УДК 551.521
РОССИЙСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ В ОБЛАСТИ АТМОСФЕРНОЙ
РАДИАЦИИ В 2007-2010 гг. © 2013 г. Ю. М. Тимофеев, Е. М. Шульгина
Санкт-Петербургский государственный университет 198904 Санкт-Петербург, Петродворец, ул. Ульяновская, 1 E-mail: shulgina@troll.phys.spbu.ru Поступила в редакцию 19.06.2012 г.
Краткий обзор, подготовленный Российской комиссией по атмосферной радиации, содержит наиболее значимые результаты работ в области исследований атмосферной радиации, выполненных в 2007—2010 гг. Он является частью Национального отчета России по метеорологии и атмосферным наукам, подготовленного для Международной ассоциации по метеорологии и атмосферным наукам (IAMAS). За истекший период Российская комиссия по атмосферной радиации совместно с заинтересованными ведомствами и организациями провела конференцию "Физика и образование", посвященную 75-летнему юбилею кафедры физики СПбГУ (2007), Международный симпозиум стран СНГ "Атмосферная радиация и динамика" (2009) и 5-ю Международную конференцию "Атмосферная физика, климат и окружающая среда" (2010). На конференциях обсуждались актуальные проблемы современной физики атмосферы — перенос излучения и атмосферная оптика, парниковые газы, облака и аэрозоли, дистанционные методы измерений, новые данные наблюдений. В настоящем обзоре представлены пять направлений, охватывающих весь спектр исследований, проводимых в области атмосферной радиации.1
Ключевые слова: атмосферная радиация, перенос излучения, атмосферная спектроскопия, радиационная климатология, аэрозоль, наземное и спутниковое дистанционное зондирование.
Б01: 10.7868/80002351513010094
ТЕОРИЯ ПЕРЕНОСА ИЗЛУЧЕНИЯ
Многочисленные исследования в этой области были посвящены изучению процессов переноса излучения в различных средах и для различных геометрий измерений, развитию методов и алгоритмов для решения уравнения переноса излучения в приложении к задачам атмосферной оптики. Теоретические работы в этой области посвящены анализу физических основ теории переноса на основе матричных функций Грина [1] и исследованию непрерывных свойств решения краевой задачи для уравнения переноса с обобщенными условиями сопряжения на границе раздела сред [2].
1 Материалы представлены Арефьевым В.Н. и Неру-шевым А.Ф. (НПО "Тайфун"), Бассом Л.П. (ИПМ РАН), Бобылевым Л.П. (НАНСЕН центр), Будаком В.П. (МЭИ), Горчаковым Г.И. (ИФА РАН), Журавлевой Т.Б., Сакери-ным С.М., Панченко М.В. и Пономаревым Ю.Н. (ИОА СО РАН), Захаровым В.И. (УрГУ), Каролем И.Л., Шаламян-ским А.М. (ГГО), Кадыгровым Е.Н. (ЦАО), Куликовым Ю.Ю. (ИПФ РАН), Левиным И.М. (ИО РАН), Огибаловым В.П. и Янковским В.А. (СПбГУ), Радионовым В.Ф. (ААНИИ), Розановым С.Б. (ФИ РАН), Рублевым А.Н. (РНЦ "Курчатовский институт", Успенским А.Б. (НПО Планета), Чуба-ровой Н.Е. (МГУ).
Интенсивно развиваются различные методы теории переноса излучения в МЭИ. Сформулирован новый подход к решению уравнения переноса излучения (УПИ), основанный на разделении решения на анизотропную и регулярную части [3]. На его основе исследовано решение векторного уравнения переноса излучения (ВУПИ) для случая плоского слоя мутной среды [4], проведено его сравнение с известными методами [5, 6]. Предложен матрично-операторный подход для метода решения ВУПИ для стратифицированной среды с произвольной подложкой на основе выделения анизотропной части [7], проанализировано влияние аэрозоля на распределение поляризации излучения по небосводу [8] и угловое распределение электронов, рассеянных плоской мишенью [9], что открывает возможности моделирования спутниковых измерений, полученных высокоточными средствами современной электронной микроскопии.
В ИАО СО РАН в рамках теории многократного рассеяния излучения сформулирована система уравнений переноса, строго описывающая процесс переноса широкополосного оптического из-
лучения в дисперсных средах. На их основе предложены и реализованы новые алгоритмы статистического моделирования, позволившие решить ряд практических задач лазерного зондирования атмосферы и растительного покрова [10, 11]. Выполнено моделирование переноса солнечного излучения в различных атмосферных условиях, предложены различные методы расчета атмосферных функций пропускания и потоков излучения [12—19]. Разработан новый метод определения микрофизических параметров аэрозоля из спектральных измерений оптической толщины и яркости солнечного ореола [20]. Оценено влияние качества спектроскопической информации на моделирование потоков радиации [21—23]. Моделирование атмосферного переноса излучения с различными спектроскопическими банками данных линий поглощения показало, что линии водяного пара, отсутствующие в базе данных HITRAN (http://cfa-www.harvard.edu/hitran/) в спектральном диапазоне 0.5—1 мкм, необходимо учитывать в атмосферных приложениях, так как вклад этих линий в пропускание, вычисленное даже со средним спектральным разрешением (20 см-1), может достигать 1.5% на вертикальной трассе и до 4% на наклонных трассах, а вклад изотопических модификаций HDO может достигать 1% [24].
В ИПМ им. М.В. Келдыша РАН совершенствуются численные методы моделирования переноса излучения в атмосфере: разработан упрощенный алгоритм расчета коэффициента яркости солнечного света, отраженного от пространственно-неоднородной атмосферы, составленной из нескольких крупных однородных зон; выполнена модернизация численного алгоритма решения уравнения переноса излучения в Ш, 2D, 3D областях при дискретном представлении индикатрисы рассеяния на параллельных компьютерах с разделенной памятью (программа РАДУГА); выполнено сравнение различных методов дискретных ординат в расчетах плоского альбедо для оптически бесконечно толстого слоя морской воды; рассмотрены: а) полуаналитический метод решения уравнения переноса с малоугловым приближением для анизотропной части решения; б) итерационный метод решения уравнения переноса с помощью сеточных аппроксимаций; в) итерационный метод решения интегрального уравнения Амбарцумяна. Полученные результаты позволяют построить улучшенную QSSA аппроксимацию плоского альбедо для использования в задачах дистанционного зондирования [25-31].
В СПбГУ продолжаются исследования процессов переноса неравновесного излучения в средней и верхней атмосфере. Построена полная модель фотодиссоциации озона и молекулярного кислорода с учетом кинетики электронно-колебательно-возбужденных продуктов фотолиза
этих компонент в мезосфере и нижней термосфере (интервал высот 50—125 км). Эта модель использовалась для постановки и решения новых прикладных задач (алгоритмы восстановления высотных профилей озона и водяного пара, параметризация и анализ точности решений прямой и обратной задач и пр.) [32, 33]. Для обоснования полученных результатов использовался метод анализа чувствительности полной модели для прямой и обратной задачи [34]. Применение данной модели к восстановлению высотных профилей концентрации H2O из измерений интенсив-ностей эмиссий в 6.3 мкм полосе инфракрасным радиометром SABER со спутника TIMED демонстрируется в работе [35].
Впервые решена фундаментальная задача переноса излучения (ПИ) в атмосфере Марса в колебательно-вращательных (К-В) полосах молекул СО2 (полосы около 4.3, 2.7, 2.0, 1.6, 1.4, 1.25, 1.2 и 1.05 мкм) и СО (полосы около 4.7, 2.3, 1.6 и 1.2 мкм) при колебательном нарушении локального термодинамического равновесия (НЛТР) с учетом поглощения и рассеяния излучения на аэрозолях. На основе техники ускоренных лямбда-итераций разработан оригинальный метод решения задачи ПИ в молекулярных полосах при колебательном НЛТР в планетной атмосфере с учетом перекрывания по частотам спектральных линий и отражения излучения подстилающей поверхностью планеты [36, 37]. Этот метод также позволяет учитывать аэрозольное рассеяние и поглощение излучения на частотах линий К-В переходов СО2 и СО для индикатрис общего вида. Выполнены расчеты спектров как лимбового излучения, так и излучения, уходящего на границах атмосферы Марса под различными углами, в К-В полосах молекул СО2 и СО в БИК спектральном диапазоне при учете процессов аэрозольного поглощения и рассеяния. Предложено теоретическое обоснование для нового метода восстановления оптических свойств марсианских аэрозолей по измерениям лимбового излучения в БИК полосах СО2 и СО.
АТМОСФЕРНАЯ МОЛЕКУЛЯРНАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ
Основное направление работ по молекулярной спектроскопии атмосферных газов — экспериментальное исследование спектроскопических параметров атмосферных газов, совершенствование методов расчета параметров спектральных линий, функций пропускания и пополнение банков спектроскопических данных (ИОА СО РАН, ИПФ РАН, СПбГУ, ТГУ).
Интенсивные экспериментальные исследования и моделирование спектроскопических параметров атмосферных газов при различных усло-
виях и в различных спектральных диапазонах [38—49], спектров молекул и межмолекулярных взаимодействий [50—58] ведутся в ИОА СО РАН. Восстановлен наиболее полный и согласованный набор колебательно-вращательных уровней энергии молекул HD18O и D218O [59—63]. Результаты этих исследований (совместно с учеными Франции, Англии, Бельгии и США) пополнили базу данных HITRAN новой и уточненной информацией [64]. В рамках проекта IUPAC "A database of water transitions from experiment and theory" совместно с учеными других стран определены высокоточные согласованные уровни энергии молекул H217O, H218O, HD16O, HD17O, HD18O, удовлетворяющие основным критериям достоверности, исходя из критической экспертизы всех опубликованных колебательно-вращательных переходов [65-70].
Впервые в эксперименте зарегистрировано континуальное поглощение водяного пара для видимой области спектра, экспериментальные результаты сравнены с результатами расчетов с использованием двух последних версий полуэмпирической модели континуума CKD. Разработана методика расчета параметров контура линий водяного пара с использованием точных волновых функций, позволяющая рассчитывать уши-рение и сдвиг линий, обусловленных переходами на высоковозбужденные состояния (до ближнего ультрафиолетового диапазона). Проведены массовые расчеты параметров контура и их
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.