ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2011, том 47, № 6, с. 823-828
УДК 551.510.42:551.510.411.33
СЕЗОННЫЕ ВАРИАЦИИ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ ФТОРИСТОГО
ВОДОРОДА В АТМОСФЕРЕ © 2011 г. А. В. Поляков, Ю. М. Тимофеев, А. В. Поберовский, И. С. Яговкина
Санкт-Петербургский государственный университет 198504 Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, 1 E-mail:polyakov@troll.phys.spbu.ru; avpob@troll.phys.spbu.ru Поступила в редакцию 01.09.2010 г., после доработки 17.03.2011 г.
Приведены результаты наземных измерений общего содержания (ОС) фтористого водорода в атмосфере в Петергофе вблизи Санкт-Петербурга в течение года с апреля 2009 по апрель 2010 гг. с помощью Фурье-спектрометра Bruker IFS125 с высоким спектральным разрешением (0.005 см-1). Для обращения радиационных данных использовался известный компьютерный код SFIT-2 (Zephyr-2). Случайные погрешности измерений составили 1—5%, а систематическая погрешность 5—10%. Сезонный ход ОС HF в Петергофе характеризуется наличием минимума ОС HF летом и максимума зимой-ранней весной и очень близок к полученному на станции NDACC Harestua, расположенной примерно на той же широте. Сопоставление наземных измерений СПбГУ с данными спутниковых измерений ОС HF (прибор ACE-FTS) показало хорошее количественное согласие результатов для всего периода наблюдений. Средние значения и среднеквадратические вариации ОС HF по нашим наземным и спутниковым измерениям ACE-FTS в течение исследуемого периода составляют 1.77 х 1015 и 1.80 х х 1015 см-2 (разница 1.5%) и 21 и 18% соответственно.
Ключевые слова: атмосфера, газовый состав, фтористый водород, общее содержание, сезонные вариации, Фурье-спектрометрия.
ВВЕДЕНИЕ
Проблемы современных изменений климата Земли, а также сохранения и восстановления ее озонного слоя стимулировали в последние десятилетия интенсивные исследования содержания различных малых газовых составляющих (МГС) в атмосфере, в том числе хлорных и фтористых соединений [1]. Фтористый водород не участвует интенсивно в фотохимии озона, но является хорошим индикатором динамических процессов в атмосфере. Отношение содержаний HCl/HF характеризует также интенсивность гетерогенных процессов на частицах полярных стратосферных облаков [2].
Присутствие в атмосфере HF впервые было зафиксировано в наземных спектроскопических измерениях в 1975 г. [3]. В дальнейшем регулярные измерения общего содержания (ОС) HF проводились различными научными группами, а в последние годы на станциях международной сети наблюдений NDACC (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change). Проводились также аэростатные и самолетные измерения вертикальных и широтных распределений содержания HF (см., например, [3, 4]). Спутниковые измерения профилей HF были осуществлены с помощью прибора ATMOS [5], в период с сентября 1991 по ноябрь 2005 г. — прибора HALOE, что позволило
создать глобальную климатологию содержания этого газа в земной стратосфере [7]. В настоящее время спутниковые измерения профилей HF осуществляются с помощью затменного метода аппаратурой ACE-FTS [8].
Они обнаружили рост атмосферного содержания HF, обусловленный ростом содержания хлорфторуглеродов, фотолиз которых в стратосфере и является основным источником HF. Так, в работе [9] приведены результаты измерения ОС HF в период с мая 1977 по июнь 2001 гг. с помощью анализа спектров солнечного излучения на станции Kitt Peak. В работе показано, что в течение анализируемого 24-х летнего периода наблюдался постоянный рост ОС HF. За этот период ОС увеличилось в 4.7 раза от 2.03 х 1014 в мае 1977 г. до 9.49 х 1014 см-2 в июне 2001 г. Оценки тренда ОС дали величину (4.30 ± 0.15% год-1). Это в два раза меньше, чем тренд за период 1977-1990 гг., что свидетельствует о существенном замедлении роста содержания HF [10]. Оценки трендов в более поздние годы показывают, что скорость роста содержания HF в атмосфере и далее существенно уменьшалась. Так, в работе [11] получены практически нулевые тренды HF, что связано с уменьшением содержания CCl3F и CCl2F2 в стратосфере.
1.2
X и
и
и
0.4
'<Н0\Г\
сНЛ - СН4 | /Сн4
Н20(Н1016Н2)
НБ 1 / Н20
ИД 1 1
0
4038.0
4038.4 4038.8 4039.2 Волновое число, см-1
4039.
Рис. 1. Типичный измеренный спектр Солнца в обла-
сти 4038.0-4039.7 см 1 с указанием линий поглощения различных газов.
В работе [12] приведены результаты первых в России наземных измерений ОС ИР, полученные при интерпретации спектров прямого солнечного ИК-излучения высокого спектрального разрешения вблизи Санкт-Петербурга. К настоящему времени объем накопленных данных позволил изучить сезонные вариации содержания фтористого водорода в атмосфере, чему и посвящена данная статья.
НАЗЕМНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ СПЕКТРОВ
СОЛНЕЧНОГО ИК-ИЗЛУЧЕНИЯ И МЕТОДИКА ИХ ИНТЕРПРЕТАЦИИ
Измерения ИК спектров прямого солнечного излучения высокого спектрального разрешения были осуществлены с помощью спектрального комплекса, созданного на физическом факультете СПбГУ на базе Фурье-спектрометра (ФС) Бгикег 1Р8125 [13]. Измерения солнечных спектров с высоким разрешением были начаты в январе 2009 г. В настоящей статье рассмотрены спектры за период апрель 2009-апрель 2010 гг., полученные после завершения работ по наладке спектрального комплекса и исследованию его характеристик. Общее число измеренных спектров, охватывающих спектральную область, информативную относительно измерений ОС НЕ, составляло за этот период 476. Из них мы отобрали 406 спектров высокого качества, исходя из критериев ограничения величины автокорреляционной функции шума измерений на расстояниях более 0.05 см-1 и отсутствия гармонических искажений спектра, вызванных воз-
никающими иногда нарушениями оптической юстировки установки. В данной статье анализируются результаты определения среднедневных значений ОС НЕ Различные ограничивающие факторы позволили получить среднедневные значения для 78 дней. В течение дня число измерений составляло от 1 до 15 спектров, типичные значения 5-6.
Измеренные спектры имели спектральное разрешение около 0.005 см-1, отношение сигнал/шум, определенное по шумовой дорожке "нулевого" сигнала, колебалось в пределах 4001600, типичное значение около 1200.
Для интерпретации измерений использовалась программа 8ИТ2, используемая на станциях сети МОЛСС. Отметим, что результаты, приведенные ранее в работе [12], получены с помощью оригинальной разработанной в СПбГУ методики. Выборочное сравнение результатов работы [12] и 8ИТ2 показало наличие различий, достигающих 10%. Такие различия вызваны приближенным учетом спектральной аппаратной функции прибора в работе [12] (использовалась гауссовская форма аппаратной функции) и различием в используемом спектральном интервале ((4038.04039.7 см-1) в настоящей работе против интервала шириной менее 0.2 см-1, включающего линию поглощения ИБ 4038.9625 см-1 в работе [12]).
Целесообразность использования более широкого спектрального интервала связана с тем, что программа 8ИТ2 в автоматическом режиме уточняет спектральную привязку, калибровку измерений и содержание в атмосфере мешающих газов (в данном случае, в первую очередь, водяного пара), и использование более широкого интервала позволяет получить больший объем информации об этих параметрах.
Мы внесли в использованный нами пакет программного обеспечения (ППО) 7ерИуг2.393.3.21.07 (основанный на 8ИТ2) небольшие изменения для включения параметров спектральных линий (положения, интенсивности, полуширины и т.д.) из банка данных Н1ТКЛМ-2008, так как версия Н1Т-КЛМ-2004 [14] не содержит 4-х линий поглощения изотопа И1016И2 (изотоп 4 в номенклатуре Н1ТКЛМ) водяного пара, вклад которых заметен в использованной нами окрестности линии поглощения ИБ (4038.0-4039.7).
На рис. 1 приведен типичный вид измеренного солнечного спектра, использованного для расчета ОС НЕ, с указанием положений различных спектральных линий поглощения. Как видно из рисунка, основную роль поглотителя в области 4039 см-1 играет водяной пар, и линия ИБ наблюдается на фоне крыльев группы линий водяного пара.
Отметим, что программа SFIT2 позволяет определять ОС различных газов двумя способами:
- с использованием априорного профиля HF и нахождением к нему поправочного множителя (опция scalar),
- восстановление вертикального профиля содержания HF и получение ОС HF интегрированием по высоте (опция profile).
На рис. 2 (в верхней части) показан участок измеренного 11 июня 2009 г. солнечного спектра, демонстрирующий в крупном масштабе линию поглощения HF. В нижней части того же рис. 2 приведено рассогласование измеренного и расчетного спектров солнечного излучения после решения обратной задачи двумя способами. Эти расхождения составляют в максимуме около 2% для варианта scalar и менее 0.5% в варианте profile и косвенно характеризуют качество решения обратной задачи при двух типах задания априорной информации программы SFIT2. Из приведенного рисунка следует, что минимальные отклонения расчетных и измеренных спектров после решения обратной задачи наблюдаются при использовании алгоритма profile. Отличия между восстановленными двумя способами значениями ОС HF составляют в среднем 5-10%. Этот разброс может характеризовать максимальные систематические погрешности определения ОС HF, обусловленные методикой решения обратной задачи.
Укажем также, что при интерпретации наземных измерений использовались данные о профиле температуры в атмосфере и (в качестве начального приближения) о профиле отношения смеси водяного пара из данных уровня трех измерений спутника AQUA (приборы AIRS и AMSU-A) [15]. В качестве априорного профиля метана использовался среднеклиматический профиль.
Наши оценки случайной компоненты погрешности определения ОС на основе изменчивости ОС в периоды стабильных состояния атмосферы и функционирования прибора позволяют оценить ее величину в 1-2%. В дальнейшем будут анализироваться данные определения ОС HF полученные по ППО SFIT2 - profile.
Отметим, что исследование различных источников погрешностей определения ОС HF было осуществлено в работе [16]. По оценкам этой работы случайная компонента погрешностей измерений ОС (при бли
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.