ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2015, том 51, № 1, с. 88-95
УДК 551.51.510;550.388.8
МИКРОВОЛНОВЫЕ НАЗЕМНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ СУТОЧНЫХ ВАРИАЦИЙ ОЗОНА В ВЕРХНЕЙ СТРАТОСФЕРЕ НАД КИРГИЗИЕЙ
© 2015 г. В. Г. Рыскин*, А. Т. Орозобаков**
*Институт прикладной физики РАН 603950 Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46 E-mail: rys@appl.sci-nnov.ru **Институт физико-технических проблем и материаловедения НАНКР 720071 Кыргызстан, Бишкек, проспект Чуй, 265-а E-mail: a.orozobakov@mail.ru Поступила в редакцию 02.08.2013 г., после доработки 13.03.2014 г.
Приведены результаты наземных микроволновых измерений суточных вариаций содержания озона в стратосфере и нижней мезосфере среднеазиатского региона. Обнаружено увеличение ночных значений концентрации озона по сравнению с дневными значениями на 30—40 % на высоте 50 км и 50—80% на высоте 60 км. Суточный ход озона не обнаружен на высотах ниже 50 км. Показано, что ночное содержание озона в верхней стратосфере и нижней мезосфере испытывает межсуточные изменения. Выполнено сопоставление результатов наземного микроволнового зондирования с данными орбитального прибора MLS AURA.
Ключевые слова: озон, вариации, стратосфера, мезосфера, микроволновое зондирование, среднеазиатский регион.
Б01: 10.7868/80002351515010095
ВВЕДЕНИЕ
Изучение изменений в озоновом слое Земли под действием различного рода возмущений является одной из важных задач физики атмосферы. Результаты исследований суточных колебаний содержания озона в верхней стратосфере и мезосфере дают возможность оценивать их влияние на фотохимию, динамику и энергетику средней атмосферы. Известно, что под действием быстрых фотохимических процессов количество озона в этой области может значительно меняться с характерными временами менее 1 часа [1].
Детальному расчету фотохимических реакций озона с кислородом, соединениями азота и водорода в мезосфере посвящено много работ, начиная с 60-70-х годов прошлого века. Например, в работе [2] приводятся значения концентрации озона в этой части атмосферы на различных широтах, зимой и летом, в дневных и ночных условиях. Согласно [2] летом в поясе средних широт (45—60)° должно наблюдаться двукратное увеличение ночного содержания О3 по сравнению с его дневным содержанием, в то время как зимой этот рост может достигать трех крат. Более поздние работы [3, 4], в которых используются более сложные фотохимические модели, также предсказы-
вают суточные вариации озона в верхней стратосфере и нижней мезосфере, по порядку величины сравнимые с данными работы [2].
Первые и очень немногочисленные экспериментальные данные о суточном ходе озона на высотах выше 50 км были получены с помощью ракетных измерений [5, 6]. Было зарегистрировано заметное увеличение количества озона ночью выше 50 км, достигавшее в мезосфере двух и более крат. В последующие годы в исследовании верхних слоев атмосферы широкое развитие получили дистанционные методы, использующие микроволновую технику как наземного, так и спутникового базирования [7—12].
Наземные микроволновые методы наблюдения обладают достаточно высоким пространственным (50—100 км) и временным (15—30 мин) разрешением. Диапазон зондируемых высот простирается от 20 до 70 км. Достоинством микроволновых наблюдений является возможность проводить их круглосуточно, а также в условиях умеренной облачности. Для сравнения, использование лидарных методов, обладающих примерно такими же характеристиками, в значительной степени зависит от погодных условий. Орбитальные приборы уступают наземным приборам в
пространственном и временном разрешении, которое можно достичь в стационарных наблюдениях. Это обстоятельство затрудняет изучение быстрых вариаций малых газовых составляющих в средней атмосфере. Микроволновое наземное зондирование атмосферы является одним из способов исследования состава средней атмосферы практически в круглосуточном режиме.
Первые измерения суточных вариаций содержания мезосферного озона на миллиметровых волнах дали противоречивые результаты. Так, в [7] было отмечено двукратное уменьшение содержания озона выше 60 км в течение 50 мин после восхода Солнца. Наземные измерения проводились в феврале на широте 31° N. В работе [8] приведены результаты более длительных, с декабря по апрель, измерений в Берне, Швейцария (47° которые показали, что количество озона ото дня к ночи увеличивалось в 6 раз на высоте 74 км, в 3 раза — на высоте 65 км и в 1.4 раза — на высоте 55 км. Авторы [9] при наблюдениях с поверхности Земли на широте 34° N обнаружили, что амплитуда суточных колебаний содержания озона на высоте 60 км составила около 70%. Приблизительно те же цифры получены в работе [10], где показано, что для района Нижнего Новгорода (56° N в марте 1995 г. максимальное превышение ночного содержания озона над его дневными значениями на высоте 60 км достигало 80%.
Следует отметить интересные результаты, полученные в [4]. Авторы этой работы провели длительные, в течение 1995—1997 гг., измерения суточных и сезонных вариаций О3 в Бордо (45° а также выполнили сопоставление своих результатов с данными двух фотохимических и транспортной моделей. Было обнаружено, что рост концентрации озона ночью по сравнению с ее дневным значением составил около 30% на высоте 52.5 км, 40—60% — на высоте 57.5 км, 65—120% — на высоте 62.5 км. Авторы подчеркивают, что максимальный рост наблюдается в зимнее время, а нижняя граница в указанных процентных интервалах соответствует летним месяцам. В этой работе выполнен подробный анализ сезонных вариаций содержания стратосферного озона.
Приведенные результаты получены с помощью наземных спектрорадиометров, регистрирующих спектр собственного радиоизлучения атмосферного озона вблизи одной из его вращательных линий, расположенных в миллиметровом диапазоне длин волн. В этих измерениях в основном был использован вращательный переход молекулы озона с квантовыми числами 60.6—615, которому соответствует резонансная частота линии 110836.04 МГц.
В недавних работах [11, 12], целью которых была валидация результатов, полученных с помощью различных орбитальных приборов, выполнен подробный анализ вариаций озона в страто-
сфере и мезосфере. Несмотря на специфику измерений, проводимых из космоса, которые дают усредненную информацию о содержании той или иной атмосферной компоненты над данным районом, проведенный в этих работах анализ подтвердил качественное соответствие суточного хода озона на высотах 50—70 км данным наземного микроволнового зондирования.
Несколько лет назад в рамках выполнения проектов МНТЦ №№ KR-634 и KR-1527 была развернута радиофизическая обсерватория по исследованию озонового слоя в среднеазиатском регионе на берегу оз. Иссык-Куль вблизи села Ка-раой (43° N, 77° E). Первые результаты, полученные с помощью наземного микроволнового спек-трорадиометра РМС-001, опубликованы в [13, 14]. В данной работе представлены результаты исследования суточных вариаций содержания озона в верхней стратосфере и нижней мезосфере над среднеазиатским регионом. Для сопоставления были выбраны данные орбитального прибора MLS, установленного на спутнике EOS-AURA [15].
АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЙ
Спектральные измерения выполнялись с помощью неохлаждаемого спектрорадиометра, настроенного на резонансную частоту вращательного перехода озона 606—615 с резонансной частотой 110836.04 МГц [13]. Однополосная температура шума приемника с субгармоническим смесителем на диоде с барьером Шоттки составляла около 3500 К. Прибор включал многоканальный анализатор спектра, частотное разрешение которого варьировало от 1 МГц в центре линии О3 до 10 МГц в ее крыле; полная полоса анализа частот составляла ±150 МГц от резонансной частоты линии озона. Калибровка интенсивности линии озона осуществлялась с помощью методики, которая основана на приеме излучения "теплой" и "холодной" эталонных нагрузок [10]. Весь процесс измерений и калибровки выполнялся автоматически с помощью персонального компьютера с соответствующим программным обеспечением и подробно описан в [16]. Применяемая методика измерений и параметры аппаратуры позволяли получать спектры излучения атмосферного озона с флукту-ационной погрешностью измерений в каналах спектрорадиометра порядка 1% за время накопления 1 час.
Измерение количества озона в средней атмосфере осуществлялось методом микроволнового дистанционного пассивного зондирования с поверхности Земли [10], с помощью которого регистрируется спектр нисходящего радиоизлучения атмосферы в окрестности линии вращательного спектра этого газа. Полученные зависимости интенсивности линии О3 от частоты позволяют ре-
«
s я
о
£
4 т
5 се £
св Л О С
о
н «
св
£ О
о л
14 12 10 8 6 4 2
/ = 110836 МГц j
Mil
............День
Ночь
J: д
к ft ч\ \\
Y R / ; \\ Tj \ \\
J : •к
150 -100
-50 0 50 /-/с, МГц
100 150
Рис. 1. Спектр радиоизлучения атмосферного озона по результатам измерений 6—7 сентября 2011 г. на радиофизической станции Караой.
шить уравнение переноса теплового излучения в атмосфере относительно величины содержания озона на луче зрения и в конечном итоге получить данные о вертикальном распределении озона (ВРО) в атмосфере.
Пакет программ, составленный на основе разработанного алгоритма решения обратной задачи, позволяет получать вертикальные профили озона с временем накопления от 1 часа до 1 суток. Для анализа суточных вариаций О3 на различных высотных уровнях обработка спектров, полученных днем и ночью, проводилась раздельно. Детально этот процесс описывается в следующем разделе. Время усреднения в обоих случаях составляло порядка 1 часа. Характерное разрешение по высоте данного метода восстановления ВРО составляет около 10 км. В процедуре восстановления использовались как модельные зависимости давления и температуры от высоты, так и реальные, полученные в результате измерений в пункте микроволновых наблюдений. Точность восстановления ВРО зависит в основном от ошибок радиометрических измерений спектров О3 и от погрешности определения профиля температуры. С помощью численного эксперимента были получены оценки влияния на точность восстановления ВРО ошибок
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.