авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Исследование устойчивости теплового режима поверхности земли и расчет параметров атмосферы по ик спектрам высокого разрешения

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Захаров Вячеслав Иосифович

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА

ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ

ПО ИК СПЕКТРАМ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ

Специальность 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Екатеринбург – 2009

Работа выполнена на кафедре общей и молекулярной физики в лаборатории глобальной экологии и спутникового мониторинга Уральского государственного университета им. А.М. Горького

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Фомин Борис Алексеевич доктор физико-математических наук, профессор Селезнев Владимир Дмитриевич доктор физико-математических наук, член корр. РАН Васин Владимир Васильевич

Ведущая организация: Томский государственный университет

Защита состоится «_14_» мая 2009 г. в 15.00 на заседании диссер тационного совета Д 212.286.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук при Уральском государственном университете им. А.М. Горького (620083, г. Екатеринбург, К-83, пр. Ленина 51, комн. 248).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Уральского государственного университета им. А.М. Горького.

Автореферат разослан «» 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.286.01, доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Н.В. Кудреватых

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность За минувшее столетие в парниковом эффекте отчетливо проявилась пе ременная составляющая, наблюдается резкое повышение содержания ключевых парниковых газов (СО2, СН4 и др.) в атмосфере, сопровождающееся ростом среднегодовой температуры поверхности Земли. Вековой тренд термического режима системы «атмосфера-поверхность» привел к наблюдаемым уже невоо руженным глазом климатическим изменениям, таким как масштабное таяние ледников. Отмечается рост ежегодного количества и мощности экстремальных метеорологических событий: ураганов, наводнений и т.п. Согласно данным па леоклиматических исследований, Petit J.R. et al 1999;

Jouzel J. et al 2007, тепло вой режим нашей планеты следует определенным циклам потепления и похолодания, коррелирующими с изменением содержания СО2 и СН4 в атмо сфере. Максимальные вариации температуры поверхности между циклами со ставляют до 10 градусов. В настоящий период Земля находится в очередном цикле потепления, начавшемся около 10 тыс. лет. Однако, существенной отли чительной особенностью нынешнего цикла является то, что количество накоп ленного СО2 и СН4 в атмосфере сейчас значительно превышает их значения когда либо имевшие место за последние 800 тыс. лет. Минимальные и макси мальные значения СО2 и СН4 в атмосфере за эти 800 тыс. лет до индустриаль ного периода составляли соответственно около 190 ppm и 290 ppm по углекислому газу и около 350 ppb и 750 ppb по метану. Концентрация СО2 в со временной атмосфере Земли составляет около 380 ppm, а концентрация СН около 1800 ppb и произошел этот скачок за последние примерно 150 лет. Ано мально высокое содержание ключевых парниковых газов в современной атмо сфере и главным образом большая скорость их накопления в настоящее время указывает на возможность антропогенного характера современных процессов.

Вероятно, имеющее место за последние 100-150 лет резкое увеличение концен трации парниковых газов в атмосфере связано с аграрной и индустриальной и активностью человека. Следствием чего стало размыкание углеродного цикла и накопление СО2 в атмосфере, Bolin B. 1977;

Горшков В.Г. 1995;

Kondratyev K.Ya. 1998;

Kondratyev K.Ya., Krapivin V.F., Varotsos A. 2003. Рост температуры поверхности в свою очередь способствует увеличению эмиссии углекислого га за из таких резервуаров как океан и карбонаты земной коры, где его запасы ог ромны и достаточны для создания давления в десяток атмосфер, практически как на Венере. Также с увеличением температуры поверхности возрастает ве роятность выхода большого количества CH4 в атмосферу из метаногидратов.

Растущий парниковый эффект на Земле становится важной научной про блемой современности (Будыко М.И. 1980;

Bach W. et al, 1987;

Клименко В.В. и др. 1994, 2001;

Kondratyev K.Ya. 1998, 2003;

Bolin B. 2003;

Марчук Г.И. 2003;

Израэль Ю.А. 2003;

Lovelock J. 2004;

Горшков В.Г. и др. 2006;

Голицын Г.С., Гинзбург А.С. 2007). Основным инструментом для теоретического изучения климатической системы планеты и прогнозирования изменений климата в бу дущем является численное моделирование процессов тепломассообмена в сис теме «атмосфера – поверхность» в рамках 3D моделей общей циркуляции ат мосферы: Борисенков Е.П. 1960, Manabe S. et al 1964, Монин А.С. 1969, 1975;

Голицин Г.А. 1973, Сергин В.Я., Сергин С.Я. 1978;

Марчук Г.И. и др. 1980;

Hansen J. et al 1983;

Кароль И.Л., Фролькис А.А. 1984;

Моисеев Н.Н. и др. 1985;

Алексеев В.А. и др., 1998;

Дымников В.П. и др. 2003;

Sumi A. et al 2003 и др.;

Мохов И.И. и др. 2006. Центральным направлением современного развития мо делей общей циркуляции атмосферы является более детальное описание всех физических процессов, происходящих в атмосфере и океане на как можно бо лее мелкой координатной сетке, включая взаимодействие с биотой и учет рель ефа поверхности. Некоторые современные модели учитывают изотопное разделение водяного пара при фазовых превращениях, в которых отношение HDO/H2O является трассером «силы гидрологического цикла», Hoffmann G. et al 2003;



Noone D. et al 2004;

Shmidt G. et al 2004, Yoshimura K. et al 2008. Поле величины этого отношения для газовой фазы, определённое по Земному шару отражает предысторию формирования воздушных масс (количество циклов ис парения и конденсации) и характеризует режим переноса скрытого тепла в ат мосфере от экватора к полюсам. Однако, несмотря на детальный учет всех процессов тепломассопереноса в системе «атмосфера – поверхность», совре менные 3D модели все же имеют один принципиальный недостаток. Радиаци онный блок этих моделей, характеризующий перенос теплового излучения в молекулярной атмосфере, включает параметризацию только основных колеба тельных полос поглощения парниковых газов и не учитывает горячие полосы, коэффициент поглощения в которых имеет экспоненциальную температурную зависимость. В результате, при моделировании термического режима системы «атмосфера-поверхность Земли» не учитывается влияние этого экспоненциаль ного механизма положительной обратной связи, который может приводить к пороговым особенностям в парниковом эффекте.

В связи с проблемой аномально быстрого роста концентраций углекисло го газа и метана в атмосфере в настоящее время и наличием огромного количе ства этих газов депонированных в различных земных резервуарах, актуальным становится вопрос о глобальной устойчивости современного термического ре жима поверхности Земли при условии потенциально возможного «неограни ченного» накоплении парниковых газов в атмосфере. На первоначальном этапе такого рода исследований для физически адекватного описания теплового ба ланса поверхности Земли в широком диапазоне температур выше современной (~100 и более градусов) целесообразна разработка относительно простых 1D (по вертикали) радиационных моделей учитывающих поглощение ИК излуче ния во всех колебательно-вращательных полосах парниковых газов.

Технологии дистанционного инфракрасного зондирования атмосферы с целью мониторинга метеорологических параметров и состава атмосферы давно и активно разрабатываются как у нас в стране, Кондратьев К.Я. и Тимофеев Ю.М. 1970;

Зуев В.Е. 1970;

Малкевич М.С. 1973;

Зуев В.Е. и Кабанов М.В. 1987;

Тимофеев Ю.М. 1989;

Зуев В.Е. и Зуев В.В. 1992;

Успенский А.Б. и др. 2003, так и за рубежом, Сhahine M. et al 1968, Smith W. et al 1970;

Chedin A. et al 1985;

Nakajima T. et al 1996;

Beer R. et al 2005 и др. Прогресс в развитии инфракрас ной техники и появление в 1990-х годах спутниковых Фурье спектрометров достаточно высокого разрешения (до 0.05 см-1) и Фурье спектрометров назем ного базирования с разрешением до 0.001 см-1 позволяет иметь десятки-сотни тысяч спектральных каналов в тепловой инфракрасной области. В результате существенно повысилась информативность натурных спектров атмосферы. Об ратная задача по определению параметров атмосферы из ее тепловых спектров высокого разрешения стала существенно переопределенной. Произошли каче ственные изменения в методах обработки и интерпретации спутниковых дан ных. Успехи в области прикладной атмосферной инфракрасной спектроскопии, создание баз данных детальной спектроскопической информации по атмосфер ным газам: HITRAN, GEISA и др., накопление априорной информации по про филям температуры и концентраций оптически активных газовых составляющих атмосферы в базе TIGR, информационной системе British Atmospheric Data Center и др. способствуют прогрессу в дистанционном зонди ровании парниковых газов, таких как: H2O, СО, О3, CH4, NxOy, СО2 и других, включая некоторые их изотопомеры. Наличие системы многолетнего монито ринга управляющих параметров климатической системы Земли (радиационный баланс планеты, альбедо, концентрация парниковых газов, водный цикл, ба ланс энтропии и свободной энергии на верхней границе атмосферы) позволит в перспективе получать новые знания о физике теплового баланса нашей плане ты, выявить характерные тренды в процессе глобального потепления и их ко личественные характеристики. Важными являются данные по таким параметрам атмосферы и составляющим энергобаланса Земли как:

• температура атмосферы (вертикальный профиль) и подстилающей по верхности;

• концентрация парниковых газов в атмосфере (вертикальный профиль и общее содержание в атмосферном столбе);

• характеристика «силы гидрологического цикла» - отношение HDO/H2O в атмосфере (широтное распределение);

• вероятные стационарные режимы среднегодового теплового баланса пла неты в области более высоких температур поверхности и их устойчи вость;

• потоки энтропии и потоки свободной энергии излучения через верхнюю границу атмосферы;

Исследование пороговых закономерностей теплового баланса системы «атмосфера-поверхность Земли» при увеличении концентрации парниковых га зов в атмосфере имеет фундаментальное значение, а термическое зондирование из космоса параметров, характеризующих состояние атмосферы, является важ ной прикладной задачей. Решение этих проблем требует более точного учета спектральных характеристик молекулярной атмосферы, что определяет акту альность проводимых исследований, а новые технические возможности дис танционной инфракрасной Фурье спектрометрии атмосферы с высоким спектральным разрешением позволяют внести существенный вклад в их реше ние.

Основной целью работы является исследование устойчивости глобаль ного термического режима системы «атмосфера – поверхность Земли» в облас ти среднегодовых температур выше современной и получение количественных данных о состоянии атмосферы по ее инфракрасным спектрам высокого разре шения.

Задачи диссертации:

Развитие и программная реализация прямых line-by-line и обратных моде 1.

лей переноса теплового излучения в безоблачной слабоаэрозольной атмо сфере (когда многократным рассеянием можно пренебречь) с высоким спектральным разрешением (до 0.0001 см-1) для различных геометрий на блюдения: надир, зенит, лимб, наклонные трассы;

Разработка горизонтально-осредненных (глобальных) одномерных (по вер 2.

тикали) моделей среднегодового термического режима поверхности Земли с положительной обратной связью, учитывающих пороговый механизм по глощения теплового излучения в горячих колебательных полосах СО2, Н2О и других парниковых газов. Экспериментальное подтверждение существо вания данного порогового механизма;

Определение возможных стационарных состояний глобального среднего 3.

дового теплового баланса поверхности Земли в области температур выше современной, 288.2K, исследование их устойчивости и условий перехода между ними;

Разработка модели для расчетов потоков свободной энергии и энтропии 4.

излучения через верхнюю границу атмосферы, исследование экстремумов модели;

концепция мониторинга баланса потоков свободной энергии на верхней границе атмосферы;

Развитие и программная реализация методов решения обратных задач по 5.

переносу теплового излучения в молекулярной атмосфере для определения вертикальных профилей температуры и концентрации парниковых газов в атмосфере по ее инфракрасным спектрам высокого разрешения получен ных современными спутниковыми сенсорами: IMG, AIRS и Фурье спек трометрами наземного базирования FTIR;

Разработка методологии для дистанционного зондирования параметра ат 6.

мосферы характеризующего «силу гидрологического цикла» (отношение HDO/H2O в атмосфере) из спектров уходящего в космос теплового излуче ния и спектров пропускания атмосферы, измеряемых инфракрасными на земными Фурье спектрометрами высокого разрешения. Получение количественных данных о широтно-высотном распределении величины отношения HDO/H2O в атмосфере из спектров уходящего теплового излу чения, измеренных сенсором IMG со спутника ADEOS над районом Тихо го океана (65 ю.ш. - 65 с.ш.;

130 - 170 з.д.);

Методами исследования являлись: теория переноса теплового излучения и радиационного теплообмена в газовых средах, методы моделирования лучи стого теплообмена в системе «атмосфера-поверхность Земли», учитывающие особенности колебательно-вращательной спектроскопии молекул атмосферных газов;

квантовая оптика и статистика фотонов;

методы решения некорректных обратных задач, линейной алгебры и математической статистики с проведением численных расчетов на ЭВМ;

статистический анализ и обработка больших объ емов информации (базы данных по спектроскопическим параметрам и парамет рам атмосферы, измеряемые спектры).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Горизонтально-осредненные одномерные по вертикали энергобалансные модели парникового эффекта в приближении радиационно-конвективного рав новесия атмосферы, включающие механизм закрывания окна прозрачности 8 13 мкм из-за поглощения теплового излучения в горячих колебательно вращательных полосах СО2 и Н2О, предсказывают возможность существования нескольких стационарных режимов глобального среднегодового теплового ба ланса поверхности Земли в области температур выше современной 288.2К.

2. Выявленные температурные закономерности, учитывающие положитель ные и отрицательные обратные связи в процессах теплообмена системы «атмо сфера-поверхность Земли», позволяют оценивать пороговую концентрацию СО2 и СН4 в атмосфере, превышение которой ведет к перегреву поверхности и переходу в горячее устойчивое состояние, аналогичное состоянию Венеры. А также оценить предельную скорость увеличения планетарного альбедо с рос том температуры, выше которой современный термический режим поверхности Земли (при заданных начальных концентрациях парниковых газов в атмосфере) является единственной устойчивой точкой в области температур 288.2K.

3. Модель для расчета баланса потоков свободной энергии излучения на верхней границе атмосферы. Баланс потоков свободной энергии на верхней границе атмосферы планеты как функция оптической толщины эквивалентной серой атмосферы (для теплового излучения) имеет минимум при оптической толщине характерной для атмосферы Земли.

4. Регулярные методы решения некорректных обратных задач инфракрас ной атмосферной оптики позволяют с достаточной точностью определять ва риабельные параметры атмосферы, такие как: вертикальные профили температуры и концентрацию оптически активных газовых примесей из спек тров высокого разрешения (~0.05 cм-1) уходящего в космос теплового излуче ния Земли в диапазоне 600-2500 см-1.

5. Метод нейронных сетей позволяет решать обратную задачу определения параметров атмосферы (вертикальные профили температуры и концентрации парниковых газов СН4 и СО2) из ее инфракрасных спектров в диапазоне (600 6500 см-1) высокого разрешения (~0.05 cм-1) в реальном режиме времени с точ ностью сравнимой с другими методами.

6. Методология спутникового зондирования атмосферы Земли с помощью инфракрасной спектрометрии высокого разрешения (~0.05 cм-1) в диапазоне 600-2500 см-1 предоставляет возможность решения задачи мониторинга отно шения HDO/H2O в атмосфере - параметра, характеризующего интенсивность цикла фазовых превращений воды в климатической системе.

Достоверность Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обеспе чивается использованием хорошо апробированных физических моделей, стро гостью используемых математических методов, непротиворечивостью результатов и выводов, согласованностью с современными представлениями о термодинамике и инфракрасной оптике атмосферы, их сравнением с результа тами других авторов и экспериментальными данными.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Предложена модель порогового парникового эффекта, описывающая возможные стационарные состояния глобальной среднегодовой температуры поверхности Земли в области температур выше современной. Сделана оценка критических значений параметров модели для перехода из современного со стояния атмосферы в перегретое состояние типа Венеры.

2. Предложен метод для расчета баланса потоков свободной энергии из лучения на верхней границе атмосферы. Показано, что результирующий поток свободной энергии, поступающий на планету через верхнюю границу атмосфе ры, имеет минимум при значении оптической толщины атмосферы (для тепло вого излучения) характерном для атмосферы Земли. Впервые сделана количественная оценка среднегодового баланса потоков свободной энергии на верхней границе атмосферы Земли.

3. Впервые методология нейронных сетей применена для решения обрат ных задач атмосферной оптики по определению вертикальных профилей тем пературы и концентраций парниковых газов из инфракрасных спектров атмосферы высокого разрешения.

4. Из данных сенсора AIRS со спутника AQUA впервые выявлены сезон ные вариации содержания метана в атмосфере Западной Сибири. Сделана оценка вклада природной эмиссии метана из болот в общее содержание метана в атмосфере над районом 58-68 с.ш.;

58-90 в.д.

5. Предлагается метод дистанционного зондирования среднего по тропо сфере отношения концентраций изотопов 13СО2/12CO2 по спектрам пропуска ния атмосферы в диапазоне 6100-6300 см-1, измеряемых Фурье спектрометрами наземного базирования с высоким разрешением ~ 0.001 cm-1 и достаточно вы соким отношением сигнал/шум.

6. Предложена методика определения вертикального профиля отношения HDO/H2O в атмосфере из спектров пропускания атмосферы теплового диапазо на, измеряемых Фурье спектрометрами наземного базирования с высоким раз решением.

7. Предложен метод определения вертикального профиля отношения HDO/H2O в атмосфере из спектров уходящего теплового излучения, измеряе мых спутниковыми сенсорами с высоким спектральным разрешением.

8. Из спектров сенсора IMG со спутника ADEOS впервые получены коли чественные данные о широтном распределении вертикальных профилей отно шения HDO/H2O в атмосфере и отношения HDO/H2O в полном атмосферном столбе над акваторией Тихого океана.

Научная ценность положений и полученных результатов • Разработанные 1D модели порогового парникового эффекта позволяют исследовать возможные стационарные состояния термического режима по верхности Земли в широком диапазоне температур и условия переходов между ними.





• Предложенный метод расчета потоков свободной энергии излучения в атмосфере является основой концепции спутникового мониторинга баланса свободной энергии на верхней границе атмосферы Земли.

• Разработанная схема решения обратной задачи методом нейронной сети для главных компонент в принципе может быть применена для определения любых измеряемых характеристик атмосферы, таких как «спектр - атмосфер ные параметры».

• Полученные из спектров сенсора AIRS со спутника AQUA количествен ные данные о сезонных вариациях метана в атмосфере Западной Сибири и по вкладу естественной эмиссии метана из болотной экосистемы в атмосферный метан являются опорными для других исследователей.

• Полученное из данных сенсора IMG со спутника ADEOS широтное рас пределение вертикальных профилей отношения HDO/H2O в атмосфере и отно шения HDO/H2O в полном атмосферном столбе над Тихим океаном является реперным для других исследователей, а также используются для верификации моделей общей циркуляции атмосферы учитывающих разделение изотопов во ды при фазовых превращениях.

Практическая значимость полученных результатов заключается в том, что развитые модели и методы реализованы в специализированном прикладном программном пакете Fine InfraRed Explorer of Atmospheric Radiation Measure mentS (FIRE-ARMS), предназначенном для исследований в области инфракрас ной оптики и спектроскопии искусственных газовых сред и атмосферы Земли.

Данный программный пакет доступен на сайте http://remotesensing/ru с 2000 г. и используется специалистами ИММ УрО РАН, УрГУ, ГОИ, ГГО, ИХФ РАН, Югорского НИИ ИТ, ВолГУ, Sun Yat-Sen University, MRI, NIRE, NICT, CCSR of University of Tokyo, и многими другими.

• Разработанная модель взрывного парникового эффекта позволила вы явить его пороговый характер и сделать первичную оценку критических значе ний концентрации СО2 в атмосфере и температуры поверхности для развития глобальной тепловой неустойчивости системы «атмосфера-поверхность Зем ли».

• Разработанные методы определения концентрации СН4 и СО2 в атмосфе ре по инфракрасным спектрам высокого разрешения регистрируемых со спут ников являются частью системы обработки спутниковых данных для проекта JAXA GOSAT 2004-2013.

• Предложенный метод определения расхода попутного газа на факелах по данным спутниковых сенсоров типа MODIS в инфракрасных каналах использо ван для эпизодического мониторинга одного из мощных факелов ХМАО распо ложенного в районе 61.8 с.ш., 77.2 в.д.

• Полученные из спектров AIRS данные по содержанию метана в атмосфе ре были использованы для оценки вклада естественной эмиссии метана из бо лот в общее содержание метана в атмосфере Западной Сибири.

• Разработанный метод определения вертикальных профилей отношения HDO/H2O в атмосфере из ее тепловых спектров высокого разрешения позволил получить из данных сенсора IMG со спутника ADEOS широтное распределение профилей HDO/H2O над районом Тихого океана. Полученные данные исполь зуются специалистами для верификации известных моделей общей циркуляции атмосферы (NASA GISS ModelE и ECHAM4), учитывающих изотопное разде ление в процессах фазовых превращений воды.

Связь с плановыми работами. Работа выполнялась в рамках плановых и инициативных научно-исследовательских работ в соответствии с программами:

• «Инфракрасная колебательно-вращательная спектроскопия атмосферных газов и ее приложения в задачах атмосферной оптики и климатологии»

• «Термическое зондирование атмосферы и подстилающей поверхности, спутниковые измерения».

Часть работ была выполнена автором по грантам №1117 IMG/ADEOS 1995 1999 и STA-MRI-1998, гранту РФФИ-ЮГРА № 03-07-96836, гранту INTAS № 03-51-6294, грантам РФФИ № 06-01-00669 и РФФИ №07-07-00269-а.

Рекомендации по внедрению.

Результаты работы могут быть использованы в организациях занимаю щихся исследованиями в области теплофизики и инфракрасной спектроскопии искусственных и природных газовых сред, оптики и физики атмосферы, дис танционного зондирования и экологического мониторинга природных и техно генных сред.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы док ладывались на: Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излу чения в атмосфере (Томск 1982, 1986);

Всесоюзном симпозиуме по молекулярной спектроскопии высокого разрешения (Томск 1982, 1985;

Красно ярск 1987);

Всесоюзном съезде по спектроскопии (Томск, 1983);

Международ ной Вавиловской конференции по нелинейной оптике (Новосибирск, 1984);

Международной школе по нелинейной и когерентной оптике (Братислава, 1987);

Всероссийском совещании по природным и антропогенным катастрофам (Томск, 1991;

Новосибирск, 1993);

Международном симпозиуме-школе по мо лекулярной спектроскопии высокого разрешения (Омск, 1991;

Санкт Петербург, 1996;

Томск, 1999;

Нижний-Новгород, 1993, 2006);

Международном симпозиуме по тепломассобмену и неравновесным процессам в газах (Минск, 1992);

Международном коллоквиуме по прикладной атмосферной спектроско пии (Реймс, 1993, 2005);

Международном конгрессе по глобальному потепле нию (Вена, 1996);

Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана.

Физика атмосферы» (Томск, 1998);

Международном симпозиуме по атмосфер ным наукам из космоса с использованием инфракрасной Фурье-спектрометрии высокого разрешения (Токио 1994;

Тулуза, 1998;

Киото, 2000г.);

Всероссийской конференции «Обратные задачи и информационные технологии рационального природопользования» (Ханты-Мансийск, 2001, 2005, 2006);

Международной конференции «Ракетные двигатели и проблемы освоения космического про странства» (Москва, 2003);

Всемирной конференции по изменению климата (Москва 2003);

Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиа ция» (Санкт-Петербург, 2004, 2006);

Международной рабочей группе по ста бильным изотопам водяного пара в атмосфере (Вена, 2004);

Международном симпозиуме по дистанционному зондированию атмосферы, океана, окружаю щей среды и космоса (Гонолулу, 2004);

Международном рабочем совещании по проекту ИНТАС CASUS 03-51-6294 (Ханты-Мансийск, 2004;

Томск, 2005;

Ека теринбург, 2006;

Новосибирск, 2007);

Международном рабочем совещании по Фурье спектрометрии атмосферы (Ханты-Мансийск, 2006);

Международном симпозиуме «Физика атмосферы: Наука и образование» (С. Петербург Петродворец, 2007);

на совещании рабочей группы «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2007, 2008);

на семинарах: по физике солнечно-земных связей (Москва РАН, 1993), Метеорологического исследовательского института (Цукуба, Япония 1998), Центра климатических исследований Университета Токио (Токио, Япо ния 2000-2001), Национального института информационных технологий (То кио, Япония 2005), Института мониторинга климатических и экологических систем (Томск, 2007), кафедры молекулярной физики УГТУ-УПИ (Екатерин бург, 2008);

Международной конференции «Алгоритмический анализ неустой чивых задач» (Екатеринбург, 2008).

Публикации.

Материалы диссертации в полном объеме опубликованы в научной печа ти, в том числе: в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях: ( статей), одна глава в коллективной монографии издательства Springer/Praxis UK, в изданиях SPIE (8 статей), один препринт ТНЦ СО АН СССР, в трудах международных и всероссийских конференций и совещаний, в национальных и международных отчетах.

Вклад автора. Основные результаты диссертационной работы получены автором лично как в процессе индивидуальных, так и коллективных исследова ний. Вклад автора на разных этапах выражался в постановке решаемых задач, разработке моделей и методов их решения, проведения расчетов, обсуждении и интерпретации полученных результатов.

Под руководством автора в исследованиях принимали непосредственное участие сотрудники: К.Г. Грибанов, М.В. Фалько, О.И. Асипцов, А.Ю. Топты гин. Часть результатов первой главы и основные результаты третьей главы и приложений получены совместно с К.Г. Грибановым, часть результатов первой главы получена также при участии М.В. Фалько и О.И. Асипцова, часть резуль татов третьей главы получена при участии А.Ю. Топтыгина. Основные резуль таты четвертой главы получены совместно с К.Г. Грибановым и А.Ю. Топты гиным. Лично автору принадлежит постановка задач и формулировка решений по разработке моделей и методов, а также интерпретация полученных результа тов. На различных этапах в работе также принимали участие: Вл.Г. Тютерев, А.

Нестеренко, В.Е.Прокопьев, В.М. Шмелев, В.Г. Крупкин, С.В. Кондратов, С.А.

Ташкун, А. Чурсин, В.Ф. Головко, А. В. Наумов, В.В. Голомолзин, К.С. Алсын баев, Я.С. Суляев, а также проф. Имасу Р., д-р Касай Я. и д-р Агава А. (Токио, Япония), д-р Аоки Т. и д-р Фукабори М. (Цукуба, Япония), проф. Жузель Ж. и д-р Хоффманн Г. (Париж, Франция), д-р Шмидт Г. (Нью-Йорк, США), проф.

Блойтен В. (Утрехт, Нидерланды).

Объем и структура диссертации Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, прило жения и списка литературы, включающего 456 наименований. Полный объем диссертации 315 страниц, в том числе 147 рисунков, 1 таблица.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обсуждается актуальность темы диссертации, сформулиро ваны цель и задачи исследований, изложена структура и краткое содержание работы, перечислены выносимые на защиту положения.

В первой главе рассмотрены вопросы переноса теплового излучения в молекулярной атмосфере, прямая line-by-line модель высокого спектрального разрешения (до 0.0001 см-1) для расчета наблюдаемой спектральной плотности яркости излучения безоблачной слабоаэрозольной атмосферы (когда много кратным рассеянием можно пренебречь) в диапазоне (0-10000 см-1) для различ ных геометрий распространения: надир, зенит, лимб, наклонные трассы.

Предложены одномерные (по вертикали) спектроскопические модели парнико вого эффекта, учитывающие пороговый механизм закрывания окна прозрачно сти 8-13 мкм из-за поглощения в горячих колебательных полосах СО2 и Н2О и допускающие наличие устойчивых и неустойчивых стационарных тепловых со стояний системы «атмосфера-поверхность Земли» в широком диапазоне темпе ратур поверхности, а также позволяющие оценивать пороговые условия перехода из современного теплового состояния в перегретое состояние, анало гичное состоянию Венеры. Описан оригинальный эксперимент, наглядно де монстрирующий пороговый механизм поглощения инфракрасного излучения в горячих полосах CO2 на примере взрывного разогрева атмосферного воздуха с примесью углекислого газа излучением 10.6 мкм.

Уравнение переноса излучения используется для описания лучистого те плообмена в различных средах с начала прошлого века, Schwarzschild K. 1914, Chandrasekhar 1925, затем получившее развитие (включая разработку 3D моде лей) для различных атмосферных приложений в работах: Кузнецова Е.С. 1940;

Кондратьева К.Я., Тимофеева Ю.М. 1970, Зуева В.Е. 1970;

Фейгельсон Е.М.

1978, 1981;

Тимофеева Ю.М. 1989;

Титова Г.А. 1989, Фомина Б.А. 1993, 2005;

Успенского А.Б. и др. 1999;

Мельниковой И.Н., Васильева А. 2002;

Сушкевич Т.А. 2005;

Lenoble J. 1985;

Goody R. 1989;

Liou K.N. 2002 и многих других оте чественных и зарубежных исследователей. Перенос тепловой радиации в моле кулярной атмосфере Земли рассматривается рамках 1D модели в приближении локального термодинамического равновесия, при котором собственное излуче ние атмосферного слоя выражается через функцию Планка для излучения чёр ного тела и молекулярный коэффициент поглощения. Коэффициент поглощения при этом рассчитывается суммированием по всем линиям (line-by line) с учетом справедливости равновесного (Больцмановского) распределения заселенностей колебательно-вращательных уровней молекул атмосферных га зов. Тонкие эффекты, связанные с нарушением локального термодинамическо го равновесия в высоких слоях атмосферы выходят за рамки рассматриваемых в данной работе.

Впервые метод line-by-line суммирования для атмосферных приложений был применен Кондратьевым К.Я. и Тимофеевым Ю.М. 1967, модернизиро ванный сверхбыстрый line-by-line метод предложен Фоминым Б.А. 1993. Реше ние одномерного дифференциального уравнения переноса теплового излучения для спектральной плотности яркости атмосферы при наблюдении сверху Wup и снизу Wdown имеет вид:

H ( ) H P + K (h) B (T (h)) exp K (h' )dh dh, = B (Ts ) + (1 )W up down W h H h Wdown = K (h) B (h) exp K (h' )dh dh, (1) 0 H P = exp( ), = K (h)dh, Где B (T (h)) - функция планка для излучения черного тела, - частота моно хроматического излучения, - излучательная способность поверхности, h = sec z, здесь (z ) – зенитный угол наблюдений или угол сканирования как функция высоты z ;

H - высота верхней границы атмосферы;

, P – оп тическая толщина и функция пропускания атмосферы, соответственно. Восхо дящие и нисходящие потоки теплового излучения атмосферы рассчитываются интегрированием функционалов Wup, Wdown по всему спектру теплового излу чения (для современной атмосферы Земли достаточным является интервал 0 3000 см-1) и по телесному углу полусферы :

= d W d.

rad F (2) Развитая спектральная зависимость функционалов Wup, Wdown,, P че рез коэффициент ослабления K и непосредственно через интегралы (1) от па раметров атмосферы (температура поверхности, вертикальные профили давления, температуры, профили концентраций оптически активных газов) ха рактеризует высокую потенциальную возможность определения этих парамет ров из перечисленных функционалов, измеряемых спутниковыми или наземными инфракрасными Фурье интерферометрами высокого спектрального разрешения.

Ключевой величиной в расчётах потоков теплового излучения атмосферы является спектральный коэффициент ослабления излучения компонентами ат мосферы K, который зависит от параметров атмосферы в рассматриваемой точке и волнового числа. Его можно представить как сумму:

K = Kgas + Kabs + Ksca, (3) где Kgas – коэффициент поглощения газовыми составляющими атмосферы, Kabs, Ksca – коэффициенты поглощения и однократного рассеяния аэрозоль ными составляющими атмосферы. Для теплового излучения в условиях безоб лачного неба основной вклад в (3) даёт Kgas, который определяется вертикальными профилями температуры, давления и концентраций всех опти чески активных газов в атмосфере. Коэффициент Kgas разделяется на line by line коэффициент молекулярного поглощения K и дополнительный коэффи циент K*. Последний учитывает эффекты континуального поглощения водя ным паром и смешения линий в Q-ветвях CO2 и CH4. Коэффициент молекулярного поглощения газов K вычисляется путем суммирования по всем спектральным линиям (line-by-line) всех атмосферных газов с использова нием последних версий базы данных HITRAN.

Оригинальной особенностью представленной в работе модели является то, что в отличие от известных в литературе вычислительных кодов, таких как:

FASCODE, LBLRTM, сверхбыстрых прямых моделей (Fomin B.A. 1993), а также более поздних моделей, ARTS, SMOCO и других аналогичных моделей, здесь интегрирование осуществляется на нефиксированной сетке высот, Грибанов К.Г. и др. 1999, Gribanov K.G. et al 2001. Количество учитываемых слоев атмо сферы для каждого волнового числа выбирается независимо, чтобы обеспе чить единую заранее заданную точность расчетов W в (1) для всех волновых чисел. Даная прямая модель позволяет рассчитывать спектральные плотности яркости теплового излучения в безоблачной слабоаэрозольной атмосфере в диапазоне 0-10000 см-1 с разрешением до 0.0001 см-1, для различных геометрий распространения, рассчитывать весовые функции, производить конволюцию спектров высокого разрешения с различными аппаратными функциями спек трометров, а также рассчитывать восходящие и нисходящие потоки теплового излучения атмосферы. Она была верифицирована путем сравнения с моделями других авторов, ее возможности для анализа тонких спектроскопических эф фектов продемонстрированы на натурных спектрах уходящего теплового излу чения Земли, зарегистрированных сенсором IMG со спутника ADEOS и спектрах пропускания атмосферы, регистрируемых наземными FTIR. Данная модель реализована в программном пакете FIRE-ARMS (http://remotesensing.ru) для геометрий наблюдения атмосферы: надир, зенит, лимб, наклонные трассы и использовалась для моделирования критических особенностей парникового эффекта в атмосфере Земли и определения профилей температуры и концен траций парниковых газов в атмосфере из спутниковых данных по тепловому излучению.

Исследования возможных больших колебаний климата в области темпе ратур поверхности Земли ниже современной ( 288.2 K), наличие холодных стационарных состояний теплового баланса системы «атмосфера-поверхность»

(вплоть до режима оледенения Земли) и анализ их устойчивости обсуждаются в литературе с 60-х годов прошлого столетия, Будыко М.И. 1967;

Сергин В.Я., Сергин С.Я. 1978;

Голицин Г.С., Мохов И.И. 1978;

Crafford C. et al 1978;

Ghil M.

et al 1979;

Кароль И.Л. 1988;

Kirschvink J.L. 1992;

Hoffman P.F. et al 1998;

Lewis J.P. et al 2006 и др. В то время как исследованиям возможных больших колеба ний климата в области температур поверхности Земли выше современной (т.е.

288.2 K) уделяется недостаточно внимания. Классические модели парниково го эффекта, Budyko M.I. (1969, 1980), Sellers W.D., (1969), Bach W. et al, (1987), McGuffie K. and Henderson-Sellers A. (1997), базируются на предположении, что тепловой баланс поверхности Земли регулируется главным образом вариация ми нисходящего теплового излучения атмосферы в крыльях основной 15 мик ронной полосы СО2, так как центр этой полосы насыщен. В подобных моделях при увеличении только концентрации одного углекислого газа в атмосфере из менение температуры поверхности можно аппроксимировать логарифмической насыщающейся функцией относительного изменения СО2 в атмосфере. Однако такая зависимость имеет место только до тех пор, пока температура поверхно сти Земли и концентрация CO2 в ее атмосфере ниже некоторых пороговых зна чений. В около пороговой области существенным становится поглощение в горячих полосах СО2 и других парниковых газах, особенно H2O, ведущее к за крыванию окна прозрачности 8-13 мкм, Захаров В.И. и др. 1991, 1992, Zakharov V.I. et al 1997, Zakharov V.I. 2008, через которое идет радиационное охлаждение поверхности. Моделирование радиационного режима атмосферы Венеры (Мос каленко Н.И., Кондратьев К.Я. 1985) и прямые измерения ее температуры с помощью летательных аппаратов, Кондратьев К.Я. (1990), подтверждают на личие сильнейшего парникового эффекта в ее углекислотной атмосфере с не большой примесью водяного пара. Температура поверхности Венеры около 730К, несмотря на существенно меньший подогрев ее поверхности солнечным излучением (из-за большого альбедо Венеры ~ 0.75) чем поверхности Земли.

В научной литературе также дискутируются модели, рассматривающие возможность сильного перегрева атмосфер планет, в результате так называемо го саморазгоняющегося парникового эффекта, Gold T. (1964), Komabayashi М.

(1967, 1968), Ingersoll A.P. (1969,) Abe Y. and Matsui T. (1988), Kasting J. F.

(1988), Nakajima S. et al (1992), Pujol Т. (2002), Ishiwatari, M. et al (2007), вслед ствие накопления большого количества H2O в атмосфере на ранней стадии их эволюции, при условии, если солнечная постоянная превышает некоторое кри тическое значение. В настоящей работе ставится вопрос, возможен ли анало гичный сценарий в эволюции атмосферы современной Земли, если концентра ция парниковых газов, в частности СО2, превысит в ней некоторое критическое значение?

Анализ устойчивости глобального среднегодового теплового баланса по верхности Земли в диапазоне температур ~ 288 K – 600 K проводился в рамках общепринятой энергобалансной концепции Будыко-Селлерса. В результате оп ределялись стационарные решения следующего уравнения:

dTs dU = Qs = Qs+ Os = c c (4) dt dTs I Qs+ = 0 [1 A(Ts )]+ Farad (Ts ) Qs = Ts4 + Fs (Ts ) где Qs+ - приходящий на единицу поверхности суммарный тепловой поток, I [1 A(Ts )] и нисходящего складывающийся из потоков солнечного излучения теплового излучения атмосферы Farad (Ts ), а Qs - уходящий с поверхности суммарный тепловой поток, складывающийся из потоков теплового излучения поверхности Ts4 и суммарный поток скрытого (испарение) и явного тепла Fs (Ts ). Здесь c - теплоемкость деятельного слоя единицы поверхности, Ts - го ризонтально-осредненная среднегодовая температура поверхности, I 0 - солнеч ная постоянная, A(Ts ) - планетарное альбедо. U (Ts ) - кинетический потенциал.

Все тепловые потоки в уравнении (4) в общем случае являются функция ми температуры поверхности. Для существования стационарных состояний те плового режима поверхности Земли, в области температур значительно выше современной, необходимо наличие механизма сильной положительной обрат ной связи в ее тепловом балансе. Единственный физический механизм, способ ный обеспечить такую положительную обратную связь – это поглощение теплового излучения в горячих колебательных полосах парниковых газов. Фи зика данного механизма заложена в экспоненциальной температурной зависи E мости заселенности колебательно возбужденных уровней молекулы ~ e kT, где E - энергия колебательного уровня, с которого идет поглощение, T - температу ра газа. В отличие от насыщенных основных полос поглощения горячие коле бательные полосы СО2 и Н2О в атмосфере не насыщенны и при увеличении температуры поглощение в них растет экспоненциально. Эта положительная обратная связь служит механизмом закрывания окна прозрачности 8-13 мкм, Рис. 1, через которое происходит радиационное охлаждение поверхности Зем ли, что ведет к экспоненциальному росту потока Farad (Ts ) с температурой и может приводить к перегреву поверхности (Захаров В.И. и др. 1991, 1992, 2007, 2008;

Грибанов К.Г., Захаров В.И. 1993, Zakharov V.I. et al 1993, 1994, 1996, 1997, 2005, 2008).

Рис.1. По вертикали отложена модельная функция пропускания безоблачной атмосферы Зем ли в спектральном диапазоне 0-4000 см-1 (спектральный диапазон отложен по горизонтали), соответствующая современной температуре поверхности – 288.2K (модель стандартной ат мосферы – US standard) – верхняя панель и состоянию атмосферы соответствующему темпе ратуре поверхности - 400K – нижняя панель. Окно прозрачности 8-13 мкм (800-1200 см-1) на нижней панели полностью закрыто в результате высокой равновесной концентрации СО2 и H2O в атмосфере при температуре поверхности 400K и сильного поглощения в горячих ко лебательно-вращательных полосах СО2 и H2O.

Наряду с положительными обратными связями в климатической системе Земли имеются и отрицательные обратные связи, стабилизирующие тепловой режим поверхности планеты. Учитываемой в (4) отрицательной обратной свя зью в области температур выше современной является процесс охлаждения по верхности уходящими потоками скрытого и явного тепла, Bach W. et al, 1987, а также при более высоких температурах поверхности рост планетарного альбедо из-за увеличения облачности. В качестве биотического механизма отрицатель ной обратной связи рассматривается фотосинтез, который обусловлен нелиней ной зависимостью от температуры в интервале ~ 288 - 310K скорости стока CO из атмосферы в биоту: Моисеев Н.И. и др. 1985;

Bach W. et al, 1987;

Bolin B. et al, 1989;

Горшков В.Г. и др. 1994, 1995, 2006;

Макарьева А.М., Горшков В.Г.

2001.

Оригинальной особенностью данной модели является то, что поток нис ходящего теплового излучения атмосферы Farad (Ts ) рассчитывается из урав = d W d нения переноса (1) как F с учетом всех колебательно down rad a вращательных переходов парниковых газов, что автоматически позволяет учесть их горячие полосы поглощения и искомую положительную обратную down связь. Line-by-line расчет W (Ts ) для различных состояний атмосферы про водился в рамках приближения радиационно-конвективного равновесия атмо сферы, Manabe, S., Strickler R. F., (1964), сохраняющего температурный градиент в тропосфере. При расчетах Wdown (Ts ) в точках из интервала темпера тур поверхности 288-300K использовались модели стандартной атмосферы: US standard (Ts = 288.2 K), Midlatitude summer (Ts = 294.2 K) и Tropic (Ts = 299.7 K).

В диапазоне температур 300-600K за основу брался вертикальный температур ный профиль модели Tropic и для каждой температуры поверхности (с шагом 20K) трансформировался согласно методологии приближения радиационно конвективного равновесия. В качестве вертикальных профилей концентрации СО2, Н2О и СН4, соответствующих трансформированному температурному профилю использовались стандартные атмосферные профили концентраций, умноженные на коэффициент их относительного изменения с ростом темпера туры поверхности. Концентрация и вертикальные профили остальных атмо сферных газов полагались неизменными, соответствующими модели US standard. Температурная зависимость уходящих с поверхности потоков скрыто го и явного тепла учитывалась на основе литературных данных, Bach W. et al 1987. Вследствие неопределенностей в количественных характеристиках тем пературного поведения планетарного альбедо в работе рассматривался широ кий коридор его возможного поведения, от постоянного во всем температурном интервале до критической скорости роста альбедо с температурой, Рис.2. При мер положения стационарных точек температуры поверхности Земли для одной из моделей вероятного поведения альбедо с ростом температуры поверхности приведен на Рис. 3.

Рис.2. Слева: гипотетические зависимости планетарного альбедо Земли от температуры по верхности Ts, описывающие уменьшение альбедо в температурном интервале ~288-295K вследствие уменьшения площади криосистемы и рост альбедо при Ts 295K, из-за увеличе ния облачности. Начало температурной оси – 288K. Кривая 1 – пример подкритической функции альбедо. Кривая 2 – соответствует критической скорости роста альбедо с темпера турой для рассматриваемой в работе модели. Кривая 3 – функция альбедо, соответствующая закритической скорости роста.

Рис.3. Справа: пример теплового баланса поверхности Qs (Ts ) (4) для модели альбедо (Рис.2.). Точки пересечения кривых с нулевой линией – стационарные точки теплового ба ланса. Пунктирная кривая 1 - тепловой баланс Qs (Ts ) без учета отрицательных обратных связей, таких как восходящие с поверхности турбулентные потоки скрытого и явного тепла и фотосинтез. Пунктирная кривая 2 – с учетом только фотосинтеза, пунктирная кривая 3 – с учетом только потоков скрытого и явного тепла, сплошная жирная кривая 4 – с учетом как потоков скрытого и явного тепла, так и фотосинтеза. Кривая 5 – то же что и 4, но при кратном превышении современной концентрации CO2 в атмосфере, а кривая 6 – при кратном. Кривая 7 – то же что и 4, но при закритической для данной модели теплового ба ланса Qs (Ts ) (4) температурной функции альбедо - модель 3 на Рис.2.

Для уравнения (4) кинетический потенциал U определяется как c U (Ts ) = dTs Qs (Ts ) + const (5) где значение const выбирается из соображения удобства. В стационарных точ ках уравнения (4), когда Qs = 0, минимумы кинетического потенциала (5) ха рактеризуют устойчивое состояние, максимумы неустойчивое. Показанные на Рис. 3 стационарные состояния будут устойчивыми, если в окрестности ста d (Qs ) d (Qs ) ционарной точки 0 и неустойчивыми, когда 0. Рис.4 отра T* T* dTs dTs жает поведение функции U (Ts ) для моделей теплового баланса Qs (Ts ), представленных на Рис. 3.

cU (Ts ) Рис.4. График функции (здесь c - теплоемкость деятельного слоя единицы площади поверхности), демонстрирующий трансформацию кинетического потенциала U (Ts ) (5) для модели теплового баланса Qs (Ts ) (4), при последовательном учете отрицательных обратных связей.

Кривые 1, 2, 3 отвечают соответственно кривым 2, 3, 4 на Рис.3.

Для сравнительного анализа и большей достоверности выводов рассматрива лась также другая модель, отличающаяся тем, что в (4) поток Farad (Ts ) рассчи тывается в рамках известного приближения эквивалентной серой атмосферы, оптическая толщина которой для каждого из парниковых газов СО2, Н2О и СН вычислялась в приближении радиационно-конвективного равновесия атмосфе ры методом line-by-line с использованием базы данных HITRAN. Оценки в рамках предложенных моделей и на основе литературных данных по парамет ризации уходящего с поверхности потока скрытого и явного тепла Fs (Ts ), Bach W. et al, 1987 и учетом фотосинтеза показывают, что критическая темпе ратура поверхности ~ 306-320 K, а критическая концентрация СО2 в атмосфере Земли примерно в 12 130 раз превышает современную концентрацию. При достижении концентрации углекислого газа в атмосфере порогового значения процесс нагрева поверхности Земли становится необратимым и развивается взрывной парниковый эффект, приводящий к закрыванию окна прозрачности 8 13 мкм и перегреву поверхности планеты до высоких температур, Рис. 5. Полу ченные результаты в целом согласуются с результатами и выводами, получен ными позднее другими авторами в рамках аналогичных энеробалансных моделей, Макарьева А.М., Горшков В.Г. 2001;

Горшков В.Г. и др. 2006.

В конце главы описан эксперимент (Асипцов О.И., Захаров В.И., Грибанов К.Г. 2000), наглядно демонстрирующий обсуждаемый пороговый характер ме ханизма поглощения в горячих колебательно-вращательных переходах молеку лы углекислого газа на примере взрывного разогрева воздуха с примесью СО резонансным ИК излучением, Рис.5 (правая панель).

Рис.5. Слева: Характерная кривая изменения среднегодовой температуры поверхности Земли с накоплением углекислого газа в атмосфере до критической концентрации, рассчитанная в рамках модели глобального среднегодового теплового баланса поверхности Земли (4) для одной из вероятных функций планетарного альбедо от температуры. Здесь nCO 2 / nCO) 2 - отно ( шение концентрации углекислого газа в атмосфере nCO 2 к ее современному значению nCO) 2.

( Справа: экспериментальные данные, демонстрирующие наличие порогового механизм по глощения излучения в горячей колебательной полосе углекислого газа. Приведена наблю даемая температура атмосферного воздуха в области фокуса излучения СО2 лазера 10.6 мкм мощностью 35 Вт при различном процентом соотношении примеси углекислого газа n% в кювете.

Во второй главе рассмотрена статистика фотонов в элементарных процес сах резонансного поглощения излучения и роль статистики фотонов в переносе энтропии и свободной энергии излучением. Исследован баланс энтропии и свободной энергии на верхней границе атмосферы в рамках приближения мульти-равновесной (обобщенной Планковской) статистики фотонов. Предло жен метод расчета потоков свободной энергии излучения в атмосфере. Показа но, что баланс потоков свободной энергии на верхней границе атмосферы планеты, как функция эквивалентной оптической толщины серой атмосферы, имеет экстремум. Сделана количественная оценка среднегодового потока по ступающей на Землю свободной энергии через верхнюю границу атмосферы.

Функция распределения числа фотонов является важной характеристикой при исследовании переноса энтропии и свободной энергии излучением. Со гласно статистическому определению энтропии S = k p (n) ln( p (n)), для n системы с дискретными состояниями n = 0,1,2,..., она полностью определяется функцией распределения числа состояний p (n). Статистика фотонов моно хроматического поля может изменяться при элементарных процессах погло щения и излучения: Scully M.O., Lamb W.E. 1967, 1968;

Loudon R. 1973;

Голубев Ю.М., Соколов И.В. и др. 1980, 1984;

Zubairy M.S. et al 1980;

Клышко Д.Н.

1980, 1990;

Смирнов Д.Ф., Трошин А.С. 1987;

Zakharov V.I. et al 1985, 1987;

Быков В.П. 1991. В случае мульти-равновесной функции распределения числа фотонов монохроматической моды поля p (n), каждая мода поля характе ризуется своей собственной равновесной температурой T, Rosen P. 1954, Ore A. 1955:

n n p (n) = n = n+1,. (6) exp(h / kT ) ( n +1 ) Где n = np (n) - среднее число фотонов в моде. Можно показать, что рас n= пределение (6) соответствует состоянию поля с минимальным потоком свобод ной энергии, Захаров В.И. и др. 2008. Известно, что оно адекватно описывает серое излучение и является хорошим приближением для расчетов потоков эн тропии на верхней границе атмосферы Земли: Lensins G.B. 1990, Stephens G.L., O’Brien D.M. 1993, Goody R., Abdou W. 1996. Для монохроматического поля, описывающегося функцией распределения числа фотонов (6), свободную энер гию F можно определить по аналогии со свободной энергией для излучения черного тела, заменив общую для всех мод поля равновесную температуру T на собственную равновесную температуру T каждой отдельной моды, Zakharov V.I. et al 2004;

Захаров В.И. и др. 2008.

F = E T S (7) c 2 R E = h n = - энергия моды поля частоты, где n = n p (n) Здесь 2h 3 n среднее число фотонов в моде, R - спектральная плотность яркости излучения (экспериментально измеряемая величина или моделируемая с помощью ПО h FIRE-ARMS и других аналогичных ПО). В данном случае T = k ln(1 + 1 / n ) яркостная температура моды поля совпадает с ее равновесной температурой, а поток энтропии монохроматического излучения определяется классической формулой, Rosen P. 1954:

S = k{( n +1 )ln( n +1 ) n ln n } (8) Интегральный поток свободной энергии поля F, проходящий через единичную 2 d (для площадку, вычисляется умножением (7) на число спектральных мод c неполяризованного излучения) в интервале v, + d с последующим интегри рованием по всем частотам и телесному углу:

2 F = d d 2 F (9) c Для классического Планковского случая изотропного излучения абсолютно черного тела, когда температуры всех мод T равны, т.е. T = const = T, из соот F = (1 / 3 )T 4, где ношений (6)-(9) следует известная формула:

= 5.67 10 8 Вт / м 2 K 4 - постоянная Стефана-Больцмана.

Аналогично радиационному балансу, баланс свободной энергии излуче ния на верхней границе атмосферы можно определить как разницу между пото ком свободной энергии приходящего (с учетом отражения из-за планетарного альбедо) солнечного излучения Fsin и потоком свободной энергией уходящего теплового излучения планеты Fthermal, Zakharov V.I. et al 2004;

Захаров В.И. и out др. 2008:

F = Fsin Fthrmal, out (10) где Fs и Fthermal определяются с использованием (7) – (9). Множитель in out учитывает распределение приходящего от Солнца потока свободной энергии по всей сферической поверхности вращающейся планеты. Определяемый таким образом (10) баланс свободной энергии излучения на верхней границе атмо сферы F = F ( ), в рамах модели эквивалентной серой атмосферы с опти ческой толщиной, обладает свойством F ( = 0)= F ( = ) и имеет экстремум по. На Рис. 6 приведена зависимость импортируемого через верхнюю границу атмосферы на планету потока свободной энергии от оптической толщины атмосферы.

8. Рис.6 Зависимость приходящего на планету потока свободной энергии через верхнюю гра ницу атмосферы F ( ) от ее оптической толщины для теплового излучения. Точкой 6. на рисунке показана величина потока свободной энергии F 5.6 Вт / м, соответствующая текущему значению оптической толщины для модели серой атмосферы Земли.

Оценка F для Земли в рамках модели стандартной атмосферы (US standard) с использованием базы спектроскопических параметров атмосферных газов данных HITRAN и учетом 50% облачности на планете, дает значение ба ланса потоков свободной энергии на верхней границе атмосферы равное F 5.3 Вт / м 2. Модель серой атмосферы дает близкое значение F 5.7 Вт / м 2. Среднее по обеим моделям значение F 5.5 Вт / м 2, эта величина в пределах 10% согласуется с имеющимися литературными дан ными по интегральной мощности атмосферной циркуляции. Максимальный по ток поступающей на такую планету (солнечная постоянная Земли, альбедо Земли) свободной энергии равен Fmax 8.3 Вт / м. Это соответствует двум асимптотическим случаям: планета с черной поверхностью без атмосферы (или с прозрачной в тепловой области атмосферой), т.е. = 0, и планета с аб.

солютно черной атмосферой, При определенном значении оптиче 0 1.2, баланс потоков свободной энергии ской толщи атмосферы, равном имеет экстремум – минимум: F 5.7Вт / м. Глубина минимума составля ет около 2.6 Вт / м, что примерно в 20 раз превышает современную мощность фотосинтеза.

Важной особенностью модели эквивалентной серой атмосферы является, то, что она позволяет связать результаты, полученные для теплового баланса поверхности Земли с результатами по балансу свободной энергии излучения на верхней границе атмосферы. А именно, оптическая толщина атмосферы в ми нимуме функции F находится в окрестности стационарной точки теплово го баланса поверхности Qs (Ts ) = 0 характерной для устойчивой точки современного климата Земли.

Измерение входящего в атмосферу солнечного излучения с достаточным покрытием по всему земному шару наземными приборами представляет значи тельные технические трудности, в то время как отраженный планетой солнеч ный свет может измеряться по всему глобусу со спутников. С практической точки зрения входящий в атмосферу Земли поток свободной энергии солнечно го излучения Fsin целесообразно рассчитывать через разницу между потоком свободной энергии достигающего орбиты планеты солнечного излучения Fs и потоком свободной энергией отраженного обратно в космос солнечного 1 излучения Fsreflected. На Рис. 7 приведено сравнение величин и Fsin 4 ( Fs Fsreflected ), рассчитанных при различных значениях альбедо A, для определения искомой поправки.

F sin Рис.7. Точками показана величина { ( Fs Fsreflected ) } - разница между по током свободной энергии излучения поступающего от Солнца на Землю Fsin и результирующей потоков свободной энергии из лучения приходящей от Солнца к верхней Fs и отраженного границе атмосферы Землей обратно в Космос Fsreflected.

Полученные данные можно использовать для расчетов величины прохо дящего через верхнюю границу атмосферы потока свободной энергии солнеч ного излучения Fs in по данным измерений со спутников величины R отраженного планетой солнечного света. Величина этого потока может опреде ляться из натурных измерений спектров уходящего теплового излучения Земли и отраженного солнечного излучения при зондировании атмосферы со спутни ков, во всем спектральном диапазоне и в интервале углов от -90 до +90 граду сов. Одновременный спутниковый мониторинг радиационного баланса и баланса свободной энергии на верхней границе атмосферы Земли мог бы стать более информативным инструментом слежения за изменением интегрального состояния климатической системы нашей планеты в процессе глобального по тепления.

В третьей главе описаны методы решения «некорректно поставленных»

обратных задач ИК атмосферной оптики высокого спектрального разрешения, которые использовались в работе для определения вертикальных профилей температуры и концентраций парниковых газов из наблюдаемых спектров ат мосферы.

Согласно общему математическому подходу прямую и обратную задачи можно записать в виде:

x = F 1 ( y, b) + x, y = F ( x, b ) + y, (11) Для задач инфракрасной атмосферной оптики y – вектор m величин, измеряе мых спектрометром, x – вектор n искомых атмосферных параметров, подле жащих определению, b – параметры модели (считаются известными), y – измерительный шум спектрометра, F – прямая модель (в данном случае урав нение переноса теплового излучения в атмосфере (1)), F 1 – обратная модель, которая в общем случае может быть заданна алгоритмически. Общая математи ческая теория регулярных методов решения нелинейных некорректных обрат ных задач развита в работах Тихонова А.Н. и др. 1970, 1990;

Иванова В.К. 1963;

Васина В.В. 1974, 1993;

Лаврентьева М.М. 1980;

Rodgers C. 1976, 2002 и мно гих других отечественных и зарубежных исследователей.

Вначале главы описан известный в литературе метод оптимального ста тистического оценивания, давно применяемый в задачах метеорологического зондирования со спутников (Покровский О.М. и Тимофеев Ю.М. 1972;

Rogers С. 1976). В данном методе искомый вектор атмосферных параметров вычисля ется согласно следующему итерационному соотношению:

xk +1 = xk +C k ( y yk ) + ( I Ck K k )( x0 xk ) (12) 1 1 C k = ( K S K k + S ) K S T T k a k Здесь xk - вектор искомых параметров атмосферы на k – ой итерации, y - изме ренный спектр, x0 - нулевое приближение вектора искомых параметров атмо сферы, K k, K kT - Якобиан прямой модели и его транспонированная матрица, соответственно, S - ковариационная матрица ошибок измерения спектра, Sa ковариационная матрица априорных профилей атмосферы, I - единичная мат рица.

Затем представлен оригинальный метод минимизации невязки (целевой функции) с ограничениями, т.е. подгонка измеренного и расчетного спектров в выбранных спектральных интервалах при варьировании искомых параметров, которые нужно определить при заданных ограничениях на максимальные ва риации этих параметров (Gribanov K.G. et al 2001). В диссертационной работе использовалась целевая функция вида:

[ ] m J ( x) = Wi obs / Wi calc ( x) Wi calc ( x) / Wi obs, (13) i = где Wiobs, Wicalc – измеренный и расчётный спектры;

m – число используемых спектральных каналов;

x – вектор искомого параметра атмосферы. Минимиза ция (13) проводилась методом сопряжённых градиентов по алгоритму Флетче ра. В случае спектров высокого разрешения с хорошим отношением сигнал/шум этот метод демонстрирует достаточную работоспособность и мо жет являться рабочим инструментом при недостаточности или отсутствии ап риорной информации об искомых профилях. На Рис.8 представлен пример вертикального профиля СН4 в атмосфере, определенного данным методом из спектра IMG в интервале 1298-1308 см-1.

Н, км Н, км ppm ppm Рис.8. Слева: сравнение вертикального профиля концентрации метана в ppm определенного из спектра IMG – 1 и измеренного пробоотборным методом с самолета – 3 над Западной Сибирью. 2 – профиль начального приближения, 4 и 5 – наложенные ограничения на иско мый профиль.

Рис.9 Справа: сравнение вертикального профиля водяного пара в ppm определенного мето дом главных компонент из спектра IMG (29,175° S;

175,675° W) от 04.22.1997 и измеренно го зондом (29,04° S;

177,92° W) 04.22.1997.

Для уменьшения размерности обратной задачи по определению профилей атмосферных параметров в работе использовался метод главных компонент (ГК), согласно которому искомый вектор можно представить в виде разложения по собственным векторам масштабированной ковариационной матрицы (Ус пенский А.Б. и др. 2003):

l x = Sx1 / 2 ( x mx ), x = ciVi, GVk = k V k, i = (14) 1M i ( x k m x )( x k m x ), i, j = 1..n, S x S x1, G= = j ij i j Sx l 1 k = где x – масштабированный искомый вектор, n – размерность x;

Sx – ковариа ционная матрица ошибок x;

mx, Sx – средний вектор и ковариационная матрица, рассчитанные по набору векторов x, известных заранее;

M – число векторов в наборе;

ci – коэффициенты разложения или ГК;

k, Vk – набор собственных зна чений и векторов обобщённой ковариационной матрицы G;

l – число ГК, ис пользуемых в разложении. Ограничивая ряд (14) для x несколькими первыми членами и сводя задачу к нахождению коэффициентов разложения ci, можно существенно понизить размерность задачи, что соответствует поиску решения на множестве более гладких функций, Грибанов К.Г. и др. 2003. На Рис.9 при веден пример вертикального профиля Н2О в атмосфере, определенного мето дом ГК из спектра IMG в интервале 1200-1230 см-1.

Описан также новый метод решения обратных задач в инфракрасной ат мосферной оптике – метод нейронных сетей. Нейронные сети являются универ сальными аппроксиматорами и с успехом применяются в различных областях знаний, Hornik et al., 1989;

Dorffner, 1997;

Callan, 1999. Методология нейрон ных сетей предоставляет возможность аналитической аппроксимации решения обратной задачи для определения параметров атмосферы из ее инфракрасных спектров высокого разрешения. В диссертационной работе впервые исследуют ся нейронные сети для атмосферных приложений с входными и выходными векторами высокой размерности, с одним и двумя скрытыми слоями.

Входной вектор (компоненты атмосферного спектра высокого разреше ния) X ( x1,..., xN ) и выходной вектор (например, компоненты профиля темпера туры) Y ( y1,..., y N ) нейронной сети с одним скрытым слоем связаны между собой o универсальным соотношением:

Nh Ni y j ( x) = w + w ( w + wki xk ) h0 h0 ih ih (15) 0j ij 0i i =1 k = Где N h число узлов в скрытом слое, - функция активации нейронов (в данном случае использовалась ( x) = tanh( x) ), wij 0 - подгоночные параметры связываю h щие узлы скрытого слоя с узлами выходного вектора, wki - подгоночные пара ih метры связывающие узлы входного слоя и скрытого слоя. Особенностью такой нейронной сети является то, что при ее использовании требуются только про стые и быстрые в вычислительном плане операции, умножение матрицы на вектор и расчет функции от векторного аргумента. После тренировки сети (подгонки параметров с использованием одного набора данных и проверки сети на другом наборе данных) она становится эффективным инструментом реше ния конкретных обратных задач (Gribanov К.G. and Zakharov V.I. 2003, 2006).

На Рис.10 показан пример определения с помощью нейронной сети вертикаль ного профиля температуры в атмосфере из спектра IMG в интервале 670- см-1, на Рис.11 результат подгонки спектров.

Рис. 10. Слева: сравнение вертикальных профилей температуры определенных с помощью искусственной нейронной сети (ANN) и методом оптимальной статистической оценки из спектра сенсора IMG со спутника ADEOS (19.68 S;

154.93 W, 01.28.1997 в 21:14UTC) с на турным профилем, измеренным зондом (19.72 S;

155.07 W 01.29.1997 в 00:00UTC).

Рис.11. Справа: результат подгонки расчетного и наблюдаемого спектров сенсора IMG со спутника ADEOS после определения вертикального профиля температуры.

В работе рассматривались как нейронные сети, связывающие наблюдае мый спектр с искомым профилем, так и нейронные сети, связывающие главные компоненты спектра с главными компонентами профиля. Единожды натрени рованная, такая нейронная сеть уже не требует использования базы данных спектральных параметров, атмосферных моделей, прямой модели или заранее насчитанных таблиц коэффициентов поглощения (look up tables) и может обра батывать огромные массивы спектральных данных и решать обратную задачу определения параметров атмосферы (профиль температуры и профили концен траций парниковых газов) из спутниковых данных в реальном режиме времени.

В четвертой главе представлены результаты натурного применения мето дологии решения «некорректных» обратных задач термического зондировании атмосферы с высоким спектральным разрешением. Одна из крупных решаемых в диссертационной работе задач - определение содержания метана в атмосфере из ее тепловых спектров, измеряемых спутниковым сенсором AIRS (Atmospheric Infrared Sounder). Объектом исследования в данной работе был обширный регион болотной экосистемы Западной Сибири (58–67 С.Ш., 58– В.Д.), с расположенными в этом районе объектами нефтегазового комплекса.

Основная цель данного научного исследования – выявление и оценка сезонных вариаций содержания метана в атмосфере данного региона.

Сенсор AIRS установленный на спутнике AQUA представляет собой ди фракционный спектрометр, измеряющий спектральную плотность яркости уходящего излучения Земли в диапазоне длин волн 3.7–15.4 мкм (650–2700 см ) с разрешением ~0.5 см-1. Измерения AIRS разбиты на гранулы (отдельные файлы) каждая из которых содержит 6 минут измерений или 12150 спектров (135 поперечных движению спутника линий сканирования * 90 спектров в ка ждой линии). При этом угол поперечного сканирования меняется в пределах ±49.50, а пространственное разрешение (размер пикселя) на поверхности Земли составляет 13.5 км для надира и 41*22.4 км при максимальных углах сканиро вания. За одни сутки AIRS записывает несколько гранул данных, полученных над одним и тем же местом. Все данные доступны через сеть Интернет (http://daac.gsfc.nasa.gov/AIRS/data_access.shtml). Размер одной гранулы данных (содержащей 12150 измеренных спектров) варьируется от 53 до 126 Мб (в за висимости от степени сжатия). Полная сезонная выборка спектров для иссле дуемого района занимает ~90 Гб. Для анализа выбирались только безоблачные спектры AIRS над исследуемым районом. Скрининг облачности проводился по данным сенсора MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer).

Для решения обратной задачи определения полного содержания метана в атмосфере из данных сенсора AIRS в качестве основного метода использовался метод нейронных сетей. Была построена и натренирована нейронная сеть, свя зывающая спектр AIRS с полным содержанием метана в атмосферном столбе totalCH4. Карты среднесезонного содержания метана в атмосфере строились путем усреднения значений totalCH4, восстановленных по выборке безоблач ных спектров за сезон, Toptygin A. Yu. et al 2004, Грибанов К.Г. и др. 2005, 2007. Было установлено, что неравномерное распределение метана в атмосфере, полученное для марта 2004 года, Рис.12, коррелирует с расположением в ис следуемой области постоянных антропогенных источников значительной эмис сии метана (объекты нефтегазового комплекса: компрессоры магистральных газопроводов и факелы сжигания попутного газа нефтепроводов) и розой вет ров на данный период.

Для построения хода сезонных вариаций содержания метана в атмосфере над районом болот Западной Сибири, Рис.13, использовались полученные се зонные карты totalCH4, усредненные по всей исследуемой площади. Содержа ние метана для весны 2004 г. совпадает в пределах погрешности методов со значением, полученным Clerbaux C. et al 2003 из обработки спектров сенсора IMG за весну 1997 г. над этим регионом Западной Сибири. Оценка вклада при родной эмиссии метана из болот в общее содержание метана в атмосфере опре делялась как разница среднесезонного содержания метана в атмосфере за лето и зиму.

северная широта северная широта восточная долгота восточная долгота Рис. 12. Слева: образец карты содержания метана [моль/м2] в атмосферном столбе над регионом Западной Сибири (60–67 С.Ш., 60–90 В.Д.), полученный из снимка AIRS в теплый период (про гретая поверхность), май 2004 г. Справа: образец карты содержания метана в атмосферном столбе [моль/м2] над тем же регионом Западной Сибири, полученный из снимка AIRS для хо лодного периода (замерзшая поверхность), март 2004 г.

Рис. 13. Слева: среднемесячные вариации содержания метана в атмосферном столбе (моль/м2) (точками приведены среднемесячные значения), усреднённого по району Западной Сибири (60– 67 С.Ш., 60–90 В.Д.), полученные из обработки серии спектров AIRS/AQUA чистого неба за 2004–2006 г.г. Справа: сезонный ход содержания метана в атмосфере (моль/м2) (точками приве дены среднесезонные значения), усреднённого по району Западной Сибири (60–67 С.Ш., 60– В.Д.), полученные из обработки серии спектров AIRS/AQUA чистого неба за 2004–2006 г.г.

Вторая крупная научная задача – это получение количественных данных по широтному распределению отношения HDO/H2O в атмосфере из спектров уходящего теплового излучения высокого разрешения, Zakharov V.I. et al 2002, 2004. Для решения этой задачи применялся метод ГК, в качестве априорной информации для построения выборочных ковариационных матриц в работе бы ли использованы данные модели общей циркуляции атмосферы NASA GISS ModelE (Shmidt G. 2004), учитывающей изотопное разделение воды. Они пред ставляют собой глобальный пространственно временной набор метеорологиче ских состояний атмосферы, каждое из которых включает: поверхностное дав ление, профили температуры, профили концентрации водяного пара и HDO.

Для моделирования синтетических спектров сенсора IMG использовалось ПО FIRE-ARMS, спектроскопическая база данных HITRAN-2004, последняя мо дель континуума MT_CKD для водяного пара.

На Рис.14 приведены результаты высотно-широтного распределения от ношения HDO/H2O в атмосфере над океаном, полученные из спектров сенсора IMG на спутнике ADEOS (Топтыгин А.Ю. и др. 2006, 2007).

Рис.14. Слева: широтное распределение вертикального профиля HDO в атмосфере, полу ченное в результате усреднения по долготе данных обработки спектров IMG/ADEOS, изме ренных над районом Тихого океана (65 Ю.Ш.–65 С.Ш., 130–170 З.Д.) в период с ноября по июль 1997. Пунктиром проведены данные модели общей циркуляции атмосферы NASA GISS ModelE (Shmidt G. et al 2004) для этого региона и рассматриваемых сезонов.

Рис.15. Справа: широтное распределение величины HDO в атмосферном столбе над регио ном Тихого океана (65 Ю.Ш.–65 С.Ш., 130–170 З.Д.), полученное в настоящей работе из данных сенсора IMG со спутника ADEOS (темные кружки - пунктир) и распределение, по лученное из данных сенсора TES со спутника AQUA (квадраты), Noone D.et al 2006.

Расчет относительного содержания дейтерия в целом по атмосферному столбу проводился по формуле:

H H HDO* = N H 2 O (h) HDO(h)dh N H 2 O (h)dh. (16) 0 Эта величина достаточно информативна и удобна для представления и карти рования горизонтального распределения относительного содержания дейтерия в атмосфере. Оценка ошибки методики производилась по схеме замкнутых мо дельных экспериментов с синтетическими спектрами, а также сравнение про межуточных результатов (профилей температуры и водяного пара) с зондовыми измерениями.

В виду отсутствия прямых экспериментальных данных по измерениям профилей HDO над океаном, в работе сравнение полученных результатов по вертикальным профилям HDO проводилось с аналогичными данными других авторов по широтному распределению относительного содержания дейтерия в целом по атмосферному столбу HDO* полученными позднее из данных сенсо ра TES на спутнике AURA. Результаты сравнения приведены на Рис.15, кото рые демонстрируют хорошее согласие для северного полушария. Отличие в результатах для южного полушария связано с недостаточной статистической репрезентативностью набора безоблачных данных TES для южного полушария.

В приложении приведено краткое описание основных опций оригиналь ного программного пакета FIRE-ARMS (http://remotesensing.ru) и представлены примеры перспективных методов решения актуальных прикладных обратных задач ИК атмосферной оптики.

I. Предложена методика определения вертикального профиля относи тельного содержания HDO из инфракрасных спектров пропускания атмосферы высокого разрешения, Топтыгин А.Ю. и др. 2006, 2007. Апробация производи лась на данных наземного спектрометра FTIR, установленного на Аляске (65. С.Ш., 147.42 З.Д.). Рабочий спектральный диапазон данного прибора 750– см-1, спектральное разрешение ~0.002 см-1. Из спектров пропускания извлека лась оптическая толщина атмосферы, обусловленная поглощением молекулами HDO. Для этого использовался метод спектроскопии дифференциального по глощения с выбором канала сравнения в крыле линии. Затем, между ГК рассчи танных спектров для оптической толщины и профилей HDO стоилась линейная регрессия. Оценка погрешности метода проводилась по замкнутой методике модельных экспериментов с синтетическими спектрами. По разработанной ме тодике были обработаны измеренные спектры FTIR, поддержанные синхрони зированными по времени зондовыми измерениями профилей температуры и влажности, получены профили HDO. Верификация предложенной методики путем независимого сравнения с классическим методом регуляризации Тихоно ва А.Н. продемонстрировала хорошее согласие обеих методов.

II. Предлагается оригинальный метод дистанционного определения от ношения 13C /12C в атмосферном столбе по спектрам пропускания атмосферы высокого разрешения (~0.002 см-1) в диапазоне 6100-6300 см-1 с высоким отно шением сигнал/шум, измеряемым Фурье спектрометрами наземного базирова ния. Метод основан на измерении отношения оптических толщин атмосферы для гомологичной пары линий изотопов 13CO2 и 12CO2, Захаров В.И. и др. 2008.

III. Для задачи определения вертикального профиля CO2 из ИК спектров сенсора GOSAT/FTS разработана и натренирована нейронная сеть, демонстри рующая возможность определения с требуемой точностью вертикального про филя CO2 и полного его содержания в атмосферном столбе из синтетических спектров ИК сенсоров GOSAT/FTS в полосах поглощения CO2 1.6 µm и 2. µm, Gribanov K.G. et al 2006.

IV. Предложена относительно простая феноменологическая модель для определения расходов природного газа на мощных факелах из данных сенсоров типа MODIS, Грибанов К.Г. и др. 2006. В предложенной модели расход газа на факеле пропорционален величине = (R R )S pix. Где R яркость излучения в 20 канале MODIS, приходящего с пикселя накрывающего факел, а R среднее значение фоновой яркости пикселей прилежащей поверхности, S pix - площадь пикселя. Расход газа от величины был аппроксимирован линейной зависимо стью:

p, Q = p2 + (17) C где расход Q в тысячах м3 в час, C - удельная теплота сгорания газа в кДж/м3, характерная для данного месторождения, параметры p1 и p2 подгоночные.

На Рис.16 приведена калибровочная зависимость величины расхода газа от определяемой по спутниковым данным величины.

Рис.16. Зависимость расхода газа Q в тысячах м3 в час на факеле Вань Ёганского месторождения (61.8 с.ш., 77.2 в.д.) от наблюдаемой величины в 20-ом канале MODIS, заданной в МВт/(мкм*ср). Точки – результаты замеров расхода газа на факеле, синхронизованные с данными MODIS.

Прямая (калибровочная линия) представ ляет собой аппроксимацию, полученную методом наименьших квадратов.

Величина стандартного отклонения при подгонке калибровочной прямой составила 7.2 тыс. м3 в час. Данные по замерам in situ расхода газа на факеле предоставлены Югорским НИИ ИТ.

Вышеописанная модель была реализована в оригинальном программном пакете MODIS_Flares под ОС Windows (http://remotesensing.ru) для попиксель ной обработки сигналов 20-го канала MODIS и расчетов расхода газа на факеле, Грибанов К.Г. и др. 2006. ПО MODIS_Flares может быть использовано в каче стве пробного инструмента в системе обработки данных MODIS и количест венной оценки мощности факелов и независимых оценок расхода газа на факельных установках сжигания попутного газа.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты проведенных исследований:

1. Получила развитие теория переноса теплового излучения в молекулярных средах, а именно:

• Развиты и программно реализованы в оригинальном пакете FIRE-ARMS (http://remotesensing.ru) спектроскопически детализованные прямые line-by-line модели высокого разрешения (до 0.0001 см-1) для исследования переноса теп лового излучения безоблачной слабоаэрозольной атмосферы в диапазоне 0 10000 см-1 для различных геометрий наблюдения: надир, зенит, по наклонным трассам и в лимб, учитывающие литературные модели континуума водяного пара и эффекты смешения линий в основных полосах СО2 и СН4.

• Разработаны и программно реализованы в оригинальном пакете FIRE ARMS (http://remotesensing.ru) различные методы решения обратных задач по определению атмосферных параметров (вертикальные профили температуры и концентрации оптически активных газов) из спектров теплового излучения ат мосферы высокого разрешения, регистрируемых современными Фурье спек трометрами в надир, зенит и по наклонным трассам в условиях чистого неба.



Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.