ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2008, том 44, № 2, с. 206-220
УДК 551.510.532
ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОФИЗИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ФОНОВОГО СТРАТОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ В 2002-2005 гг. (СПУТНИКОВЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ С АППАРАТУРОЙ SAGE III)
© 2008 г. Ä. М. Чайка*' **, Ю. М. Тимофеев*' **, Ä. В. Поляков*
*Научно-исследователъский институт физики Санкт-Петербургского университета 198504 Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Улъяновская, 1 E-mail: chaika@troll.phys.spbu.ru **Международный центр по окружающей среде и дистанционному зондированию им. Нансена
199034 Санкт-Петербург, 14 -fl линия, 7Ä Поступила в редакцию 05.06.2007 г., после доработки 03.10.2007 г.
На основе измерений коэффициента аэрозольного ослабления спутниковым прибором SAGE III и линейной регрессионной методики решения обратной задачи получены интегральные площади и объемы аэрозольных частиц (S и V) для фонового стратосферного аэрозоля в 2002-2005 гг. в слоях 15-20 и 20-25 км. Измерения проводились в широтных поясах 43-80°N и 34-58°S. Пространственно-временны е зависимости S и V демонстрируют в летние периоды однородные поля распределений, зимой и в начале весны присутствуют заметные неоднородности. Во все годы измерений наблюдался рост интегральных характеристик фонового стратосферного аэрозоля при переходе от осени к зиме. Долготные вариации S и V могут быть как слабыми, так и заметными - достигающими 50-70%. Анализ межгодовой изменчивости средних площадей и объемов показывает, что их минимальные значения (как правило) наблюдались в 2002 г., а максимальные - в 2005 г. При этом в большинстве случаев не наблюдается монотонного по годам изменения аэрозольных характеристик. Наблюдается зависимость параметров аэрозоля от фазы квазидвухлетних осцилляций (КДО) зонального ветра в стратосфере. Полученные данные для 2002-2005 гг. в целом неплохо согласуются с климатологическими данными за 1996-1999 гг.
1. ВВЕДЕНИЕ
Стратосферный аэрозоль играет важную роль в различных атмосферных процессах и влияет на радиационный баланс и химию атмосферы. Во время и после мощных вулканических извержений он активно участвует в гетерогенных процессах, приводящих к разрушению озонного слоя, к нагреванию стратосферы и охлаждению тропосферы [1]. В фоновом состоянии стратосферный аэрозоль играет заметную роль в балансе ряда газов, в частности, семейства N0^. Анализ пространственно-временных вариаций стратосферного аэрозоля позволяет исследовать динамику атмосферы.
Несмотря на более чем 40-летние исследования стратосферного аэрозоля различными методами значительное количество существующих данных не позволяет полностью описать его многочисленные характеристики, необходимые для численного моделирования и валидации измерений различного типа [1]. В частности, отличия в данных различных измерений и результатах моделирования оставляют открытым вопрос об антропогенном влиянии на фоновый стратосферный аэрозоль. Это обусловлено периодическими мощными вулканическими извержениями, приво-
дящими к изменениям на порядки его микрофизических и оптических характеристик и трудностями выделения чисто фоновых состояний. Так, например, влияние извержения вулкана Пинатубо прослеживалось в течение 4.5-7.5 лет в зависимости от широты и использованного метода измерений аэрозольных характеристик [1].
Основными источниками фонового стратосферного аэрозоля являются SO2 и OCS, а также сульфатный аэрозоль, поступающие из тропосферы в тропических районах. Значительна, но до конца не изучена количественно, роль метеоритов, космического излучения, ракетных запусков в формировании фонового стратосферного аэрозоля. Во время фонового состояния изменения переноса OCS, SO2 и сульфатных аэрозолей из тропосферы могут приводить к изменениям стратосферного аэрозоля.
Исследования аэрозольных данных за период 1979-1989 гг. обнаружили рост оптической толщи стратосферы [2]. Более поздние исследования, основанные на данных измерений 4-х лида-ров, локальных измерений и спутниковых измерений с помощью прибора SAGE II позволили сделать вывод, что фоновый стратосферный аэрозоль не изменился существенно за последние
1 март. 1 мая 1 июл. 1 сент.1 нояб. 1 янв. 1 март.
1 апр. 1 июн. 1 авг. 1 окт. 1 дек. 1 фев.
= — 2002 12003
— 2003 I2004 —
— 2004 12005 —
Рис. 1. Зависимость широты измерений SAGE III от времени для обоих полушарий и различных годов работы аппаратуры.
30 лет [3]. Актуальным в настоящее время является получение новых данных о состоянии фонового стратосферного аэрозоля. Длительный период без мощных вулканических извержений после извержения Пинатубо (12 июня 1991 г.) делает для исследований фонового стратосферного аэрозоля наиболее удобным именно период, начиная приблизительно с 1996-1997 г.
Огромное количество информации о стратосферном аэрозоле было получено с помощью различных спутниковых методов измерений [1]. Наиболее распространенным из них является затмен-ный метод [4-8], основанный на ослаблении солнечного излучения на касательных трассах при восходе и заходе Солнца за горизонт планеты и позволяющий определять высотные профили коэффициентов аэрозольного ослабления (КАО) на различных длинах волн. Решение обратной задачи на основе измерений спектральных КАО позволяет определять характеристики микроструктуры стратосферного аэрозоля [9-24].
С февраля 2002 г. по декабрь 2005 г. на спутнике "Метеор-3М" функционировал многоканальный спектрометр SAGE III, который в числе других параметров атмосферы определял высотные профили КАО. Настоящая работа посвящена исследованиям интегральных параметров стратосферного аэрозоля (площадей поверхности частиц S и объемов частиц V в единичном объеме воздуха) по данным измерений прибора SAGE III в период его функционирования.
2. ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АЭРОЗОЛЯ
С ПОМОЩЬЮ АППАРАТУРЫ SAGE III
Аппаратура SAGE III (Stratospheric Aerosol and Gas Experiment III) [www-sage3.larc.nasa.gov] представляет собой дифракционный спектрофотометр, измеряющий спектр интенсивности солнечного излучения в спектральной области 290-1030 нм и дополнительно на длине волны 1550 нм. Измерения позволяют восстанавливать вертикальные профили содержания озона, двуокиси азота и спектральный КАО [25-27]. Девять аэрозольных каналов расположены в основном вне полос поглощения газов (центры каналов -1550, 1020, 869, 756, 676, 602, 525, 453, 385 нм). Специфика орбиты спутника "Метеор-3М" № 1 позволяет с помощью затменно-го метода измерений получать данные об атмосферных параметрах не в глобальном масштабе, а в определенных широтных районах в определенные периоды времени. Особенности спутниковых измерений за рассматриваемый период можно охарактеризовать следующим образом:
1. За время одного оборота спутника по орбите, занимающего около 1 ч 45 мин, производится два измерения. Одно из них выполняется в Северном полушарии Земли, другое - в Южном. Поскольку наблюдения затменные, они производятся на терминаторе, т.е. во время местного захода или восхода Солнца.
2. Широта наблюдений меняется очень медленно, а долгота - на величину около 26 градусов (эта величина медленно меняется в течение года в пределах менее одного градуса) между последующими измерениями, т.к. на этот угол поворачивается Земля за время одного витка спутника.
3. За сутки в каждом полушарии проводится около 13 измерений, расположенных примерно на одной широте с равномерным шагом по долготе.
4. Широта измерений в Северном полушарии меняется примерно от 43 до 80 градусов, в Южном - от 34 до 57 градусов. В Северном полушарии с конца февраля по июнь каждого года измерения проводились в широтном поясе от 75-77° до 43-47°N (уменьшение широты измерений с течением времени). С июля по середину октября каждого года - в широтном поясе 43-47 по 79-80°N (увеличение широты со временем). С середины октября по декабрь наблюдения происходили в широтном поясе от 79-80 до 65°N. Наконец, с конца декабря по начало марта измерения охватывали широты от 65 до 77°N. В Южном полушарии измерения осуществлялись с 34° до 58°S. На рис. 1 приведено изменение широты измерений прибором SAGE III в обоих полушариях для разных годов работы аппаратуры. Как следует из приведенных данных, с помощью измерений аппаратуры SAGE III затруднительно исследовать широтные зависимости параметров аэрозоля, т.к. широтная область измерений ограничена, и сканирование по широте происходит достаточно медленно.
После первичной и вторичной обработки данных измерений SAGE III в NASA получают высотные профили спектральных коэффициентов аэрозольного ослабления (КАО) и их погрешности измерений на девяти вышеупомянутых длинах волн (данные уровня 2). При исследовании параметров аэрозоля по данным SAGE III нами проводился дополнительный анализ и селекция измерений КАО:
1. Осуществлялось сравнение нижнего высотного предела измерений профиля КАО и высоты тропопаузы. При выявлении тропосферного участка он отсекался, и для дальнейшей обработки использовалась только стратосферная часть профиля КАО. (Высота тропопаузы, соответствующая времени и месту каждого измерения, содержится в данных SAGE III уровня 2 [www-sage3.larc.nasa.gov].)
2. Проводилась проверка данных на наличие полярных стратосферных облаков (ПСО) для каждой высоты в стратосфере. В данной работе исследуется фоновый стратосферный аэрозоль (для исследования других компонент потребовался бы решающий оператор, построенный на численных моделях этих компонент), поэтому использовался ранее предложенный критерий выделения ПСО [28]. Предполагалось, что если значение КАО на длине волны 1020 нм не превышает 0.0008 км-1, то присутствует только фоновый аэрозоль. Только в этом случае данные использовались для определения параметров аэрозоля.
3. МЕТОДИКА РЕШЕНИЯ ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ
Спектральный КАО для полидисперсного аэрозоля а (к, z) в предположении сферических однородных частиц можно представить:
а(к, z) = jnr2Q(к, m(к), r) f (r, z)dr, (1)
0
где к - длина волны, z - высота в атмосфере, r - радиус частиц, Q - фактор эффективности ослабления по теории Ми, m - комплексный показатель преломления (КПП), f - функция распределения частиц по размерам (ФРР). Для нахождения ф
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.