Введение к работе
Актуальность темы.
Исследования аэрозольных слоев атмосферы все более инициируется, с одной стороны, интересом к кии как к специфичным атмосферном образованиям, отличащимся своїми происхождением к законами существования, и, с другой сторої і, их значительным влиянием на погоду и климат в целом.
Изучение пространственно-временных вариаций стратосферного аэрозоля является одной из важнейаих составных частей исследований закономерностей существования наиболее мощного аэрозольного слоя средней атмосферы. Зги исследования приобретает1 особое значение учитывая отмечаемую в последнее гремя взаимосвязь состояния этого слоя с состоянием озокослоя Земли» Работа над созданием адекватной ' модели стратосферного аэрозольного слоя, впервые обнаруженного прямыми методами Х.Юнге в 50-х годах, обязательно должна включать исследование динамики стратосферы и, в частности, самого аэрозольного слоя» Причем, с точки зрения как физккя стратосферного аэрозоля, так и ряда прикладних задач (одной из которых является прогностическое моделирование атмосферных геофизических процессов) следует рассматривать изучение регулярных флуктуалий различных компонент стратосферы, в их связи с основными метеоэлементами атмосферы, как одну из наиболее вачкых задач. Необходимо отметить и важность задачи разработки методов исследования динамики физических процессов, происходящих в средней атмосфере, используя аэрозоль стратосфера и кезосферы в качестве трассера.
исследование таких флуктуации, особенно среднего и малого пространственно-временного ы&езтаба требует достаточно высокого пространственного и временного разрепеккя, оперативности,- при этом методы исследований долкны быть, по возможности, дистанционными и бесконтактными. Этим требованиям в наиболее полной мере удовлетворяет метод лазерного зондирования атмосферы. Кроме того, исследование пространственно-временных вариаций яидарного сигнала при его прохождении через атмосферу является само по себе важной прикладной задачей внутри и внеатмосферной лазерной локации.
Состояние вопроса.
Развитие в последние гсды как прямых, так и дистанционных методов исследования атмосферы позволило продолжить планомерное изучение стратосферного аэрозоля, начатое ецэ в работах по прожзк-
торному, аэростатному к сумеречному зондированию. Так, модель атмосферного аэрозоля, предложенная Эдьтерманои по результатам прожекторного зондирования была одной из первых, которая учи«ыв*ии» существование аэрозольного слоя на высотах 10-30ки. Дальнейшие нс-следования» выполненные как с пожядья оптических, так н с помощью импакторнкх к фильтровых приборов на аэростатах, самолетах и метеоракетах, а, в особенности, ямдарнне методы позволили конкретизировать сведения о стратосферном аэрозольном слое. Достигнутые к нас-тояцеуу Ереиеня результаты исследования стратосферного аэрозоля достаточно хорошо освещает средние физические, химические и оптические свойства аэрозольных частиц стратосферы. Сформировано представление о средней глобальном распределении стратосферного аэрозоля, его вертикальном распределении ь спокойные и послевулкакическне периоды. 3 то ке время, остаются неизученными и тонкие детали поведения стратосферного аэрозоля, необходимые для всестороннего понимания природа стратосферно.-о аэрозоля. Так, многие исследователи наблюдают проявление тонкой структура высотных профилей концентрация аэрозолей и их оптических характеристик в стратосфере, однако отсутствие достаточно длительных временных рядов наблюдений не по.-зсляет предпринять попытку объяснить эффект расслоения. То же самое ьгаяно сказать . о наблздаемых как в пряшх, так v дистанционных исследованиях вариациях содержания аэрозоля внутри отдельных слоев в ста-тосфере.
Было установлено, что . л? еысотныз профили счетной концентрации частиц аэрозоля, так ш оптические характеристики стратосферного аэрозоля на разных уровнях варьируют в течение нескольких суток и даже нескольких часов. Подобные изменения особенно заметны в периоды повышенно" замутненности стратосферы после крупных извержений вулханов. То есть, строго говоря оптико-физические модели стратосферы должны учитывать динамику ее аэрозольной составляющей. Лидарные исследования динамики средней атмосферы проводились группой французских исследователей, где изучались флуктуации плотности атмосферы на высотах 30-80км в предположении существования только релеевского рассеяния (отсутствия аэрозоля), и группами М.Ф.Лагутина, Я.Бда^о-на и Б.Клемешя по исследовании динамики слоя атмосферного натрия методом резонансного рассеяния. Установлено, что флуктуации свето-рассеивагх^их компонент атмосферы, а такле флуктуации концентрации и высоты слоя натрия могут иметь регулярный характер. Причем периоды
флуктуации обычно легат в пределах от нескольких минут до нескольких часов.
Жндарные исследования стратосферного аэрозоля, особенно в периода вулканической активности показали сезоннуа зависимость висоти максгкуш аэрозольного слоя, корреляция профилей аэрозоля к температуры, тенденции к постепенному уменьшения отношения обратного рассеяния (отношение суммарпго наблюдаемого коэффициента обратного рассеянкя к только молекулярному коэффициенту обратного рассеяния) до фонових величин в после-вулканические периоды, В ряде работ наблцдались я быстрые вариации отношения обратного рассеяния, но прггрода кх осталась невыясненной.
Та;<:ед образец, назрела необходимость систематических экспериментальных ксследованиГі стратосферного аэрозоля и формирования на кг основе представления о динамических процессах з стратосфере, взаимодействующих с асрозолеи и влияецих на его 31100:1 стратификации и просхранственно-вреискку» изменчивость.
Цель работы.
Проведение лидаркых исследований пространственно-прекеннкх вариаций оптических характеристик стратосферного аэрозоля з горккх условиях и разработка для этих цалеЁ, соетветствущих кетодкк и аппаратуры.
Основные задачи работы заключались з следупцеи: -обоснование применимости лвдарного метода к исследовании периодических пространственно-временных вариаций оптического сигнала, обусловленного стратосферным аэрозолей;.
-разработка методики изучения волновых процессов на высотах стратосферы, протекащкх с участием аэрозоля;
-разработка лидарного комплекса на базе I-иетрового астрономического телескопа для исследования динамики атмосферы; -проведении регулярных лидаркых наблюдений за динамикой стратосферного аэрозоля над Северный Тянь-Шанеы и построении на их основе физической модели короткопериодных: (от минут до единиц часов) воз-гсп;ений стратосферного аэрозоля.
Основные положения, вкносгааге на защиту: I.Использование стратосферного аэрозоля в качество трассера, обусловленное тесной связьп обратного аэрозольного рассеяния с концентрацией аэрозольных частиц и эффектом увлечения стратосферного as- ' розоля дрейфоЕнм двкз.ениек в поле волновых возкучений, позволило применить лидарный метод для обнаружения и кеследовакия пространственно-временных неодаородностей стратосферы. Выявление пзркоди-
- б -
ческкх флуктуации аэрозольной компоненты лкдарного сигнала основывается на исследовании спектральным эурье-акализом вре?енныж рядов отношения измеряемого суммарного коэффициента обратного рассеяния Ol (W) к расчетному молекулярному (^„(Н). 2.Исследований с помощью яидара ка базе 1-метрового телескопа периодичности флуктуации отношения обратного рассеяния R(H)~TrIH)/Thh(H) з диапазоне периодов от б до 130 ыин„ обладав? следующими особенностями:
-спектры мощности флуктуации й (fi ), как правило, имеют два макск мула, один в диапазоне периодов 50-90 шн., второй - 15-30 мин.; "Изменение спектров мощности флуктуации R (Н) в стратосфере приходится на область высот ветровых сдвигов и изменений температурных градиентов.
3.Факторами, влияющими на периодические флуктуации R (,Н) являются Ебмуцения, генерируемые вечерним солнечным терминатором, и орографические возмущен'/я, при этом:
-солнечный терминатор увеличивает дол» высокочастотных флуктуации R (Н ) а вечерние часы (после захода Солнца) по сравнению с утренними (лредвосходными);
-добавки в спектры мощности флуктуации R (Н ) орографических воз-мущениГ явг.«"7гся особенностью горных условий; -орографические и терыинаторкые волновые возмущения являются одной из причин пространственных неоднородностей в стратосфере.
Научная новизна результатов работы.
Разработан к введен в действие оригинальный комплекс аппаратуры на базе 1-метрового астрономического телескопа для исследования средней атмосферы методом лазерного зсндировшия.
Впервые проведены регулярные лидарные исследования стратификации и пространственно-временной изменчивости стратосферного аэрозоля в горных ус-овиях Северного Тянь-Шаня.
Проведенные лидарные исследования позволили получить ряд новых результатов:
-об:іарулекн периодичности в движении стратосферного аэрозоля, пс-хучены спектральные оценки врсызтых рядов наблюдений отношения обрагноі'о рассеяния для диапазона высот 10-35 км, позволяющие сделать ьывод о значішоеги возмущений от различных источников (в том чигзь орографические возмущения);
-пслу^егіьі экспериментально и подтверждены расчетами данные о пространственной трансформагии спектров мощности флуктуации откоеєііик
Обнгручодаге и ксслсдогэккнз закономерности в динамике стрз тссферпого аэрозоля ко гут быть использованы згри создании динамической модели атмосфери» Д&нна-э о периодкчесй.чх пространственно-временных вариациях о?но'дс;пія обратного рассеяния необходим при разработке методик;: стратосферного аэрозольного мониторинга, а таете методга лаэерноГ: локации, требущих учета флуетуаций "помехи обратного рзеейяник". Методика, позволяющая изуеть зэдновие пронесен в средней атмосферо (особенно в області! нейтральной атмосферы) необходима при проведении зеошлеяских нсслвдоеяннй распространения золновьос возмущений через атмосферу к» в частности, передачи энергии из тропосфера в ионосферу.
Конкретний данные работа и методика псеяедозанкй могут быть использопаш при изучении влияния различны* ксточнннов bojjkoeijx возмущении на перенос оптического излучения в атмосфере, стимулировать исследования лвдаркым методом геофизических процессов, происходящих 2 средней атмосфера, используя атмосферный аэрозоль в качестве трассера.
Использование ое.зультатдв_работ!Ь
Содержащиеся в диссертации результаты исследований использованы б Институте Оптики Атмосферы СО АКСССР при разработке прогностической модели оптико-физячееккх характеристик стратосферы; в Институте Ионосфера All Казахской ССР при создании методик комплексного изучения распространения волновых возмущений в атмосфере; з Астрофизической институте АН Казахской CCF при разработке методик, аппаратура н проведении лазерного зондирования стратосферного аэрозоля.
дкаом ювтжкйї. ыеуодкчьскюс и эксперименгазыъз, скибокв а такге сзчествёк-ж согласием еыьсдов с результатами ргдпофнз'^еских, рим-тнк*: и спутниково наследований средней атмосферы и модельных растит о у о
Оскойгна гез^нь'А'гтьг работы докладывались к обсуждались на П и Ш Всесоюзных совец&шгос по распространении оптического излучения в дисперсной среде (Обнинск, 2982, 1985); УШ (Томск, 1585) и IX (Красноярск, 1987) Всесоюзных симпозиумах по распространению лазерного излучения в атмосфере; УШ (Туапсе, 1986) Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондирования атмосферы; ХУ Всеаоюэной конференции по распространению радиоволн (Алма-Ата, 1987); И Всесоюзном совещании советских участников программы ВАГС (Иссык-Куль, 1988); на семинарах Астрофизического института АН Каз.ССР, Проблемного Совета "Астрономия и физика ионосферы", лабораторий Института Оптики Атмосферы.СО АНСССР (е том числе совместных с кафедрой "ОЭП" ТГУ), лаборатории "Оптических исследований атмосферы" Астрофизического кчститута АН Каз.ССР.
Структура и объем работы.
