ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ МЕТАНА В АТМОСФЕРЕ С ПОМОЩЬЮ КОРРЕЛЯЦИОННОГО РАДИОМЕТРА
© 2015 г. С. А. Шишигин
Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, Томск E-mail: ssa@iao.ru Поступила в редакцию 25.03.2014 г.
В работе рассмотрена методика замены неоднородной атмосферы на однородные слои. Функция пропускания и излучения слоя в выбранном спектральном участке эквивалентны неоднородному слою. Показано изменение эффективной яркостной температуры однородного слоя от его толщины в полосе поглощения метана 1220—1260 см-1. Отрицательные значения спектральной плотности энергетической светимости однородного слоя атмосферы шириной более 3200 м показывают о возрастании ослабляющей роли данного слоя в уходящем излучении в рассматриваемой модели атмосферы. Рассмотрено применение метода корреляции газовых светофильтров для измерения содержания метана в приземном слое атмосферы с аэрокосмической платформы.
Ключевые слова: атмосфера, метан, температура, ИК-излучение, корреляционный радиометр DOI: 10.7868/S0205961415050073
ВВЕДЕНИЕ
Техногенное увеличение содержание парниковых газов в приземном слое атмосферы через определенный промежуток времени распространяется не только в нижней атмосфере, но и во всей ее толще (Аршинов и др., 2012). Наибольшая изменчивость парниковых газов СО2, СН4, М20 наблюдается в пограничном слое, она в 2—3 раза выше, чем в свободной атмосфере. Возрастание концентрации СО2 начинается с пограничного слоя атмосферы, затем в масштабах одного—двух лет практически равномерно распределяется по всей ее толще, что приводит к изменению стандартной модели атмосферы. Результаты наблюдений малых газовых составляющих атмосферы (Лок1 й а1., 2003) показывают, что существует положительная корреляция концентрации парниковых газов СО2, СН4, М20 в стратосфере и пограничном слое атмосферы. Использование стандартных моделей в качестве опорных при решении обратной задачи восстановления высотных профилей малых газовых компонентов из данных дистанционного спектроскопического зондирования известными методами может привести к существенному смещению результатов.
Требования к определению параметров атмосферы и подстилающей поверхности меняются в зависимости от области использования и рассматриваемой области атмосферы (Тимофеев, 2009). Эти требования можно использовать и для оценки качества и полезности информации, по-
лучаемой с помощью различных дистанционных методов измерений. Для парниковых газов оптимальное вертикальное разрешение составляет 1 км, предельное 1.5—4 км. Оптимальные и предельные погрешности измерений профиля содержания метана в атмосфере соответствуют соот-ветсвенно 2 и 10% (Тимофеев, 2009).
Ограниченное вертикальное разрешение определения параметров атмосферы спутниковыми методами приводит к необходимости представления неоднородной атмосферы в виде последовательности однородных слоев с эффективными параметрами для каждого спектрального участка регистрируемого излучения. Это необходимо для интерпретации результатов дистанционных спутниковых измерений, особенно в тропосфере.
ОДНОРОДНЫЕ СЛОИ АТМОСФЕРЫ ДЛЯ КОРРЕЛЯЦИОННОГО РАДИОМЕТРА
В методе корреляции газовых светофильтров излучение, принимаемое из исследуемого объема, разделяется на два канала, в одном из которых находится кювета с искомым газом. По соотношению сигналов фотоприемников каждого канала определяют содержание искомого газа в исследуемом объеме. Отношение разности регистрируемых сигналов в каждом из каналов корреляционного спектрометра к их сумме для неоднородной атмосферы имеет вид (Баландин и др., 2008; Шишигин, Старновский, 2013)
S1 + S 2
п-1
IТ-ТА II
ТА V
АУ_АУ
Е (В°< - В-++1>
+ .
=1
(еВе - Ва,)
I Т°> ^ v--Ь I Т°>v I
ТА V
АУ_АУ
+ 1с
ТА V
Ау Ау
п-1
(1)
Е В - В-++1)
+
=1
(еВе - ВЯ1)
Iтаv+-tv I v I
ТА v
Ау Ау
2Ва„ I т^
. АУ
(еВе - Вщ)
где е — степень черноты поверхности земли; В^, 0) — светимость абсолютно черного тела с температурой 9 на частоте V; индекс е относится к Земле; индекс а относится к атмосфере; п — число рассматриваемых последовательных однородных горизонтальных слоев атмосферы; Та, — спектральная плотность пропускания (функция, показывающая распределение коэффициента пропускания по спектру излучения) излучения расположенными выше слоями атмосферы, начиная с /; Тс(у) — спектральная плотность пропускания (функция, показывающая распределение коэффициента пропускания по спектру излучения) газа в корреляционной кювете; Тс — слагаемое, обусловленное излучением, испускаемому газом корреляционной кюветы. Солнечной радиацией пренебрегаем.
Решение данного уравнения связано с необходимостью замены неоднородного слоя атмосферы на однородные с плотностью энергетической светимости для конкретного спектрального участка излучения Дv, соответствующей излучению неоднородного слоя. Спектральная плотность выделенного однородного слоя атмосферы находится из условия, что ее параметры в уравнении (1) не изменяют значения выходного сигнала корреляционного радиометра.
Приравнивание суммы двух соседних слагаемых в числителе или в знаменателе к выражению, аналогичному каждому из данных слагаемых со спектральной плотностью пропускания, соответствующего первому из выбранных слагаемых, но неизвестным значением спектральной
плотности энергетической светимости (в.2^ — постоянной величине в спектральном диапазоне 1220—1260 см-1, — позволяет определить параметр (в. характеризующий излучательную
способность удвоенного слоя атмосферы. Считая, что спектральная плотность пропускания излучения слоя выше расположенными слоями атмосферы в зависимости от удвоения толщины однородного слоя не изменяется, среднее значение коэффициента спектральной плотности энергетической светимости более толстого слоя соот-
ветственно в числители и знаменателе формулы (1) в общем случае можно представить в виде
(В2У) числ = ((В'Ч2' )ч - (В21-2,2>-1)ч + (В2,-1,2 *-0ч) -
- ((В2-1,2--1)ч - (В2,2.-0,) х (2)
| Т2,21 -ТА| Т2,2'^ I Тс^
X АУ_АУ_АУ_
IТ2---1,21 -1Тс^-1Г- I Т21-!2-1АУ IТС
Av
Av
Av
(Взнам = ((В-1,21 )з - В-2,2")з + В-1,2*-
- К-и*-1)з - (В2,2^з) * (3)
IТ2,,2*-1ТАХ+Т:, IТ2,2*^ IТАV
Av
АУ
АУ
| Т2---1,21^ | Т2,--1,2'| ТС
Av Av Av
где / = 1, 2, 3, п/2 — номер горизонтального однородного элементарного слоя атмосферы, 2 — число элементарных слоев в рассматриваемом более крупном слое атмосферы. Средние эффективные значения спектральной плотности энергетической светимости , (В2у) однородного
слоя соответствуют излучению однородным подслоям со средними значениями плотности
энергетической светимости {Вц-\ 2'^ и
В-,2* )я, з, ((В0,2* = В0,2*-1 = 0)) ;
п
Т21-12-1 = П^-Л,^-1 = Пп
-; V- = II , Тк1 — спек-
к=2л-1 ^ 2 1 1к=(¡-1)2' +1 к ,1
тральная плотность пропускания излучения слоями атмосферы выше 2/—2 слоя;
п_
Т2,2-1 = ПЕа Тк,2-1 = П^,-^'+1Т д — спектральная плотность пропускания излучения слоями атмосферы выше 2/—1 слоя.
Расчеты выходного сигнала корреляционного радиометра согласно соотношению (1) для стандартной атмосферы показали независимость уровня сигнала от увеличения толщины элемен-
Бп,т, Вт/см ср 0.000005
0.000004
0.000003
0.000002
0.000001
0
-0.000001 -0.000002
Ряд 1 Ряд 2 Ряд 3 Ряд 4 Ряд 5 • Ряд 6 Ряд 7 Ряд 8 Ряд 9
25 30 Н, км
Рис. 1. Изменение параметра Вп т знам слоя от его ширины (1 - 100 м; 2 - 200 м; 3 - 400 м; 4 - 800 м; 5 -1600 м; 6 - 3200 м; 7 - 6400 м; 8 - 12800 м; 9 - 25600 м), приводящего к постоянному уровню сигнала радиометра с корреляционной кюветой с метаном при давлении 1 атм.
Вп,т знам Вп,т числ, Вт/см ср
5Е-07 г
-5Е-07
5 10 15 20 25 30
Н, км
-1.0Е-06 -1.5Е-06 -2.0Е-06 -2.5Е-06
Ряд 1 Ряд 2 Ряд 3 Ряд 4 Ряд 5 Ряд 6 Ряд 7 Ряд 8 Ряд 9
Рис. 2. Изменение разнСЮТи Вп т знам - Вп, т числ слоя
от его ширины (1 - 100 м; 2 - 200 м; 3 - 400 м; 4 - 800 м; 5 - 1600 м; 6 - 3200 м; 7 - 6400 м; 8 - 12800 м; 9 -25 600 м), приводящего к постоянству уровня сигнала радиометра с корреляционной кюветой с метаном при давлении 1 атм.
0
тарного слоя атмосферы от 100 м до 25.6 км, параметры которого рассчитывались согласно соотношениям (2), (3).
Спектральная плотность излучения моделируемого слоя атмосферы зависит от спектральной плотности пропускания каждого из подслоев, а также спектральной плотности пропускания газа в корреляционной кювете. На рис. 1 представлен пример изменения расчетного параметра Вп т знам, находящегося в знаменателе соотношения (1) от увеличения его ширины (1 - 100 м; 2 - 200 м; 3 -400 м; 4 - 800 м; 5 - 1600 м; 6 - 3200 м; 7 - 6400 м; 8 - 12800 м; 9 - 25600 м), приводящего к постоянному уровня сигнала радиометра с корреляционной кюветой с метаном при давлении 1 атм. и температуре 296 К при регистрации уходящего излучения в спектральном участке 1220-1260 см-1 с аэрокосмической платформы. Аналогичные расчеты показывают подобное изменение и параметра Вп, т ч, находящегося в числителе формулы (1).
Отрицательные значения спектральной плотности энергетической светимости однородного слоя атмосферы шириной более 3200 м указывают на превышение ослабляющей роли данного слоя по сравнению с его излучением в рассматриваемой модели атмосферы.
На рис. 2 приведено изменение разности коэффициентов Вп т знам - Вп т числ в зависимости от толщины слоя, при которых соотношение (1) не меняет своего значения. Разница значений данных коэффициентов увеличивается с повышением толщины слоя, но не превышает 10-8 Вт/см Бг.
Корреляционные соотношения в приведенных формулах (1)—(3), характеризующие вклад в уровень выходного сигнала радиометра слоя атмосферы, в виде р чи
р , =1 Т ■ -ТАV -
г 1,2 числ |Лч| 2г,2 с
1
—— [ Т,-йV [ ТАV с увеличением толщины
Ду 2г,2 ^
однородного слоя также претерпевает значительные изменения. Рисунок 3 демонстрирует поведение указанного соотношения в зависимости от высоты расположения слоя от поверхности Земли.
Представление неоднородной атмосферы в виде нескольких однородных слоев позволяет
Рп,7
0.045 0.040 0.035 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005
0
Ряд 1 Ряд 2 Ряд 3 Ряд 4 Ряд 5 Ряд 6 Ряд 7 Ряд 8 Ряд 9
10 15
20 25
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.