ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2008, № 5, с. 16-28
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
УДК 551.507.362.2,551.510.413
РЕЗУЛЬТАТЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ NO2 В СТРАТОСФЕРЕ ПО ДАННЫМ ЭКСПЕРИМЕНТА SAGE III © 2008 г. В. С. Косцов*, А. В. Поляков, А. В. Ракитин, Д. В. Ионов
Научно-исследовательский институт физики физического факультета Санкт-Петербургского
государственного университета *Тел.: (812) 428-43-47; *e-mail: vlad@troll.phys.spbu.ru Поступила в редакцию 02.04.2008 г.
Представлены результаты определения вертикальных профилей содержания NO2 в стратосфере по данным спутникового затменного эксперимента с аппаратурой SAGE III. Измерения прозрачности проводились на восходах и заходах Солнца, в период существенной нестационарности содержания NO2, что потребовало учета горизонтальной неоднородности (несимметричности распределения концентрации NO2 вдоль оптических трасс относительно прицельной точки наблюдений). Была проведена процедура коррекции полученных вертикальных профилей концентрации NO2, основанная на модельных расчетах зависимости концентрации от зенитного угла Солнца. Продемонстрировано хорошее согласие (систематическое отличие —7%) средних значений общего содержания NO2 в стратосфере, рассчитанного по скорректированным профилям, с результатами, полученными независимо (данные спутникового эксперимента SCIAMACHY).
ВВЕДЕНИЕ
Прибор SAGE III (Stratospheric Aerosol and Gas Experiment) функционировал в оперативном режиме с февраля 2002 г. по декабрь 2005 г. на российском спутнике Метеор 3М № 1. Этот прибор и предшествующие ему подобные приборы (в скобках указан год начала работы) SAM II (1978), SAGE (1979), SAGE II (1984) использовали за-тменные наблюдения Солнца для определения вертикальных профилей содержания озона, NO2, водяного пара, а также для определения коэффициента аэрозольного ослабления [1, 2]. Аппаратура SAGE III характеризуется рядом особенностей. В качестве приемника используются 800-эле-ментная ПЗС (CCD) матрица, что позволяет получать непрерывный спектр в диапазоне от 280 до 1040 нм со спектральным разрешением от 1 до 2 нм, и фотодиод, работающий на длине волны 1550 нм, для получения дополнительной информации об аэрозоле. Отметим, что первый многоспектральный спутниковый эксперимент в этой спектральной области был проведен с помощью аппаратуры "Озон—Мир" [3, 4].
Солнечное излучение регистрируется прибором SAGE III в 85 спектральных каналах в ультрафиолетовой (УФ), видимой и ближней инфракрасной (ИК) областях спектра. Выбранные каналы в основном сосредоточены в полосах поглощения озона и двуокиси азота, несколько каналов расположены вне полос поглощения для получения информации об аэрозольном ослаблении. В NASA разработана оперативная методика интерпретации измерений прозрачности, выпол-
ненных с помощью аппаратуры SAGE III [5], использующая ряд упрощающих предположений при анализе спутниковых измерений. Результаты восстановлений (данные уровня 2) опубликованы в Интернете и общедоступны. В Санкт-Петербургском университете разработана независимая методика, свободная от использованных в оперативной методике NASA приближений, с помощью которой по измерениям прозрачности атмосферы аппаратурой SAGE III (данные уровня 1б) получены вертикальные профили содержания озона, двуокиси азота, спектрального коэффициента аэрозольного ослабления и микрофизических параметров аэрозоля [6—11].
Поскольку трассы распространения излучения, регистрируемого в затменном эксперименте, проходят через терминатор, при определении вертикальных профилей газов, содержание которых испытывает существенные суточные вариации, следует проводить оценки (при необходимости — учет) влияния горизонтальных градиентов концентрации на результаты решения обратной задачи. Оптическая трасса, естественно, находится в освещенной области, однако зенитный угол Солнца в различных точках трассы различен. Диапазон изменения зенитного угла Солнца для трассы составляет примерно 84°—96° и соответствует периоду существенной нестационарности для ряда атмосферных газов, когда происходит изменение значений концентрации вследствие изменения фотохимических процессов. В результате, распределение концентрации газа вдоль оптической трассы несимметрично относительно прицельной точки. В эксперименте SAGE III при
определении вертикальных профилей NO2 и O3, суточные вариации которых существенны (в стратосфере для NO2 и в мезосфере для озона), это обстоятельство необходимо принимать во внимание. Проблема учета сферической неоднородности рассматривалась авторами эксперимента SAGE I. В работах [12, 13] было указано, что при восстановлении профилей NO2 можно пренебречь несимметричным относительно прицельной точки распределением содержания NO2 вдоль оптической трассы. Этот вывод был основан на данных работы [14], где рассматривались измерения прозрачности при заходах и восходах Солнца с аэростата и в численных экспериментах было показано, что профили NO2, восстановленные в приближении сферически однородной атмосферы (СОА), в пределах 10% согласуются с "истинными" профилями, соответствующими зенитному углу 90°. В работе [15] получены оценки погрешности определения профилей NO2, обусловленные приближением СОА, в эксперименте ATMOS. Показано, что погрешности могут достигать 10—20%, что заметно больше значений, указанных в [14].
В работе [16] проанализирована задача определения профилей NO2 в спутниковых затменных экспериментах с учетом несимметричности распределения содержания вдоль оптической трассы и рассмотрены следующие типы погрешностей:
1) Еэкс — погрешности определения профиля NO2 в спутниковом эксперименте SAGE III, полученные в приближении СОА и обусловленные различными факторами (аппаратурные шумы, априорная информация и т.д.), но не учитывающие эффект суточных вариаций концентрации NO2;
2) Есоа — погрешности, обусловленные приближением СОА;
3) Екорр — погрешности учета суточных вариаций (погрешности коррекции профилей), обусловленные неопределенностью факторов коррекции.
Показано, что погрешности, обусловленные приближением СОА ЕСОА, минимальны в июне и составляют в максимуме (на высоте около 18 км) около 20%. Максимальные значения имеют место в декабре на восходе Солнца — в высотном диапазоне 15—23 км они превышают 100%. На заходе Солнца в максимуме погрешности достигают 80% (на высоте около 18 км). Результаты сравнения Есоа и Еэкс демонстрируют необходимость проведения коррекции профилей NO2, а результаты сравнения ЕСОА и Екорр указывают на необходимость учета Екорр при оценке "суммарной" погрешности определения профилей NO2 при обработке данных эксперимента SAGE III (восстановление плюс коррекция).
В настоящей работе анализируются результаты определения профилей содержания NO2 по
измерениям прозрачности атмосферы в эксперименте SAGE III, полученные разработанным в Санкт-Петербургском университете методом и скорректированные с целью учета несимметричности распределения концентрации NO2 вдоль оптических трасс.
МАССИВ ДАННЫХ И ПРОЦЕДУРА КОРРЕКЦИИ
В табл. 1 (первая и вторая колонки) представлено распределение анализируемых измерений по широтам и сезонам с указанием времени проведения (локальный восход (в) или заход (з) Солнца). Измерения были сгруппированы по месяцам (декабрь—февраль, март—май, июнь—август, сентябрь—ноябрь). В таблице (зима, весна, лето, осень) указаны астрономические сезоны, соответствующие измерениям в каждом из полушарий. Ниже, при анализе, мы будем использовать именно астрономические сезоны. Отметим, что разбиение полного массива данных на вышеуказанные группы проводилось аналогично разбиению, сделанному в работе [13]. Количество измерений на восходе Солнца существенно меньше, чем количество измерений на заходе (для наглядности измерения на восходе Солнца выделены жирным шрифтом). Общее количество измерений — около 30000.
Процедура коррекции профилей, полученных в приближении СОА, подробно описана в [16]. Приведем кратко ее основные особенности. В приближении слабой зависимости сечения поглощения от координаты вдоль оптической трассы, которое можно использовать в ультрафиолетовой и видимой областях спектра, значение полного содержания газа вдоль трассы, рассчитанное при использовании приближения СОА, соответствует его "истинному" значению. Если использовать так называемые "факторы коррекции" для профилей NO2, которые представляют собой отношение концентрации газа при заданном зенитном угле Солнца к концентрации при зенитном угле 90°, то задача нахождения профиля, соответствующего зенитному углу Солнца 90°, сводится к решению системы линейных уравнений. Факторы коррекции были взяты из базы данных, которую авторам настоящей статьи любезно предоставил М. Натараджан [17]. Они были рассчитаны для высот 10—100 км (шаг 0.3 км) и зенитных углов 84°—96° (шаг 0.5°) в диапазоне широт 78.75° ю.ш. — 78.75° с.ш. (шаг 11.25°). Сезонный ход представлен данными, соответствующими 22 числу каждого месяца. Для каждого из измерений SAGE III использовались наборы факторов коррекции из базы данных, максимально соответствующие времени и широте измерений.
Таблица 1. Средние значения интегрального содержания N02 (б, 1015 мол/см2) в слое 10-50 км и их среднеквад-ратические отклонения (а, 1015 мол/см2), а также значения разности (А) между значениями б с коррекцией и без коррекции (в процентах по отношению к значениям с коррекцией). Для измерений в различных полушариях указаны астрономические сезоны
Год Сезон, широта, град Без коррекции С коррекцией А, %
б а б а
2002 зима 51—56 8 (з) 2.777 0.930 2.385 0.814 -16
весна 45-75 N (з) 5.605 1.363 5.111 1.298 -10
весна 40-51 8 (з) 5.568 0.946 5.116 0.893 -9
лето 42-62 N (з) 6.872 0.318 6.255 0.312 -10
осень 67-75 N (в) 1.442 0.397 1.186 0.323 -22
осень 61-79 N (з) 3.712 1.667 3.291 1.453 -13
осень 34-56 8 (з) 4.165 1.188 3.652 1.105 -14
2003 зима 65-73 N (в) 1.360 0.478 1.029 0.402 -32
зима 73-77 N (з) 1.798 0.555 1.686 0.530 -7
зима 54-58 8 (з) 2.464 0.776 2.130 0.700 -16
весна 49-77 N (з) 5.018 1.393 4.572 1.326 -10
весна 42-54 8 (з) 5.556 0.963 5.103 0.905 -9
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.