Исследование атмосферного озона и закиси азота методом дистанционного зондирования в трехмиллиметровом диапазоне

• Автор: Савельев, Дмитрий Валерьевич
• Шифр специальности: 01.04.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Нижний Новгород
• Количество страниц: 104 с.

Оглавление
Введение
Глава 1. Аппаратура и методика измерения теллурических
линий примесных газов атмосферы
1.1. Формирование теллурических линий
1.2. Теоретическое обоснование параллельнопоследовательного анализа спектра
1.3. Описание спектрорадиометра
1.4. Методика наблюдений
Глава 2. Наблюдения теллурических линий озона
2.1. Расчет вертикального поглощения радиоволн
в линиях вращательного спектра озона
2.2. Результаты наблюдений линий озона
2.3. Восстановление высотных профилей озона
2.4. Сравнение интенсивностей измеренных линий
с общим содержанием озона
2.5. Сравнение отношения интенсивностей линий озона
с солнечной активностью
Глава 3. Наблюдения атмосферной линии закиси азота
3.1. Геофизические параметры закиси азота
3.2. Расчет теллурической линии закиси азота
3.3. Особенности методики наблюдений закиси азота
3.4. Результаты измерений линии закиси азота
3.5. Оценки высотных профилей закиси азота
Заключение
Приложение. Система управления и накопления данных
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
Развитие методов дистанционного зондирования атмосферы является в настоящее время актуальной задачей. Для изучения атмосферы и ее мониторинга необходим комплексный подход с использованием различных методов. Наземное дистанционное зондирование имеет ряд преимуществ по сравнению с балонными, ракетными и спутниковыми методами. Это возможность проведения долговременных непрерывных измерений независимо от сезона и времени суток, дешевизна и экологическая безвредность наземных приборов по сравнению с аппаратурой, устанавливаемой на носителях. Традиционно (с 60-х годов XX века) для зондирования атмосферы используются радиометры инфракрасного диапазона [1]. Однако с 80-х годов активно развиваются радиоастрономические методы исследования атмосферы. Микроволновый диапазон для дистанционного зондирования имеет существенные преимущества; прежде всего это слабая зависимость от присутствия в атмосфере аэрозолей и легкой облачности. Кроме того, с уменьшением частоты увеличивается высотный предел дистанционного зондирования.
Сущность метода состоит в измерении излучения атмосферы на частотах вращательных переходов атмосферных газов. Атмосферные спектральные линии - теллурические линии - несут информацию об общем содержании и распределении по высоте исследуемых газов. Диапазон высот микроволнового дистанционного зондирования -примерно 20...70 км - также выгодно отличает его от других методов. Верхний предел дистанционного зондирования (т. е. максимальная высота, до которой данный метод позволяет получать информацию о высотном строении атмосферы) определяется высотой, на которой ширина теллурических линий перестает зависеть от высоты. Подробно об уширении теллурических линий будет сказано в п. 1.1. Здесь приведем лишь аргументацию в пользу радионаблюдений. С ростом частоты увеличивается доплеровское уширение ли-

ний, что снижает верхний предел дистанционного зондирования. Представление дает рис. 1, на котором в зависимости от частоты показана высота, на которой доплеровский механизм уширения теллурических линий начинает преобладать над соударительным механизмом (для О3 и N20 - газов, о которых идет речь в данной работе). При этом исчезает зависимость ширины спектральных линий от давления, и следовательно, от высоты. В связи с этим пропадает возможность изучения высотного строения атмосферы по данным наземных наблюдений. Поэтому высоту, начиная с которой ширина линий перестает зависеть от высоты, называют верхним пределом дистанционного зондирования. В миллиметровом диапазоне (~1011 Гц) верхний предел составляет ~70 км, в то время как в ИК диапазоне (~1013 Гц) 40 км. Следовательно, радиодиапазон, в отличие от ИК, может быть использован для изучения гораздо более высоких слоев атмосферы - верхней стратосферы и нижней мезосферы. Отметим, что максимальная высота подъема зондов составляет примерно 40 км.
Основными газами, поглощающими электромагнитное излучение в микроволновом диапазоне, являются водяной пар и кислород. В линиях поглощения этих газов атмосфера становится практически непрозрачной для радиоволн. Однако в частотных интервалах между этими линиями, так называемых окнах прозрачности, значительный вклад в общую оптическую толщу атмосферы могут вносить линии примесных атмосферных газов (малых составляющих), таких как озон, окислы углерода и азота.
Среди примесных газов особо выделяется озон. Ультрафиолетовое излучение с длинами волн 240-320 нм поглощается озоном и превращается в конечном итоге в тепло, чем обусловлено увеличение температуры в стратосфере с высотой [80]. Таким образом, озон играет важную роль в физике атмосферы и имеет большое влияние на жизнь на Земле, защищая ее поверхность от ультрафиолетового излучения. За годы эволюции биосфера нашей планеты приспособи-

[52], для заданного нерезонансного поглощения Г0 имеется оптимальное с точки зрения отношения сигнал/шум направление в1 :
вес = —. (1.4.7)

Методика измерений, принятая в данной работе, основана на методе разрезов. Этот метод хорошо апробирован и неоднократно описан в литературе (см., например, [53]). Однако наблюдения озона имеют свои особенности в связи с тем, что озоносфера расположена значительно выше слоя атмосферы, ответственного за нерезонансное поглощение радиоволн. При таких условиях необходим учет неизо-термичности атмосферы.
Кроме того, коррекцию в выражение для оптической толщины необходимо вносить при наличии в приемной аппаратуре побочных каналов приема. В приемнике с преобразованием частоты одним из основных побочных каналов является зеркальный канал. Соответствующий наблюдаемой линии диапазон частот в зеркальный канал не попадает. Но по нему принимается нерезонансное излучение, и это
вносит погрешность в измерение поглощения в резонансной
(соответствующей наблюдаемой линии) области спектра. Ошибка возникает из-за того, что радиоизлучение исследуемого газа принимается только в один канал приемника, а нерезонансное излучение атмосферы - в оба.
Указанные особенности требуют введения корректировки в выражение (1.4.6) для оптической толщины.
Основное нерезонансное поглощение радиоволн миллиметрового диапазона происходит в тропосфере, температуру которой можно принять равной
Г(Л) = Т0- и>к, (1.4.8)
где Т0 - температура в приземном слое воздуха, к - высота над
уровнем моря и ю = 6,5 К/км - градиент температуры в тропосфере.