ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2009, № 6, с. 16-23
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
МЕТОДИКА ИЗУЧЕНИЯ РАДИОТЕПЛОВОГО ПОЛЯ ЗЕМЛИ И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ВЛАГОЗАПАСА ТРОПОСФЕРЫ
© 2009 г. Н. М. Астафьева, М. Д. Раев
Институт космических исследований РАН, Москва E-mail: ast@iki.rssi.ru Поступила в редакцию 24.02.2009 г.
Представлена методика изучения структуры радиотеплового поля Земли, а также распределения влаго- и водозапаса тропосферы на основе построения и последующего анализа широтно-вре-менной диаграммы. Преимущества методики показаны на примере анализа глобальных радиотепловых полей Земли из электронной коллекции GLOBAL-Field (http://www.iki.rssi.ru/asp/), сформированных в Институте космических исследований РАН из полосовых данных микроволнового спутникового мониторинга в рамках программы DMSP (Defense Meteorological Satellite Program; http://dmsp.ngdc.noaa.gov/dmsp.html). Предлагаемая методика заключается в построении широтно-временных диаграмм на основе серии радиотепловых полей — глобальных или региональных, за небольшой промежуток времени или за несколько лет. Полученные диаграммы позволяют изучить широтное распределение анализируемой характеристики (например, влагозапаса тропосферы), глобальное и региональное, а также внутри- и междугодовые изменения такого распределения. В качестве примера приведены некоторые результаты, полученные с помощью предлагаемой методики.
Ключевые слова: радиотепловое поле Земли, тропосфера, микроволновые данные, спутниковый мониторинг.
ВВЕДЕНИЕ
Атмосфера Земли хорошо перемешана почти до высоты 90 км, основные компоненты ее состава: 78.09% азота, 20.95% кислорода, 0.93% аргона, 0.03% углекислого газа; на долю остальных газов приходятся тысячные и десятитысячные доли процента. Кроме перечисленных постоянных компонентов атмосфера содержит переменные, которые распределены в атмосфере далеко не так равномерно, — это озон и водяной пар, входящие в малые доли процента. Так, например, над каждым квадратным метром земной поверхности в воздухе содержится в среднем около 28.5 кг водяного пара (Хромов, Петросянц, 2006), в то время как общая масса такого столба воздуха (при среднем атмосферном давлении) примерно в 300 раз больше — около 10 т. Тем не менее, несмотря на относительно малое количество, эти переменные компоненты состава атмосферы (озон и водяной пар) оказывают огромное влияние на тепловой режим и климат планеты.
Самый нижний и наиболее плотный слой атмосферы — тропосфера — содержит до 80% всей массы атмосферы и простирается в полярных и средних широтах до высот 8—10 км, а в тропиках до 16—18 км. В тропосфере (от греческого тропэ — поворот) температура падает с высотой на 6— 7°С/км, поскольку нижние слои атмосферы получают тепло от земной поверхности, излучаю-
щей его в длинноволновом инфракрасном (ИК) диапазоне и передающей тепло также за счет конвекции и теплопроводности. Здесь развиваются практически все погодообразующие процессы, происходят тепловой и влагообмен между поверхностью и атмосферой, образуются облака (за исключением более высоких перламутровых и серебристых), дуют ветры, возникают различные метеорологические явления, туманы и осадки. Именно в тропосфере содержится ~90% водяного пара (его плотность падает с высотой гораздо быстрее, чем плотность остального воздуха), молекулы которого интенсивно поглощают ИК-лу-чи во всем диапазоне, за исключением "окна" на длинах волн 8—13 мкм.
Океаны содержат ~97.5% всей воды планеты, суша ~2.4%, а атмосфера — менее 0.001%. Это кажется удивительным, поскольку вода (и пар воды в особенности) играет чрезвычайно важную роль в формировании погоды и в энергетике атмосферы. Ежегодные выпадающие осадки в 30—40 раз, по оценкам разных авторов, превышают суммарное количество воды (и водяного пара в том числе), способное удерживаться атмосферой. Это указывает на быструю циркуляцию воды между поверхностью и атмосферой. В году наблюдается в среднем для Земли 45 циклов испарение-осадки, а водяной пар в атмосфере полностью обновляется каждые 8-10 сут. Таким образом, атмо-
сферная влага является самым активным звеном круговорота воды в природе. Несмотря на относительно короткое время жизни (например, время жизни С02 — несколько десятков лет), водяной пар переносится на огромные расстояния от места испарения до места выпадения в виде осадков, поскольку он вморожен в движущийся воздух и переносится атмосферными движениями разных масштабов и с разными скоростями. Так, например, скорость переноса водяного пара воздушными течениями вдоль широты (зональный перенос) составляет в среднем 220 км/сут. Это одна из причин того, что в отличие от большинства других присутствующих в атмосфере газов содержание водяного пара в воздухе может очень сильно меняться в пространстве и времени.
Основными составляющими энергетического баланса атмосферы Земли являются нагревание при поглощении УФ-, видимого и ИК-излучений; остывание за счет излучения ИК-радиации; теплообмен с земной поверхностью; приобретение или потеря энергии при конденсации или испарении воды, а также при сжатии или расширении воздуха. Можно указать, по крайней мере, на три важных способа участия водяного пара в этих процессах и в распределении энергии в атмосфере: 1) фазовые переходы; 2) поглощение излучения в определенных диапазонах длин волн; 3) формирование защищающего облачного слоя (который оказывает влияние и на альбедо Земли).
1) За год с поверхности океанов испаряется ~5.05 х 108 Мт, а с поверхности материков ~ 0.72 х х 108 Мт воды. На испарение такого количества воды затрачивается много тепла: ~1024 Дж/год или 25% солнечной энергии, поступающей на Землю. Количество теплоты, затраченное на испарение (скрытая теплота парообразования), поступает вместе с водяным паром в атмосферу и выделяется там при его конденсации и формировании облаков, т.е. энергия конденсации водяного пара возвращается в атмосферу в форме скрытого тепла.
2) Водяной пар определяет погодные условия не только вследствие конденсации, но и напрямую участвуя в энергетических процессах. Молекулы водяного пара (Н20), как сказано выше, являются активным поглотителем ИК-излучения земной поверхности и атмосферы. Водяной пар влияет (наряду с СО2) на формирование теплового режима поверхности и атмосферы, являясь важнейшим фактором парникового эффекта. Фактически водяной пар является основным парниковым газом, за счет которого приземная температура воздуха приблизительно на 20°С выше, чем была бы в его отсутствие.
3) В тропосфере содержится значительное количество водяного пара, при конденсации которого образуются облака. В среднем облака покры-
вают около половины земного шара и являются важным фактором, определяющим погоду и климат. Зимой и ночью облачность препятствует понижению температуры поверхности и приземного воздуха, летом и днем — ослабляет нагревание земной поверхности солнечными лучами, смягчая климат внутри материков.
Таким образом, поскольку вода обладает исключительно высокой удельной теплоемкостью, масса облаков и водяной пар, содержащиеся в атмосфере, существенно воздействуют на радиационный режим планеты, поглощая и отражая избыток солнечной радиации и регулируя ее поступление на Землю. Одновременно облака экранируют встречные тепловые потоки, идущие с поверхности Земли, снижая теплопотери в межпланетное пространство.
Распределение атмосферной влаги характеризуется большой пространственной и временной неоднородностью. Убывание влажности с высотой происходит по-разному в зависимости от условий перемешивания воздуха и от вертикального распределения температуры, но всегда влажность с высотой убывает гораздо быстрее, чем температура (и плотность остального воздуха). Влагосодержание наибольшее вблизи экватора и, как и температура, убывает с широтой (известны три зоны максимума осадков — экватор и две области в умеренных широтах обоих полушарий, а также четыре зоны минимума — в двух областях пассатных широт, в Арктике и Антарктике). В течение года осадки также выпадают крайне неравномерно: в экваториальных районах наибольшее количество их выпадает дважды в году — после осеннего и весеннего равноденствия; в тропиках и муссонных областях — летом (при почти полном бездождье зимой); в субтропиках — зимой; в умеренных континентальных зонах — летом.
Из всего сказанного слагается значительная по-годообразующая функция атмосферной влаги, а также заметная неоднородность ее пространственно-временного распределения. Отметим, что в оптической области спектра практически нет линий или полос поглощения водяного пара — газообразная вода поглощает в красной и ИК-частях спектра. Поэтому так важно исследовать распределение и пути распространения водяного пара в атмосфере на основе данных спутникового мониторинга в микроволновом диапазоне.
Предлагаемая в настоящей работе методика, основанная на построении широтно-временных диаграмм, позволяет изучить широтное распределение влагозапаса тропосферы (глобальное и региональное), внутри- и междугодовые изменения такого распределения, а также межширотный перенос влаги (а значит, и скрытого тепла) из приэкваториальных областей в более высокие широты. Широтно-временные диаграммы строятся с
использованием серий глобальных радиотепловых полей, сформированных в Институте космических исследований (ИКИ) РАН (Астафьева и др., 2005; Астафьева и др., 2006) из полосовых данных микроволнового спутникового мониторинга Земли радиометром SSM/I (Special Sensor Micro-wave/Imager) в рамках программы DMSP (Defense Meteorological Satellite Program; http://dmsp.ngdc. noaa.gov/dmsp.html). Представлены интерпретация некоторых результатов, полученных с помощью широтно-временньгх диаграмм, и примеры использования методики широтно-временной диаграммы для анализа радиотепловых полей и термодинамических процессов в атмосфере над акваториями Мирового океана.
Приборы, установленные на ИСЗ, обеспечивают глобальные наблюдения геофизических параметров в виде полей с различными пространственным разрешением, протяженностью и временной регулярностью. Современные ИК- и СВЧ-радиометры регистрируют собс
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.