ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2013, № 1, с. 9-15
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА
ВЛИЯНИЕ ВЕРТИКАЛЬНОЙ НЕОДНОРОДНОСТИ АТМОСФЕРЫ НА ВЫХОДНОЙ СИГНАЛ СПУТНИКОВОГО КОРРЕЛЯЦИОННОГО РАДИОМЕТРА © 2013 г. С. А. Шишигин*, С. А. Старновский
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук, Томск* Государственный университет систем управления и радиоэлектроники, Томск *Е-таИ: shansss@mail2000.ru Поступила в редакцию 28.03.2012 г.
Проведен анализ метода корреляции газовых светофильтров для измерения содержания метана в атмосфере в спектральных интервалах 1220—1260 и 1330—1370 см-1. Рассчитаны оптимальная концентрация и давление метана в корреляционной кювете (0.02 атм м для участка 1220-1260 см-1 и 0.005 атм м для участка 1330-1370 см-1) для аэрокосмического варианта оптоэлектронного прибора. Изучено влияния концентрации исследуемого газа в горизонтальных слоях воздуха и их излучения на погрешность измерений содержания метана в столбе атмосферы. Рассмотрена возможность применения метода корреляции газовых светофильтров для измерения содержания метана в приземном слое атмосферы с аэрокосмической платформы.
Ключевые слова: Корреляционный радиометр, метан, атмосфера, спутник, излучение БО1: 10.7868/80205961412060097
ВВЕДЕНИЕ
Исследование естественных и антропогенных источников и стоков газов в приземном слое атмосферы (Денисов и др., 2011) связано с разработкой дистанционных методов мониторинга содержания газов с высоким пространственным и временным разрешением (Рокотян и др., 2011). Современные спутниковые приборы не обладают достаточной чувствительностью к изменению содержания газов в нижних слоях атмосферы для контроля наземных источников загрязнений (Ситнов, 2011). Разработка оперативных методов мониторинга газового состава атмосферы с использованием космических аппаратов является актуальной проблемой атмосферной оптики, экологии, климатологии (Поляков и др., 2010а, 2010б).
Метод корреляционной спектроскопии является одним из перспективных для измерения содержания метана в атмосфере с аэрокосмической платформы (Петров, Смирнов, 2000; Баландин, Шишигин, 2011). Практическое использование данного метода может быть расширено в результате исследования влияния вертикальной неоднородности атмосферы на чувствительность радиометра. В данной работе рассмотрены два спектральных участка излучения в полосе поглощения метана, которые имеют значительное различие в
степени ослабления водяным паром. Показана возможность определения содержания метана в приземном слое атмосферы по разности показаний корреляционного радиометра в выбранных спектральных участках.
ВЫБОР СПЕКТРАЛЬНЫХ УЧАСТКОВ УХОДЯЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ СОДЕРЖАНИЯ МЕТАНА В АТМОСФЕРЕ КОРРЕЛЯЦИОННЫМ РАДИОМЕТРОМ
Рассмотрена модель атмосферы, разделенной на однородные горизонтальные слои толщиной 1 и 2 км. В табл. 1 приведены средние значения температуры Т, давления Р, концентрации N и процентное содержание молекул О2, N2, СН4, СО2, СО, ^О, О3, Н2О в выбранных слоях атмосферы.
В работе (Баландин и др., 2008) показано, что участок спектра уходящего излучения 12201260 см-1 для измерения содержания метана в столбе атмосферы пассивным корреляционным методом является наиболее перспективным. На функцию пропускания атмосферными газами в данном участке спектра оказывают основное влияние метан (СН4), пары воды (Н20), закись азота (^О) (Киселёва и др., 1998). Функция пропуска-
Таблица 1. Параметры модели атмосферы
Н, км Т, К Р, атм О2, % N2, % СН4 х х 10-4% СО2 х х 10-4% СО х х 10-4% ^О х х 10-4% О3 х х 10-4% Н20 х х 10-4% N см 3 х х 10-19
0 288 1 21 78 1.6 370 0.250 0.420 0.027 7730 2.550
1 282 0.891 21 78 1.6 370 0.250 0.400 0.026 6800 2.300
2 275 0.787 21 78 1.6 370 0.250 0.400 0.024 5000 2.100
3 269 0.694 21 78 1.6 370 0.250 0.400 0.024 3700 1.900
4 263 0.611 21 78 1.6 370 0.250 0.400 0.027 2600 1.700
5 256 0.535 21 78 1.6 370 0.250 0.400 0.027 1800 1.530
6 249 0.467 21 78 1.6 370 0.200 0.400 0.029 1000 1.370
7 243 0.407 21 78 1.6 370 0.180 0.400 0.033 500 1.230
8 236 0.353 21 78 1.6 370 0.150 0.400 0.041 240 1.100
9 230 0.305 21 78 1.6 370 0.120 0.400 0.052 50 0.970
10 223 0.262 21 78 1.5 370 0.100 0.400 0.070 10 0.860
12 217 0.192 21 78 1.45 370 0.080 0.400 0.123 8 0.650
14 217 0.141 21 78 1.40 370 0.060 0.400 0.213 7 0.470
16 217 0.103 21 78 1.32 370 0.050 0.400 0.857 6 0.350
18 217 0.075 21 78 1.25 370 0.008 0.400 2 4.50 0.250
20 217 0.055 21 78 1.20 370 0.005 0.400 3.333 4.00 0.180
22 219 0.040 21 78 1.10 370 0.005 0.350 4.286 4.20 0.140
24 221 0.029 21 78 1.00 370 0.005 0.300 5 4.40 0.100
26 223 0.022 21 78 0.90 370 0.005 0.200 5.714 4.50 0.070
28 225 0.016 21 78 0.80 370 0.005 0.150 6 4.60 0.050
30 227 0.012 21 78 0.70 370 0.005 0.100 4.444 4.70 0.045
32 229 0.009 21 78 0.65 370 0.007 0.080 3.750 4.80 0,040
34 235 0.008 21 78 0.60 370 0.008 0.070 3.714 5.00 0.035
36 245 0.007 21 78 0.58 370 0.010 0.060 3.333 6.00 0.030
38 255 0.006 21 78 0.53 370 0.020 0.050 2.917 6.50 0.024
40 265 0.003 21 78 0.50 370 0.030 0.040 3.333 7.00 0.012
ния излучения атмосферой в спектральном участке полосы поглощения метана 1220—1260 см-1 в среднем по данному диапазону составляет около 0.51, а в другом выбранном спектральном диапазоне 1330-1370 см-1 полосы поглощения метана пропускание атмосферы на порядок меньше. Это обусловлено значительным ослаблением излучения водяным паром в приземном слое атмосферы.
Распределение содержания газов Н20, СО, СН4, С02, 03, ^О в воздухе в зависимости от расстояния до поверхности Земли показано на рис. 1.
С помощью соотношения для выходного сигнала радиометра (аппаратурной функции), полученного в работе (Баландин и др., 2008), рассчитана зависимость сигнала корреляционного радиометра Г при измерении содержания метана в рассмотренной модели атмосферы от количества метана в кювете ЬР (Ь — длина кюветы, Р — давление метана) в спектральных диапазонах 13301370 (а) и 1220-1260 (б) см-1 (рис. 2).
На данном рисунке также приведены зависимости коэффициента пропускания Тк данных кювет от количества метана в них. Как видно из рис. 2, величина выходного сигнала Г вначале резко возрас-
тает, а затем темп роста сигнала уменьшается - с увеличением содержания метана в кювете. Увеличение метана в кювете приводит к ослаблению регистрируемого излучения.
Область величин ЬР, где происходит изменение чувствительности радиометра на изменение содержания исследуемого газа, считаем оптимальной для каждого спектрального участка. На основании данных расчетов выбрано оптимальное содержание метана в кюветах (0.02 атм м для участка 1220-1260 см-1 и 0.005 атм м для участка 1330-1370 см-1) и рассмотрено влияния вертикальной неоднородности атмосферы на выходной сигнал корреляционного радиометра с кюветами при разных давлениях, но постоянном оптимальном содержании метана в них.
ЗАВИСИМОСТЬ УХОДЯЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ ОТ МОЩНОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ СЛОЕВ АТМОСФЕРЫ И ТЕМПЕРАТУРЫ ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ
Мощность теплового излучения поверхности Земли при температуре 290 К составляет ~3.6 х х 10-5 и 4.8 х 10-5 Вт/см2 см-1 Sr соответственно
е, р
е ф
с
о
тмо
а в а
е и н е л
е
д
е р
п с а Р
30
25
20 -
15
10 5
5 10 15
20 25 30 35 40 45 Расстояние от поверхности Земли, км
Рис. 1. Распределение содержания газа в слое воздуха 1 км (%) в зависимости от расстояния до поверхности Земли.
0
ЬР м х атм
]_I_I_I
0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40
0
0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40
Рис. 2. Зависимость выходного сигнала корреляционного радиометра Г и коэффициента пропускания кюветы Тк от содержания метана в кювете ЬР (Ь -длина кюветы, Р - давление метана) в спектральном диапазоне 1330-1370 (а, в) и 1220-1260 см-1 (б, г).
для спектральных участков 1330-1370 и 12201260 см-1, и только ее часть ~1.7 х 10-6 и 1.34 х х 10~5 Вт/см2 см-1 Sr покидает атмосферу.
В табл. 2 приведена чувствительность аппаратурной функции при измерении содержания ме-
тана в столбе атмосферы корреляционным радиометром в спектральных диапазонах 1220-1260 и 1330-1370 см-1 от изменения температуры поверхности Земли на 1 К в диапазоне 290-310 К при давлений метана в корреляционных кюветах
Таблица 2. Изменение сигнала радиометра из-за изменения температуры Земли на 1 К
Р, атм Дv, см-1"""'---.^ 0.01 0.05 0.1 0.5 1 1.5 2 2.5
1220-1260 7.4 х 10-5 17.8 х 10-5 23.7 х 10-5 37.6 х 10-5 40.4 х 10-5 40.38 х 10-5 39.6 х 10-5 38.8 х 10-5
1330-1370 1.28 х 10-5 3.35 х 10-5 5 х 10-5 9.6 х 10-5 10.6 х 10-5 10.43 х 10-5 9.9 х 10-5 9.1 х 10-5
от 0.01 до 2.5 атм. Выходной сигнал радиометра имеет максимальную чувствительность к изменению температуры поверхности Земли с корреляционной кюветой метана ~1 атм и значительно уменьшается с понижением давления в кювете, особенно для спектрального участка 1330— 1370 см-1. Излучение воздушной среды оказывает существенное влияние на информационный сигнал корреляционного радиометра.
Мощность теплового излучения всех слоев атмосферы в спектральных участках 1330-1370 и 1220-1260 см-1 составляет ~1 х 10-4; -3.57 х х 10-5 Вт/см2 см-1 Sr, и только мощность излучения соответственно -1.54 х 10-5 и -1.39 х х 10~5 Вт/см2 см-1 Sr в выбранной модели атмосферы уходит в космос. На рис. 3 приведены усредненная по спектру мощность излучения слоя атмосферы 1, 2 и мощность уходящего из атмосферы излучения данного слоя 4, 3 в зависимости от высоты для спектральных участков излучения 1330-1370 и 1220-1260 см-1 соответственно. Уменьшение прозрачности атмосферы увеличивает тепловой обмен внутри атмосферы, значительно ослабляет уходящее излучение особенно приземного слоя.
Мощность излучения прозрачной воздушной среды имеет максимальное значение на линиях
I х 10-7 Вт/см2 см 1 Зг
Н, км
Рис. 3. Мощность излучения в спектральных участках 1330-1370 и 1220-1260 см-1 слоя атмосферы (1, 2) и мощность уходящего из атмосферы излучения данного слоя (4, 3) в зависимости от высоты.
поглощения газов и приводит к снижению информационного сигнала корреляционного радиометра. Как показыв
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.