перерасчете в УФ диапазон спектра с учетом параметра Ангстрема сс=1.4, для длины волны 380 нм этот диапазон равен Атзво =±0.09. Сопоставление параметров Ангстрема, рассчитанных по данным CIMEL и GLOBE, показало более низкое по абсолютной величине значение а в центре Москвы (Aasoo =0.15±0.13), что свидетельствует о наличии более крупных частиц в центре по сравнению с юго-западным районом. Однако, поскольку различия невелики и сравнимы с погрешностью расчета параметра Ангстрема, мы можем, скорее, говорить лишь об общей тенденции, которую следовало бы проверить на большем материале.
Таким образом, проведенный анализ не выявил пространственных различий оптических толщин между центром Москвы и юго-западом, т.е. районами, где отсутствуют локальные эмиссии загрязняющих веществ, кроме автотранспорта. Отметим также, что для типичного в Москве аэрозоля наблюдается высокая корреляция между аэрозольными оптическими толщинами в видимом диапазоне спектра и в УФ диапазоне (см. раздел 2.3) за исключением некоторых особых случаев (одновременно экстремально высоких концентраций тропосферного озона, N02, а также адвекции дымового аэрозоля). Следовательно, можно говорить и об отсутствии значительных внутригородских различий УФР в типичных городских условиях. Отметим, что пространственные эффекты ослабления УФР тропосферными газами не оценивались, поскольку на длине волны 500 нм газы практически не поглощают. Поэтому рассматриваемые эффекты можно отнести только к аэрозольным