Введение к работе
Актуальность темы.
В последние десятилетия исследователи различных направлений проявляют большой интерес к вопросам спектрального пропускания атмосферы в видимом и инфракрасном (ИК) диапазонах спектра. Это связано с решением таких
фундаментальных задач, как определение теплового баланса Земли, кошроль изменения климата, прогноз погоды, изучение загрязнения окружающей среды. Для ряда задач атмосферной оптики требуются данные о пропускании атмосферы в "окнах прозрачности" - участках спектра свободных от сильных полос поглощения атмосферных газов, где ослабление обусловлено, в основном, аэрозолем и далекими крыльями линий поглощения водяного пара. Практическая важность этих исследований обусловлена использованием лазеров в системах связи, передачи информации, проводки судов и посадки самолетов в условиях ограниченной видимости, космической навигации и других устройствах, работающих через атмосферу.
Атмосферные аэрозоли оказывают активное влияние на радиационный баланс планеты как непосредственно, рассеивая и поглощая солнечное излучение, так и косвенно, являясь ядрами конденсации облачных образований и воздействуя тем самым на радиационные свойства облачных полей. Решение задачи учета влияния аэрозоля на климат требует получения данных о спектральном ходе коэффициентов аэрозольного ослабления в видимой и ИК области спектра над типичными подстилающими поверхностями в разные сезоны года. Большой интерес представляют такие данные для типов аэрозоля, которые характеризуются глобальным или региональным распространением и значительным влиянием на радиационный режим атмосферы: почвенно-зрозионный, морской солевой, биогенный, антропогенный, вулканический.
Особую важность имеют исследования аэрозольного ослаблення н континуального поглощения излучения водяным паром в диапазоне длин волн 8-і 2 мкм. Это обусловлено тем, что в климатическом аспекте здесь находится максимум излучения Земли, а в практическом приложении этот участок спектра используется для дистанционного определения физических параметров подстилающей поверхности из космоса. В связи с этим предъявляются повышенные требования к точностным характеристикам энергетического ослабления оптического излучения в этом участке спектра.
Сведения о спектральной прозрачности в видимом и ИК области спектра используются для расчета радиационного перенося теппя в атмосфере, получения данных астрофизических наблюдений свободных от влияния земной атмосферы и в других задачах климатологии, спутниковой метеоролоши, геофизики, астрофизики. Перечисленные выше задачи свидетельствуют об актуальности рассматриваемой в диссертации проблемы.
Состояние вопроса.
Работы по исследованию спектральной прозрачности атмосферы весьма
многочисленны и выполнялись в ИОА (г. Томск), ИФА (Москва), ГИПО (г.
Казань), ГГО, ГОИ, ЛГУ (г. Санкт-Петербург). В России вопросы
экспериментального исследования спектральной прозрачности в приземном
' слое атмосферы рассматривались в диссертациях Георгиевского 10. С,
Филиппова В. Л., Пхалагова Ю. А., Шукурова А. X., ЧавроА.И.,
Макарова А. С, Иванова В. П., Ужегова В. Н., а также в работах Парамоновой Н. Н., Броуїшггейна А. М. с соавторами. Среда зарубежных авторов следует выделить работы Нильсона Б. с соавторами.
К настоящему времени исследования аэрозольного ослабления излучения в области спектра 0.4-12 мкм в приземном слое атмосферы проведены в центральной части Европейской территории России (Звенигород, Воейково, Казань), прибрежной зоне Черного моря (Феодосия, Евпатория) и проводятся в Западной Сибири (Томск). С J 984 по 1988 г.г. такие исследования с участием автора проводились в аридной зоне Казахстана (Балхаш). Важносгь изучения этого региона обусловлена тем, что он является мощным источником почвенного аэрозоля, который характеризуется глобальным распространением в тропосфере Земли.
Цель работы и задачи исследования.
Цель диссертационной работы состояла в экспериментальном исследовании основных закономерностей аэрозольного ослабления в видимой и ИК области спектра в атмосфере аридной зоны и контшгуального поглощения излучения водяным паром в "окне прозрачности" 8-12 мкм в натурных условиях.
Основные задачи исследования заключались в следующем:
-
Разработка метода коррекции величины и спектрального хода коэффициентов аэрозольного ослабления, с целью исключения их систематических погрешностей.
-
Усовершенствование метода разделения коэффициентов общего ослабления на аэрозольную и молекулярную компоненты.
-
Исследование закономерностей аэрозольного ослабления в области спектра 0.44-12 мкм в атмосфере аридной зоны для трех сезонов года - весна, лето и осень.
-
Разработка малопараметрических моделей восстановления коэффициентов аэрозольного ослабления в видимой и ИК области спектра для дымок аридной зоны.
-
Исследование континуального поглощения излучения водяным паром в натурных условиях в области спектра 10.6 мкм при практическом отсутствии в атмосфере субмикронного аэрозоля и контроле ослабления излучения грубодисперсным аэрозолем.
Научная новизна результатов.
1. Разработан метод коррекции величины и спектрального хода коэффициентов аэрозольного ослабления, который позволяет: исключать систематические погрешности в коэффициентах аэрозольного ослабления во всей исследуемой области спектра при проведении абсолютной калибровки измерительного прибора на нескольких длинах волн; получать абсолютные значения коэффициентов аэрозольного ослабления во всей исследуемой области спектра при проведении калибровки измерительного прибора только на одной длине волны; находить нижнюю оценку и относительный спектральный ход коэффициентов аэрозольного ослабления без проведения калибровки измерительного прибора.
L Предложен метод последовательного разделения спектральных коэффициентов общего ослабления на аэрозольную и молекулярную компоненты. Метод основан ни применении множественного регрессионного анализа к массиву экспериментальных данных. В качестве входных параметров, по которым выполняется разделение общего ослабления на компоненты, используются абсолютная влажность воздуха и коэффициент аэрозольного ослабления. Причем, в отличии от ранее используемой схемы разделения, входной параметр, характеризующий аэрозольную компоненту, не остается постоянным, а последовательно меняется в порядке возрастания или убывания ллпны волны. Метод позволяет проводить разделение коэффициентов общего ослабления на компоненты лаже при отсутствии корреляпионной связи между коэффициентами аэрозольного ослабления в видимой и И К. области спектра.
3. В натурном эксперименте исследован спектральный код коэффициентов
алроіодьного ослабления в области спектра 0.44-11.5 мкм в приземном слое
атмосферы аридной зоны для трех сезонов гола - весна, лею и осень.
Обнаружено, что в аридной зоне средние значения коэффициентов
аэрозольного ослабленім примерно в 2-5 раз меньше, чем в других
климатических зонах.
4. Проведено разделение коэффициентов аэрозольного ослабления
шяучения в области спектра 0.4S-II.5 мкм на компоненты: коэффициенты
ослабления излучения мелкодисперсной СХМ д (А,), среднслисперсной СХС д (А.) и
гоубодисперсной аг д (А.) фракциями аэрозольных частиц. Это позволило в
весенний период обнаружить поглощение мелкодисперсным аэрозолем в сочили А.— 9.2 мкм и среднеаисперсным аэрозолем - в облает А- 11.5 мкм. На лом основании сделан вывод о наличии сульфатов в составе мелкодисперсной фракции и о присутствии в составе среднслисперсной фракции глиноземов или карбонатов.
5. Показано, что коэффициенты ослабления излучения субмикронной и
грубодисперснои фракциями аэрозольных частиц имеют ярко выраженные
сезонные особенности:
а) коэффициенты ослабления излучения субмикронной фракцией
аэрозольных частиц ^с.м.^~^м.д..(^+^-с.а.(^ уменьшаются с ростом длины
волны в области спектра Х=0.44-2.)7 мкм в среднем по формуле Ангстрема -
**с м (^)=<*с м 0)х^--П с показателем степени П=2.4, где среднее значение
ас м (1) для весны равно -0.014 км"1, для осени —0.005 км"1, а для лета -
0.0007 км"1;
б) коэффициенты ослабления излучения грубодисперснои фракцией
аэрозольных частиц имеют спектральный ход близкий к нейтральному в области
0.48-11.5 мкм, их значения максимальны летом и составляют в среднем 0.051-
0.071 км"1, осенью они меньше в 1.3-1.5 раза (20-35%), весной - в 1.7-2.5 раза
(40-60%).
6. Исследована зависимость коэффициентов ослабления излучения
субмикронной <ХС м (к) и грубодисперснои ссг д (к) фракциями аэрозольных
частиц в области спектра ^,=0.48-11.5 мкм от относительной влажности и температуры воздуха. Показано, что немонотонное увеличение коэффициентов аэрозольного ослабления в видимой области спектра с ростом относительной влажности воздуха обусловлено вариациями коэффициента агд(Я,).
Определяющим фактором изменчивости коэффициента (Хс м (к) является относительная влажность, а коэффициента 06г д (к) - температура воздуха. При
переходе от отрицательных температур к положительным средние значения (Хг_д (к) в области спектра 0.48-11.5 мкм увеличиваются примерно на 0.01 км"1, а при изменении температуры воздуха от 0-15 С до 15-35 С коэффициенты Oj, д (к) возрастают на ~ 0.02-0.03 км"1.
7. Исследован суточный ход коэффициентов ослабления излучения
субмикронной и грубодисперснои фракциями аэрозольных частиц. Максимум и
минимум коэффициентов ослабления субмикронной фракцией приходятся на
утренние и дневные часы, соответственно, и обусловлены суточным ходом
относительной влажности воздуха. Максимум коэффициентов ослабления
грубодисперснои фракцией приходится на вечерние, ночные и утренние часы,
минимум - на дневные. Амплитуда суточного хода коэффициентов (Хг „ (к) в
области спектра 0.48-11.5 мкм максимальна летом и составляет 0.012-0.022 км"1, весной - 0.004-0.016 км"1, осенью - 0.006-0.017 км"1.
8. На основе суточного хода коэффициентов ослабления излучения
субмикронной фракцией аэрозольных частиц и относительной влажности
воздуха R для весны и осени найден параметр конденсационной активности у в
формуле типа Кастена-Хенела ас м (X,R) = ССС м (Я, 0) (1 — R / ЮО)""7 для Я,=0.55 мкм, где ас м (А,,0) - коэффициент ослабления излучения субмикронным аэрозолем при R=0. Для весны у =0.3, а для осени у =0.36.
9, Разработана двухпараметрическая модель для расчета аэрозольного
ослабления в области 10.6 мкм, входными параметрами которой являются
коэффициенты ослабления на длинах волн 0.48 и 0.69 мкм. Показано, что
предложенная модель может быть использована для большинства типов
оптической погоды.
10. На основе экспериментальных данных, полученных в атмосфере аридной
зоны на трассе длиной 4.63 км в условиях практического отсутствия
субмикронного аэрозоля и контроле ослабления излучения грубояисперсным
аэрозолем, уточнены параметры подгонки модели континуального поглощения
Арефьева В. Н. и др. в области спектра 10.6 мкм. Получено удовлетворительное
согласие модели с данными последней версии программы LOWTRAN-7.
Практическая ценность работы и внедрение результатов.
Практическая ценность работы состоит: а) в получении экспериментальных данных о спектральном ходе коэффициентов аэрозольного ослабления в видимой и ИК области спектра в аридной зоне в разные сезоны года; б) в разработке малопараметрических моделей аэрозольного ослабления позволяющих рассчитывать коэффициенты аэрозольного ослабления в И К области спектра но их значениям в видимом диапазоне длин волн; в) в уточнении параметров подгонки эмпирической формулы для вычисления коэффициентов континуального поглощения излучения парами воды в области спектра 10.6 мкм.
Полученные результаты использовались при испытаниях оптических комплексов специального назначения. Имеется дна акта внедрения.
Апробация результатов.
Основные материалы диссертации докладывались на УІІІ IX и X Всес. снмп. по распр. лаз. изл. в атмосф. (Томск, 1986, 1987, 1989 г.г.), на Y Совет, по агмосф. оптике (Томск, 1991 г.), на Пятом совеш. по распр. лаз. изл. в дисп. среде. (Обнинск, 1992 г.), на XII Мсжреспубл. симп. по распр. лаз. изл. в атмосф. и водных средах (Томск, 1993 г.), на Российской аэроз. конф. (Москва, 1993 г.), на I II и III Межреспубл. симп. "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1994, 1995. 1996 г.г.), European Aerosol Conf. (Helsinki, Finland, Sept. 18-22, 1995), Sixth ARM Science Team Meeting (San Antonio, Texas, March 4-7, 19%), Fifteenth Annual Conference of the American Association for Aerosol Research (Orlando, Florida, USA, October 14-1S, 1996), ш 111 Заседании Рабочей группы проекта "Аэрозоли Сибири (Томск, 1996 г.).
Публккации.
Результаты по теме диссертации содержатся в 12 статьях (из них 2 без соавторства), опубликованных в журналах и тематических сборниках центральных издательств, и 16 тезисах докладов Международных, Межреспубликанских и Всесоюзных симпозиумов и совещаний.
На защиту выносятся следующие основные положения.
-
Разработанный статистический метод коррекции величины и спектрального хода коэффициентов аэрозольного ослабления в видимой и ИК области спектра позволяет: а) исключать систематические погрешности в коэффициентах аэрозольного ослабления во всей исследуемой области спектра при проведении абсолютной калибровки измерительного прибора на нескольких длинах волн; б) получать абсолютные значения коэффициентов аэрозольного ослабления во всей исследуемой области спектра при проведении калибровки измерительного прибора только на одной длине волны; в) находить нижнюю оценку и относительный спектральный ход коэффициентов аэрозольного ослабления без проведения калибровки измерительного прибора.
-
В аридной зоне величина коэффициентов ослабления излучения субмикронной и грубодисперсной фракциями аэрозольных частиц в области спектра 0.44-11.5 мкм имеют ярко выраженные сезонные особенности:
а) коэффициенты ослабления излучения субмикронной фракцией
аэрозольных частиц максимальны весной, осенью они меньше примерно в 3
раза, летом - в 20 раз;
б) коэффициенты ослабления излучения грубодисперсной фракцией
аэрозольных частиц имеют спектральный ход близкий к нейтральному в области
0.44-11.5 мкм, их значения максимальны летом и составляют в среднем 0.051-
0.071 км"1, осенью они меньше в 1.3-1.5 раза, весной - в 1.7-2.5 раза.
-
Для большинства типов оптической погоды коэффициенты аэрозольного ослабления в ИК области спектра могут быть рассчитаны с погрешностью не хуже 0.025 км"1 или 30% по единой эмпирической модели, входными параметрами которой являются коэффициенты аэрозольного ослабления на двух длинах волн в видимой области спектра.
-
Прозрачность атмосферы в области спектра 10.6 мкм, обусловленная континуальным поглощением излучения парами воды, может быть вычислена по уточненной эмпирической модели, входными параметрами которой являются абсолютная влажность, температура и давление воздуха, со среднеквадратической погрешностью равной 0.017.
