2

3  

Реферат 

Отчёт 21 стр. 3 ч., 7 рис., 11 источников, 1 прил.

Атмосферный озон, миллиметровые волны, дистанционное зондирование, вертикальное распределение, истощение озона, радиоспектрометр.

В отчёте представлены результаты регулярных измерений на миллиметровых волнах вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере над Москвой, проводившихся в ФИАН в 2004-2006 гг. Рассмотрены основные особенности пространственно-временного распределения озона на высотах 15-100 км и их связь с крупномасштабными процессами в стратосфере Северного полушария. Обнаружены аномальные неблагоприятные эффекты значительного истощения стратосферного озона на высотах 25-45 км в холодные месяцы, связанные со смещениями стратосферного полярного вихря к пункту наблюдений. Исследованы вариации вертикального профиля ночного озона на труднодоступных высотах мезосферы и нижней термосферы. Разработаны и испытаны квазиоптические тепловые излучатели двух типов, предназначенные для калибровки радиоспектрометров ММ диапазона волн. Разработаны и изготовлены квазиоптические узлы нового транспортабельного озонометра, работающего на частоте 142 ГГц. Разработан и испытан широкополосный 96-канальный фильтровой анализатор спектра нового поколения, оптимизированный для наземных наблюдений спектров атмосферного озона.

На основании проведённых работ сделан вывод о необходимости продолжения наземных исследований озонного слоя атмосферы на ММ волнах. Требуются также одновременные измерения пространственного распределения озона, окиси хлора и других малых газовых составляющих атмосферы. Следует продолжать работы по созданию отечественной наземной сети обсерваторий для мониторинга атмосферы на ММ волнах.

4

Содержание 

Введение                                                                                                                                            6 

Выполнение запланированных научно-исследовательских работ                                                          7 

1. Выполнение плана НИР                                                                                                                   7 
2. Основные результаты исследований озонного слоя над Москвой                                                     8 
3. Разработка аппаратуры миллиметрового диапазона волн для атмосферных исследований              13 

 Заключение                                                                                                                                       16

 Список использованных источников                                                                                                   18

 Приложение А                                                                                                                                    19

5 

Нормативные ссылки 

В настоящем отчете о НИР использована ссылка на стандарт ГОСТ 8.417 – «Единицы физических величин».

Определения, обозначения и сокращения 

В данном отчёте о НИР используются следующие сокращения:

      1) на русском языке:

АС – анализатор спектра

ВРО – вертикальное распределение озона

ИПФ РАН – Институт прикладной физики Российской академии наук

ММ - миллиметровый

МГС – малая газовая составляющая

НИР – научно-исследовательская работа

ФИАН – Физический институт им. П.Н.Лебедева Российской академии наук

      2) на английском языке:

ppm – parts (particles) per million

6 

Введение

Научно-исследовательская работа (НИР) «Исследование атмосферы Земли в миллиметровом диапазоне волн» является продолжением и развитием работ по наземному дистанционному зондированию малых газовых составляющих атмосферы (МГС), которые проводятся Лабораторией спектроскопии миллиметровых волн Отделения оптики ФИАН с середины 80-х годов.

Исследование атмосферы Земли в миллиметровом (ММ) диапазоне волн открывает новые возможности в решении фундаментальных проблем аэрономии, радиофизики, экологии и ряда других областей фундаментальных и прикладных наук. Одним из важнейших и наиболее актуальных направлений исследований по данной теме является изучение изменений газового состава атмосферы Земли, ее защитного озонного слоя в условиях возрастающих неконтролируемых техногенных загрязнений атмосферы и глобальных изменений климата. Необходимое для решения указанных проблем дистанционное зондирование атмосферы, ее озонного слоя наземными методами ММ волн позволяет оперативно получать уникальные данные о вертикальном распределении озона и других МГС в широком диапазоне высот в стратосфере и мезосфере, круглосуточно и при различных атмосферных условиях (в присутствии аэрозольных слоев, облачности), что недоступно для традиционных методов исследований (оптических спектрометров, лидаров, контактных методов).

Теоретические методы решения обратной задачи - восстановления вертикального распределения озона (ВРО) и других газов из измеренных спектров излучения атмосферы, основаны на оригинальных алгоритмах с применением метода Тихонова (метод обобщенной невязки). Регулярные наблюдения (мониторинг) атмосферы, ее защитного озонного слоя высокоэффективными методами дистанционного зондирования на ММ радиоволнах с поверхности Земли необходимы для изучения высотно-временного распределения содержания озона и других МГС в труднодоступных для других методов слоях стратосферы и мезосферы, для оперативного обнаружения опасных для биосферы эффектов аномального уменьшения содержания озона, связанного с физико-химическими процессами в атмосфере в условиях возрастающих техногенных нагрузок на атмосферу.

Важными практическими задачами наземного дистанционного зондирования атмосферы на ММ волнах являются

1) обнаружение ранних стадий разрушения озонного слоя;

7

2) синхронные подспутниковые наблюдения атмосферы для проверки результатов наблюдений из космоса, для калибровки бортовой аппаратуры.

Созданные в ФИАН высокочувствительная приемная аппаратура оригинальной конструкции и методы наземного дистанционного зондирования атмосферы Земли по своим характеристикам находятся на уровне лучших мировых аналогов.

Результаты работ, выполненных в ФИАН в рамках данной НИР на этапах 2004 и 2005 гг., изложены в отчётах [1, 2].

Единицы физических величин в отчёте указаны по ГОСТ 8.417.

Выполнение запланированных научно-исследовательских работ

1 Выполнение плана НИР 

По первоначальному плану, в рамках данной НИР предполагалось выполнение следующих исследований и разработок:

•  Исследование влияния динамических процессов в атмосфере на вертикальное распределение содержания стратосферного озона в средних широтах;
•  Изучение закономерностей сезонного хода содержания атмосферного озона на основе регулярных наблюдений спектральной линии озона с центральной частотой 142,175 ГГц;
•  Исследование мезосферного озона на миллиметровых радиоволнах, изучение вариаций содержания ночного мезосферного озона;
• Разработка и изготовление узлов усовершенствованного озонометра миллиметрового диапазона волн (тепловых калибровочных излучателей нового типа, квазиоптических узлов малошумящего приёмника, улучшенного анализатора спектра).

В соответствии с календарным планом НИР, в период 2004-2006 гг. были выполнены следующие работы:

1. На этапе 2004 г.:

• были получены новые данные об изменениях в озонном слое средних широт под влиянием процессов атмосферной циркуляции;
• были разработаны тепловые излучатели нового типа для калибровки спектрометров ММ диапазона для атмосферных исследований.

2. На этапе 2005 г.:

3. На этапе 2006 г.:

• были исследованы изменения содержания ночного мезосферного озона;
• был изготовлен анализатор спектра с характеристиками, оптимизированными для измерений спектров атмосферного озона.

Таким образом, все задачи, указанные в календарном плане НИР, были успешно решены в установленные сроки.

Список публикаций по теме НИР приведён в Приложении А.
  

2 Основные результаты исследований озонного слоя над Москвой 

В течение 2004-2006 гг. в ФИАН проводились регулярные измерения вертикального распределения атмосферного озона над Москвой на ММ волнах. Было записано более 6000 спектров излучения озона, по которым восстановлены профили ВРО. Полученные результаты, а также данные измерений, выполненных в предшествующие годы, позволили исследовать основные особенности ВРО над Москвой и его вариации, включая короткопериодные, сезонные и межгодовые изменения. Обнаружены неблагоприятные явления аномального уменьшения содержания озона на высотах 25-45 км. Установлено, что такое значительное уменьшение содержания озона обусловлено крупномасштабными атмосферными процессами в Северном полушарии, усилением планетарных волн в холодное полугодие, появлением над Москвой воздуха полярного вихря, в котором происходит разрушение озонного слоя, и содержание озона внутри которого значительно понижено. Это явление аналогично возникновению «озонной дыры» в Антарктике. Измеренное внутри полярного вихря относительное содержание озона составляет 3,5÷4·10^-6 (или 3,5÷4 ppm) на высотах от 25 до 45 км, что в 1,5-2 раза ниже, чем вне вихря. В стратосфере наряду с типичными профилями относительного содержания озона, имеющими максимум на высоте около 35 км, в отдельные периоды холодных месяцев наблюдались деформированные профили с пониженным содержанием озона и, в ряде случаев, локальным минимумом на высотах 30-33 км.

Для изучения влияния крупномасштабных атмосферных процессов на ВРО были установлены корреляционные связи между содержанием озона на разных высотах стратосферы и другими параметрами атмосферы: потенциальной завихренностью, общим содержанием озона, геопотенциальной высотой, температурой. Получено, что

9

коэффициент корреляции между содержанием озона на высоте 30 км и потенциальной завихренностью составляет до -0,9, а между содержанием озона на той же высоте и общим содержанием озона составляет до 0,8 в холодные периоды последних лет.

Обнаружены новые эффекты постепенного заполнения озоном полярного вихря в течение холодного периода. Сделан важный вывод о неполной изолированности воздуха вихря, о существовании перемешивания бедного озоном воздуха вихря с воздухом средних широт, в котором содержание озона более высокое. Такое перемешивание может вносить свой вклад в наблюдаемое долговременное уменьшение озона в средних широтах.

Отмечено отличие полученных на ММ волнах среднемесячных значений содержания озона над Москвой от данных справочной модели озоносферы COSPAR [3]. Это отличие наиболее заметно на высотах 40-45 км. Например, среднее за март содержание озона на высоте 40 км за 1996-2005 гг. оказалось на 15-20% ниже данных модели [3]. Такое понижение содержания озона на этих высотах можно рассматривать как оценку убыли озона со времени измерений в 1978-1983 гг., результаты которых положены в основу модели [3]. Причиной уменьшения озона на этих высотах считается [4, 5] разрушение озона в каталитическом цикле с участием хлора техногенного происхождения.

На основе статистического анализа результатов измерений вертикального распределения озона над Москвой, выполненных с 1996 г. по 2006 г., для зимних месяцев обнаружена бимодальность в распределении отклонений содержания озона на высотах 25-45 км от соответствующих среднесуточных значений за указанный период наблюдений. Данная бимодальность связана с тем, что в зимние месяцы над Москвой могут находиться либо воздушные массы стратосферного полярного вихря с пониженным содержанием озона, либо воздушные массы, не принадлежащие вихрю, с более высоким содержанием озона. На основе результатов регулярных наблюдений атмосферы на ММ волнах были проанализированы и изучены закономерности сезонного хода содержания озона над Москвой. Установлено, что наблюдаемые сезонные изменения содержания озона качественно соответствуют данным модели [3]. В то же время обнаружено, что среднемесячные значения содержания стратосферного озона в холодные полугодия оказываются заметно меньше данных этой модели.

Получено хорошее соответствие (в пределах погрешностей измерений) профилей ВРО над Москвой, полученных на ММ волнах с Земли, и результатов одновременных лимбовых спутниковых измерений на ММ волнах с использованием прибора MLS, установленного на борту спутника Aura [6, 7]. 

10

В ходе НИР на ММ волнах были проведены также наблюдения ночного озона в мезосфере и нижней термосфере над Москвой (высоты примерно от 50 до 100 км). На этих высотах озон играет ключевую роль в тепловых, фотохимических и динамических процессах. Зарегистрирован суточный ход мезосферного озона с характерным значительным увеличением содержания озона ночью, что соответствует выводам фотохимической теории. В ночное время обнаружены второй и третий максимумы в вертикальном распределении относительного содержания озона, расположенные соответственно в нижней термосфере и мезосфере. Содержание озона на высотах этих максимумов испытывает значительные межсуточные вариации. От ночи к ночи величина мезосферного максимума на высотах 65-70 км может меняться в 3-4 раза, а термосферного максимума на высотах 85-95 км – до 10 раз. Обнаружена связь этих вариаций с крупномасштабными динамическими процессами в стратосфере. Показано, что значение коэффициента корреляции содержания озона на высоте 65 км и потенциальной завихренности на уровне потенциальной температуры 850 К (высота около 30 км) может достигать -0,6. Отрицательные значения этого коэффициента свидетельствует о том, что при смещении полярного стратосферного вихря к Москве в большинстве случаев наблюдается понижение содержания ночного озона на высоте 65 км. Таким образом, бедные озоном воздушные массы полярного вихря могут наблюдаться и на высотах мезосферы. Коэффициент корреляции содержания озона на высоте 90 км и потенциальной завихренности на уровне потенциальной температуры 850 К, напротив, положителен. Полученные данные подтверждают гипотезу о влиянии вертикального переноса атомарного кислорода на содержание озона в нижней термосфере внутри полярного вихря [8]. Эти результаты согласуются с расчётами [9] и данными спутниковых экспериментов [10, 11].

На Рисунке 1 представлены примеры вертикальных профилей относительного содержания озона над Москвой, полученных на ММ волнах в ночное время.

11

16

 17

18

Список использованных источников

1       Отчёт ФИАН по НИР "Исследование атмосферы Земли в миллиметровом диапазоне волн" за 2004 г. /Соломонов С.В. и др. М.: ФИАН, 2004.

2       Отчёт ФИАН по НИР "Исследование атмосферы Земли в миллиметровом диапазоне волн" за 2005 г. /Соломонов С.В. и др. М.: ФИАН, 2005.

3       G.M.Keating, L.S.Chiou, and N.C.Hsu. Improved ozone reference models for the COSPAR international reference atmosphere //Adv. Space Res. - 1996. - V.18, No.9/10.- P.11-58.

4       Г.Брасье, С.Соломон. Аэрономия средней атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.

5       Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2002, World Meteorological Organization, Global Ozone Research and Monitoring Project, Rep. No.47, Geneva, 2003.

6       L.Froidevaux, N.J.Livesey, W.G.Read, et al. Early validation analyses of atmospheric profiles from EOS MLS on the Aura satellite //IEEE Trans. Geosci. Remote Sensing – 2006. - V.44, No.5. – P.1106-1121.

7       S.B.Rozanov, S.V.Solomonov, E.P.Kropotkina, A.N.Ignatyev, A.N.Lukin. Ground-based remote sensing of the atmospheric ozone over Moscow at millimeter waves //Proc. 13th SPIE Europ. Symp. on Remote Sensing, Stockholm, 11-14 Sept. 2006. - Proc. SPIE. - 2006. - V.6362, P.63621Z1-63621Z11.

8       С.В.Соломонов, Е.П.Кропоткина, С.Б.Розанов. Исследование вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере на миллиметровых волнах //Изв. вузов. Радиофиз. – 2003. – Т.46, N8-9.- С.764-770.

9       A.K.Smith, D.R.March//J. Geophys. Res. – 2005.- V.110, No.D23305. - doi:10.1029/ 2005JD006298.

10    M.Kauffman et al. //J. Geophys. Res. – 2003. V.108. No.D9. - doi:10.1029/2002JD002800 – P. 4272.

11    R.M.Bevilacqua et al. //Geophys. Res. Lett. – 1996. V. 23. No.17. – P.2317-2320.

19

ПРИЛОЖЕНИЕ  А

Список публиккаций по теме НИР за 2004-2006 гг.

2004

1.      С.В.Соломонов, Е.П.Кропоткина, С.Б.Розанов, А.Н.Игнатьев, В.Н.Леонов, А.Н.Лукин. Исследование особенностей вертикального распределения озона над Москвой //Краткие сообщ. по физике ФИАН. – 2004.- N1.- С.23-31.

2.      А.Н.Игнатьев, Е.П.Кропоткина, С.Б.Розанов, С.В.Соломонов. Оптимизация частотных характеристик радиоспектрометров для исследований атмосферного озона и окиси хлора в на миллиметровых волнах //Тез. докл. Международ. конф. "Ломоносов-2004", секция "Физика", Москва, 13 апр. 2004 г. - С.247-248. М.: Изд. физич. ф-та МГУ, 2004.

3.      С.В.Соломонов, Е.П.Кропоткина, В.Н.Леонов, А.Н.Лукин, С.Б.Розанов. Влияние полярного вихря на вертикальное распределение озона над Москвой по результатам наблюдений на миллиметровых радиоволнах //Тез. докл. 4-й Всерос. науч. конф. “Физич. проблемы экологии (Экологич. физика)”, Москва, 22-24 июня 2004 г. - С.29. М.: Изд. МГУ, 2004.

4.      С.Б.Розанов, С.В.Соломонов, А.Н.Игнатьев, Е.П.Кропоткина. Оптимизация характеристик радиоспектрометров миллиметрового диапазона волн для исследований озона и окиси хлора в атмосфере Земли //Тез. докл. 4-й Всерос. , науч. конф. “Физич. проблемы экологии (Экологич. физика)”, Москва, 22-24 июня 2004 г. - С.168-169. М.: Изд. МГУ, 2004.

5.      С.Б.Розанов, С.В.Соломонов, А.Н.Игнатьев, Е.П.Кропоткина. Оптимизация характеристик радиоспектрометров миллиметрового диапазона волн для исследований озона и окиси хлора в атмосфере Земли //Сборник "Физич. проблемы экологии", ?12, М.: Изд. МГУ, 2004. – С.186-199.

6.      А.Н.Игнатьев, Е.П.Кропоткина, С.Б.Розанов, С.В.Соломонов. Методы определения вертикальных профилей содержания атмосферного озона и окиси хлора из наблюдений на миллиметровых волнах //Труды IX Всерос. школы-семинара «Волны 2004», «Волновые явления в неоднородных средах», Моск. обл., пансионат «Университетский», 24-29 мая 2004 г., С.13-14. М.: Изд. МГУ, 2004.

7.      С.В.Соломонов, Е.П.Кропоткина, С.Б.Розанов. Спектральные исследования атмосферного озона на миллиметровых радиоволнах //Монография «Оптическая спектроскопия и стандарты частоты». Под. ред. Л.Н.Синицы и Е.А.Виноградова. Томск: Изд. Ин-та оптики атмосферы СО РАН, 2004. С.52-85.

2005

1.      С.В.Соломонов, Е.П.Кропоткина, С.Б.Розанов, А.Н.Игнатьев. Влияние крупномасштабных атмосферных процессов на вертикальное распределение озона над Москвой //Краткие сообщения по физике ФИАН. – 2005.- N7.- С.14-22.

2.      С.Б.Розанов, И.И.Собельман, В.Г.Божков, Н.А.Есепкина, А.Н.Игнатьев, Е.П.Кропоткина, С.К.Круглов, П.Л.Никифоров, В.И.Перфильев, Ю.А.Пирогов, И.И.Саенко, С.В.Соломонов, С.Ю.Турыгин, А.М.Штанюк. Создание радиоспектрометров диапазонов волн 2 мм и 1,5  мм для атмосферных исследований с оптимизированными характеристиками //Изв. вузов. Радиофиз. - 2005. - N10-11. - С.857-862. 

3.      Е.П.Кропоткина, Ю.Ю.Куликов, В.Г.Рыскин, С.В.Соломонов. Исследование изменений вертикального распределения озона над Москвой и Апатитами методами

21

2.      S.B.Rozanov, S.V.Solomonov, E.P.Kropotkina, A.N.Ignatyev, A.N.Lukin. Ground-based remote sensing of the atmospheric ozone over Moscow at millimeter waves //Proc. 13th SPIE Europ. Symp. on Remote Sensing, Stockholm, 11-14 Sept. 2006. - Proc. SPIE. - 2006. - V.6362, P.63621Z1-63621Z11.