ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2014, № 3, с. 14-26
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЕРТИКАЛЬНОГО ПРОФИЛЯ ВОДЯНОГО ПАРА В АТМОСФЕРЕ ДО 80 КМ ПО РАДИОПРОСВЕЧИВАНИЮ ТРАССЫ СПУТНИК-ЗЕМЛЯ © 2014 г. В. В. Стерлядкин1, А. С. Косов2
Московский государственный университет приборостроения и информатики, Москва 2Институт космических исследований РАН, Москва *Е-таИ: sterlyadkin@ mail.ru Поступила в редакцию 07.07.2013 г.
В статье рассмотрены методы определения малых газовых компонент в атмосфере Земли, основанные на радиопросвечивании трассы спутник—Земля или Земля—спутник—Земля монохроматическим излучением на заданном наборе частот. Проводится обоснование нового метода, использующего разность дифференциальных сигналов на различных склонах линии поглощения измеряемого газа, который позволяет повысить пространственную избирательность измерений и снизить влияние облаков, осадков и сторонних газов. Приводятся результаты расчета ядер интегральных уравнений при измерении профиля водяного пара в полосе поглощения 22.23 ГГц. Избирательность полученных ядер позволяет восстанавливать профиль водяного пара как в нижнем слое тропосферы до высот 8 км, так и в слое 30—80 км. Достоинством предлагаемых методов является дифференциальный характер измерений, не требующий абсолютной калибровки источников и долговременной стабильности аппаратуры. Кроме того, появляется возможность регистрации маломасштабных и быстропеременных процессов, происходящих за время оборота спутника по орбите на пространственных масштабах 2—10 км. Именно такой масштаб пространственно временных изменений концентрации парниковых газов можно ожидать при техногенных авариях, пусках ракет и других антропогенных воздействиях.
Ключевые слова: парниковые газы, радиопросвечивание атмосферы, дифференциальные методы, стратосфера, обратные задачи
Б01: 10.7868/80205961414030063
ВВЕДЕНИЕ
Данные о содержании и изменении малых газовых составляющих в атмосфере Земли являются весьма важными для людей и экономики из-за их глубокого влияния на формирования погоды и климата. Парниковые газы присутствуют в атмосфере в малых количествах, однако они оказывают большое влияние на энергетический баланс, химию атмосферы, глобальную циркуляцию воды, процессы переноса загрязнений. По этим причинам важную роль играют методы дистанционного определения и мониторинга малых газовых компонент, которые позволяют лучше понять многообразные связи и закономерности процессов, происходящих в атмосфере.
В настоящее время существуют различные дистанционные методы измерения малых газовых компонент в стратосфере и мезосфере Земли. К ним относятся радиометрические многочастотные измерения собственного излучения в полосах поглощения измеряемого газа (Башаринов и др.,
1974), (Рабинович, Щукин, 1968). К недостаткам таких методов следует отнести чрезвычайно слабый уровень принимаемых сигналов, что накладывает жесткие требования к аппаратуре. В результате радиометрические системы получаются сложными и дорогими, поэтому реализуются в единичных экземплярах (Haefele, Kampfer, 2010; Nedoluha et al., 2011). Второй недостаток наземных радиометрических измерений — необходимость весьма длительного времени накопления сигнала, что, очевидно, усредняет пространственно-временную картину распределения газов до уровня многочасового усреднения на сотнях километров. Этот фактор не позволяет регистрировать и интерпретировать короткоживущие процессы, локализованные в средних и малых объемах. А именно такой масштаб имеют техногенные воздействия на атмосферу.
Альтернативой являются радиометрические и радиопросветные измерения с бортов космических аппаратов (Ulaby, 1981; Семин и др., 2012;
Sharkov, 2003). Эти методы позволяют регистрировать концентрацию малых газовых компонент атмосферы от уровня земли до высот 90 км и выше, причем измерения в верхних слоях имеют более высокую точность, чем наземные измерения. Недостатком таких методов является большие масштабы усреднения данных.
Отметим широкие возможности лидарных измерений концентрации газов как с земли, так и со спутников. Типичным примером могут служить дифференциальные лидары (Межерис, 1987; Зуев В.Е., Зуев В.В., 1992; Васильев, Ман-нун, 2006). Такие системы являются единичными и весьма дорогими, кроме того, их высота зондирования, как правило, редко превышает 30 км.
Первые экспериментальные работы по радиопросвечиванию атмосферы и регистрации линий поглощения в спектре Солнца берут начало в 19 в. от работ У. Волластона и Й. Фраунгофера. Радиопросвечивание атмосферы в целях измерения концентрации парниковых газов начинались с измерения формы линий поглощения при регистрации излучения пришедшего от ярких внешних источников, Солнца, звезд, и др. Точность и избирательность этих методов относительно невелика из-за шумового характера источников излучения. С появлением космических аппаратов широко начали использоваться лимбовые и затменные спутниковые измерения (Поляков, 1999; Бондур, Смирнов, 2005; Гайкович и др., 1991; Waters, 1993). Однако эти измерения основываются на предположении об горизонтально однородном распределении концентрации газа и усредняют результаты по масштабам в тысячи километров.
В настоящей работе рассматриваются методы радиопросвечивания атмосферы по трассе между космическим аппаратом и поверхностью Земли при использовании искусственных источников излучения. Обсуждаются два варианта расположения источников: на КА и на поверхности Земли. В первом случае измерения проводятся по трассе спутник—Земля, а во втором по трассе Земля—спутник—Земля. Первые теоретические работы по радиопросвечиванию трассы спутник—Земля относятся к 1980-1990 гг. (Горелик и др., 1977; Хачатрян, 1988). В них предлагалось сканирование линии поглощения газов за счет доплеровского сдвига частоты излучения при движении спутника по орбите. Такая методика из-за ограниченного диапазона изменения до-плеровской частоты может использоваться лишь для восстановления газов на высотах 60—80 км. Кроме того, данный метод имел бы невысокую точность, поскольку различие в поглощении на различных частотах формируется не только за счет изменения частоты, но и за счет смещения спутника и просвечивания другой области атмо-
сферы. Разделить эти факторы в предложенном методе не представляется возможным.
В настоящей статье показано, что рассмотренные ранее методы радиопросвечивания не являются оптимальными, поэтому в работе предложен и детально анализируется новый разностно-дифференциальный метод измерений, позволяющий снизить влияние облаков, осадков и сторонних газов на результаты измерений, проводить измерения как в нижней тропосфере, так и до высоты 80 км. Достоинством предлагаемых методов является дифференциальный характер измерений, не требующий абсолютной калибровки источников и долговременной стабильности аппаратуры. Предлагаемый методы позволяют получать профили концентрации газа за время 1—5 с, что повышает пространственное разрешение в горизонтальной плоскости до 2—10 км. Этот фактор позволяет изучать маломасштабные и относительно короткоживущие изменения концентрации исследуемых газов, которые можно ожидать при пуске ракет, техногенных авариях и др. В работе рассмотрены вопросы использования адаптивных весовых функций интегральных уравнений, которые позволяют более наглядно и точно восстанавливать профили концентрации газов атмосферы до высоты 80 км. На примере измерений профиля водяного пара в полосе поглощения 22.235 ГГц показана возможность снижения вклада нижних слоев атмосферы, а также вклада облаков и осадков в ядра интегральных уравнений.
РАСЧЕТ ЯДЕР ИНТЕГРАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ ПРИ ИЗМЕРЕНИЯХ НА ОТДЕЛЬНЫХ ЧАСТОТАХ
На рис. 1а представлена схема радиопросвечивания атмосферы со спутника на Землю, в которой на спутнике 1 устанавливается излучатель, испускающий заданный набор частот, а на Земле располагаются приемные антенны 2. Высота орбиты спутника обозначена Н. На рис. 1б представлена схема радиопросвечивания атмосферы по трассе Земля—спутник—Земля, в которой заданный набор частот излучается приемником-передатчиком 2 с Земли в сторону спутника 1, на котором установлен отражатель, часть излучения отражается в обратную сторону и регистрируется тем же приемником-передатчиком.
Если с борта спутника на заданной частоте V излучается монохроматическое излучение с известной мощностью, то на приемнике, установленном на поверхности Земли, будет регистрироваться сигнал интенсивностью I в соответствии с формулой
I = 1оехр(-|у(г, v)dr), (1)
а
Рис. 1. Схемы радиопросвечивания: а — со спутника на Землю; б — по трассе Земля—спутник—Земля.
где 10 — интенсивность сигнала на приемнике при отсутствии ослабления по трассе, (определяется мощностью излучения, параметрами излучателя, приемника и геометрией измерений); у (г, V) — профиль линейного коэффициента ослабления сигнала по трассе распространения излучения на частоте V, а интегрирование проводится по всей длине трассы. Регистрируется величина I, по которой вычисляется общее ослабление атмосферы т(у). В предположении отсутствия облаков и осадков рассеянием на молекулах воздуха в полосах поглощения измеряемого газа обычно можно пренебречь, тогда в уравнении (1) основной вклад в ослабление будет вносить поглощение излучения а(г^)
тМ = 1п(10/1) = |а(г, v1)dr. (2)
Поскольку линейный коэффициент поглощения а(г, V) пропорционален концентрации искомого газа Щ(г), то удобно выразить а(г, V) в виде произведения Щ(г) и некоторого сомножителя а(г, V). То есть а(г, V) = а(г, V) Щ(г). В этом случае соотношение (2) можно выразить более наглядно
t(v) = ja(r, v)N(r)dr = ln(/0/T). (3)
Полученное уравнение является интегральным уравнением Фредгольма первого рода, в котором неизвестной величиной является концентрации искомого газа N(r), а зависимость a(r, v) является весовой функцией или ядром интегрального уравнения. Качество восстановления определяется узостью ядра интегрального уравнения по высоте: чем уже максимум весовой функции (ядра), тем надежней регистрируется концентрация искомого газа в области максимума. На рис. 2 слева предс
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.