Аппаратура, методы и результаты радиофизических исследований атмосферного озона

• Автор: Соломонов, Сергей Вячеславович
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 289 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
Введение
Глава 1. Озоносфера как объект радиофизических исследований
1.1. О проблеме озона
1.2. Задачи радиофизических исследований озоносферы
1.3. О задаче математического моделирования,при изучении спектров радиоизлучения атмосферы
1.4. Основные соотношения для описания теплового радиоизлучения земной атмосферы
1.5. Общее выражение для коэффициента поглощения
1.6. Применение теории излучения радиоволн к задачам дистанционного зондирования
1.7. О влиянии атмосферных процессов на пространственное распределение излучающих газов
1.8. Выводы
Глава 2. Методы и результаты теоретического исследования спектров радиоизлучения озона и других газов атмосферы
2.1. О программах расчета спектров радиоизлучения атмосферы и решения обратной задачи дистанционного зондирования
2.2. Спектры атмосферы при наблюдениях с поверхности Земли
2.3. Наблюдения с аэростата
2.4. Наблюдения с искусственного спутника Земли
2.5. Требования к аппаратуре субмиллиметрового диапазона
2.6. Расчеты спектров атмосферного озона при наблюдении с поверхности Земли
2.7. Оптимизация характеристик спектрорадиометра для наблюдения озоносферы 94
2.8. Исследование точности восстановления профилей озона
2.9. Выводы
Глава 3. Аппаратура ФИАН для радиофизических исследований атмосферного
озона
3.1. Из истории вопроса
3.2. Принципы построения радиометрической аппаратуры
3.3. Аппаратура для исследований атмосферного озона с поверхности Земли
3.4. Выводы
Глава 4. Спектрорадиометр для наблюдений вертикального распределения атмосферного озона на миллиметровых волнах
4.1. Состав и основные параметры
4.2. Основные узлы спектрорадиометра
4.3. Методика исследования спектрорадиометра с преобразователем частоты на планарном диоде с барьером Шоттки
4.4. Методика спектральных наблюдений атмосферного озона на миллиметровых волнах
4.5. Выводы
Глава 5. Результаты наблюдений атмосферного озона на миллиметровых волнах
5.1. Общая характеристика программы наблюдений озонного слоя
5.2. Наблюдения вертикального распределения озона над Московским регионом по международным программам DYANA, CR1STA/MAHRSI, SOLVE 2000
5.3. Наблюдения озоносферы в период 1987-1991 гг
5.4. Одновременные наблюдения озоносферы на миллиметровых волнах над Московским регионом, над Швецией, Францией и в высоких широтах
5.5. Результаты мониторинга вертикального распределения озона над Москвой
5.6. Наблюдения мезосферного озона
5.7. Выводы
Глава 6. О некоторых закономерностях высотно-временного распределения озона
6.1. Общий характер изменений вертикального распределения озона
6.2. Влияние динамики атмосферы на вертикальное распределение озона
6.3. Озон в полярном вихре и межгодовая изменчивость состояния озоносферы
6.4. Колебания и волны в озоносфере
6.5. Озон в верхней стратосфере
6.6. Обсуждение результатов
6.7. О перспективах развития аппаратуры и радиофизических методов мониторинга атмосферы
6.8. Выводы
Заключение
Литература
ВВЕДЕНИЕ
В работе представлены результаты создания высокочувствительной спектральной аппаратуры и эффективных методов дистанционного зондирования озоносферы в сверхвысокочастотном диапазоне (СВЧ) диапазоне, на миллиметровых (ММ) волнах, а также представлены результаты мониторинга вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере этими методами, показывающие эффективность дистанционного зондирования озоносферы на ММ-волнах с поверхности Земли.
Миллиметровые волны - это область спектра длин волн между 1 мм и 10 мм, соответствующая частотам колебаний от 30 ГГц до 300 ГГц. Рассмотренные в работе радиофизические спектральные методы изучения земной атмосферы основаны на регистрации спектров теплового радиоизлучения атмосферных газов в указанной области длин волн. Эти методы называют также радиоастрономическими, поскольку они широко используются для решения задач радиоастрономии [1-5] с применением радиометров и крупных радиотелескопов. Для подчеркивания их отличия от традиционных оптических методов дистанционного зондирования атмосферы рассматриваемые ниже радиофизические методы нередко называют также микроволновыми.
Актуальность работы обусловлена важностью рассмотренной в работе проблемы происходящих в атмосфере глобальных изменений концентрации важнейших малых газовых составляющих атмосферы, наметившейся убылью содержания озона, возникновением таких аномалий, как озонные «дыры». Озабоченность по поводу надежности атмосферной системы как основы биосферы неоднократно высказывалась на представительных научных форумах. При этом отмечался значительный уровень неопределенности в решении проблемы глобальных изменений в атмосфере, в ее защитном озонном слое из-за отсутствия необходимой информации об эволюции окружающей среды под влиянием естественных причин и антропогенных факторов [6-23].
Как показывает опыт проводимых исследований, в решении этой проблемы важную роль играет дистанционное зондирование атмосферы Земли, использующее бортовые и наземные методы наблюдения в различных участках спектра электромагнитных волн [4-6,11-18, 21-43, 48, 49]. Одним из наиболее эффективных способов получения ценной информации об атмосферных параметрах и происходящих в атмосфере изменениях является дистанционное зондирование атмосферы упомянутыми выше радиофизическими методами.
Дистанционное зондирование в этой области спектра имеет ряд достоинств. В диапазоне ММ-волн сосредоточены многочисленные спектральные линии озона, водяного пара, окиси хлора и ряда других газов, играющих ключевую роль в атмосферных

Здесь к - постоянная Планка, к - константа Больцмана, с - скорость света. Коэффициент 2 в числителе учитывает обе поляризации излучения.
А.Эйнштейн в своей классической работе «О квантовой теории излучения», вышедшей в 1917 г., показал, что для вывода формулы излучения Планка надо учитывать два типа процессов [26]: 1. Спонтанное излучение, при котором частица (атом) самопроизвольно переходит из верхнего состояния в нижнее с испусканием кванта /гг
2. Вынужденное излучение, вероятность которого пропорциональна плотности излучения на частоте У. Кванты вынужденного излучения имеют направление, совпадающее с направлением падающего на частицу излучения. Это вызывает уменьшение коэффициента поглощения. Наблюдаемое поглощение является разностью собственно поглощения и вынужденного испускания.
Соотношения, характеризующие равновесное тепловое излучение, используются* в радиофизике (например, в радиоастрономии или при исследовании радиоизлучения земной атмосферы) для описания излучения, нагретого объема газа во внешнем (по отношению к этому объему) пространстве. Такое описание справедливо, если считать, что излучение не нарушает распределения температуры в излучающем объеме, т.е. состояние внутри этого объема можно считать равновесным. В дальнейшем принимается справедливость приближения локального термодинамического равновесия (л.т.р.) в излучающих слоях. Л.т.р. нарушается при условиях, когда радиационное время жизни возбужденных молекул становится меньше времени жизни, определяемого« столкновительными процессами, В качестве меры выполнимости условий л.т.р. часто используется отношение функции источника к излучению абсолютно черного тела [27 ]. Оценки, приводимые в литературе, свидетельствуют о том, что для рассматриваемых частот основных спектральных линий радиодиапазона л.т.р, выполняется в земной атмосфере на высотах вплоть до 100 км и, возможно, выше [28-30], т.е. на всем интервале высот, где формируется тепловое радиоизлучение в тропосфере, стратосфере и нижней термосфере.
В интегральной форме уравнение переноса излучение можно записать в виде [7, 21-
25]:
(1.5)

где т является оптической толщиной, определяемой соотношением:

(Кб)