Пространственно-временная структура озонового слоя Земли по данным микроволновой радиометрии

• Автор: Куликов, Юрий Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 200 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТЕЙ НАЗЕМНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ МАЛЫХ ГАЗОВЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ ДЛИН ВОЛН
1.1 Расчет интенсивности и формы спектральных линий примесных газов в земной атмосфере
ГЛАВА 2. АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ ЛИНИЙ ВРАЩАТЕЛЬНОГО СПЕКТРА МАЛЫХ ГАЗОВЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ
2.1. Основные принципы построения спектрорадиометров миллиметрового диапазона длин волн для исследования атмосферных примесных газов
2.2. Описание спектрометров миллиметрового диапазона длин волн для исследования стратосферного озона
2.2.1. Анализатор спектра для исследования в окне прозрачности атмосферы с центром на волне ~ 1.3 мм

2.2.2. Гетеродинные спектрометры диапазона частот 110 - 150 ГГц и 80 -110 ГГц

2.2.3. Двухлучевой гетеродинный спектрометр с компенсационным приемником диапазона частот 80 -120 ГГц

2.3. Методика спектральных наблюдений атмосферных газовых составляющих

2.3.1. Измерение оптической толщины по методу Бугера
2.3.2. Методика измерения оптической толщины по собственному излучению атмосферы (метод «разрезов»)
2.3.3. Измерение яркостной температуры небосвода в линии озона методом абсолютной калибровки
ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОЛИЧЕСТВЕННОГО СОСТАВА ВЕРХНЕЙ
АТМОСФЕРЫ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ СПЕКТРАЛЬНЫХ НАБЛЮДЕНИЙ
3.1. Критерии в оценке интегрального содержания озона в стратосфере
Земли
3.2. Восстановление высотного профиля плотности озона по результатам спектральных наблюдений
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ МИКРОВОЛНОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ СОДЕРЖАНИЯ ОЗОНА В СТРАТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ УМЕРЕННЫХ ШИРОТ. МАЛОМАСШТАБНАЯ ПРОСТРАНСТВЕННАЯ СТРУКТУРА ОЗОНОВОГО СЛОЯ

4.1. Обнаружение переменности линий озона на высотах более 20 км над горами Заилийского Алатау
4.2. Исследование вариаций стратосферного озона с разной временной продолжительностью над Нижним Новгородом
4.3. Поверка (валидация) измерений вертикального распределения озона с борта космического аппарата CRISTA над Нижним Новгородом методом наземной микроволновой радиометрии
4.4. Обнаружение «озоновых облаков» с помощью двухлучевого микроволнового спектрометра
ГЛАВА 5. МИКРОВОЛНОВАЯ ДИАГНОСТИКА СТРАТОСФЕРНОГО ОЗОНА В ПОЛЯРНЫХ ШИРОТАХ
5.1. Микроволновые наблюдения вариаций стратосферного озона разного временного масштаба над Кольским полуостровом
5.2. Сопоставление данных микроволновых измерений с данными других методов, полученных во время комплексного эксперимента по изучению озонового слоя на острове Хейса (Земля Франца-Иосифа)
5.3. Исследование связи между вариациями озона и температуры в стратосфере Арктики
5.4. Некоторые особенности поведения озона в Антарктиде по измерениям на мм-волнах в период возникновения озоновой «дыры»
5.5 Влияние солнечных протонных событий на полярный озон на высотах 30 - 50 км
ГЛАВА 6. ПОЛЯРНЫЙ ВИХРЬ И ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ НЕОДНОРОДНОСТИ В ОЗОНОВОМ СЛОЕ
6.1. Обнаружение пространственных неоднородностей в стратосферном озоне над Северной Скандинавией
6.2. Связь между состоянием циркумполярного вихря и пространственно-временными вариациями озона по данным синхронных наблюдений в умеренных и полярных широтах зимой 1999/2
ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Интерес к исследованию малых газовых составляющих атмосферы, таких как озон 03, окислы азота (ИОх,М20,НИОз), водородные соединения (Н20,Н202,Н0х), соединения хлора С10х и другие обусловлен рядом причин. Это семейство газов, несмотря на их малое количество (0.1% от всей атмосферы), определяет физико-химические процессы на высотах от 20 до 100 км - это поглощение и излучение радиации, распределение температуры в стратосфере, динамику и циркуляцию средней атмосферы, и её загрязнение. Особое место среди них занимает озон.
Хорошо известно, что озон защищает биосферу Земли от ультрафиолетового излучения Солнца и даёт значительный вклад в парниковый эффект.
Поглощение солнечной радиации в атмосфере сравнительно невелико. Излучение Солнца поглощается, в основном, водяным паром, озоном (и кислородом) и в небольшой степени углекислым газом, аэрозолем и облаками. Водяной пар обладает слабыми полосами поглощения в видимом свете (при X = 543 - 847 нм) и в ближней инфракрасной области. Аэрозоль в среднем поглощает так же, как и водяной пар. Углекислый газ имеет пять полос поглощения в ближней инфракрасной области X —
1.4 - 4.3 мкм, но настолько слабых, что ими при расчетах обычно пренебрегают. Озон имеет две сильные полосы поглощения в ультрафиолетовой области - полоса Хартли X = 220 -290 нм и полоса Хюггинса X =310 - 360 нм, в которых в сумме поглощается около 4 % энергии солнечного излучения, а также слабую полосу Шаппюи в видимом свете с максимумом около 602 нм. Кислород поглощает ультрафиолетовое излучение в полосе X = 130 - 240 нм и имеет две узкие линии поглощения в видимом свете при Х=690 и 760 нм. Всей атмосферой поглощается около 20 % падающей на неё солнечной энергии. Примерно одна пятая часть поглощённой энергии приходится на озон.
Озон 03 является единственным газом атмосферы, который эффективно
поглощает солнечное излучение в полосе Д=250 - 300 нм. Известно, что органические молекулы, такие как ДНК (дезоксирибонуклеиновая кислота), могут разрушаться при поглощении излучения в этом спектральном интервале. Таким образом, понижение содержания 03 может привести к серьёзным биологическим последствиям. Поэтому вопрос о стабильности озонового слоя (высота максимума

замечаниями полосу анализа микроволнового озонометра следует выбирать не менее 100 МГц. С другой стороны, учитывая, что выше 70 км доминирующим в уширении линии является допплеровский механизм, слабо зависящий от высоты (величина Ду0 принимает значения 100 -200 КГц), можно заключить, что спектральное разрешение можно ограничить величиной 100 КГц.
Другим требованием является чувствительность спектрорадиометра, достаточная для уверенной регистрации спектральных линий. Этим требованиям отвечает супергетеродинный тип приёмника [90,91]. В настоящее время анализ микроволновых спектров примесных газов атмосферы ведётся с помощью приборов, выполненных по супергетеродинной схеме, которая обеспечивает достаточную чувствительность, широкую полосу анализа и высокое спектральное разрешение.
Основными параметрами, характеризующими радиометр ММ и СБММ волн, являются его шумовая температура Тш, полоса принимаемых частот Ду и
постоянная времени выходных цепей 1:ВЬ1Х. Эти три параметра определяют
температурную чувствительность радиометра ДТ, выражение для которой записывается в виде:
где а - коэффициент, который зависит главным образом от схемы радиометра.
Самым важным элементом, определяющим параметры гетеродинного приёмника, является смеситель. В качестве нелинейного элемента смесителя могут использоваться ОаАэ-диод Шоттки, сверхпроводниковый квантовый детектор, например квазичастичный туннельный переход, или охлаждаемый жидким гелием 1пБЬ болометрический смеситель. Для всех приёмников достижимое отношение сигнал/шум определяется выражением:
ДТ = а^=Ш=
V ’ ^вых
(2.1)
(2.2)