Одной из актуальных задач физики атмосферы является прецизионное измерение общего содержания озона в столбе атмосферы (ОСО), необходимое для изучения динамики содержания этого газа в атмосфере. Образование озона из молекулярного кислорода под действием коротковолнового электромагнитного солнечного излучения (λ<242 нм), а также процессы его деструкции, приводят к существованию в земной атмосфере специфического температурного слоя – стратосферы, имеющего кардинальное значения для климата Земли [1]. Кроме того, являясь парниковым газом, озон играет также существенную роль в тепловом балансе земной тропосферы [2].
Одним из важных практически аспектов наблюдения за состоянием озоносферы и, в частности, измерения ОСО, является проблема долгосрочного и краткосрочного предсказания УФ индекса. УФ индекс – показатель, определяющий степень риска для человека обусловленную воздействием на него ультрафиолетового излучения [3]. Также одним из практических аспектов измерения ОСО является построение климатических моделей. Для долгосрочных прогнозов необходимы модели, основанные на многолетних непрерывных рядах измерений ОСО [2].
В настоящее время наиболее широко распространёнными наземными оптическими методами измерения ОСО являются методы, работающие по прямому Солнцу (DS-методы). Данные методы хорошо изучены, однако не всегда применимы в силу климатических ограничений. Существенным фактором, приводящим к серьезным ограничениям DS-метода, является наличие облачности. При сплошной облачности измерения данным методом невозможны. Для таких стран как Республика Беларусь это может привести к значительным «пробелам» в непрерывных рядах мониторинга ОСО. Данную проблему может решить использование вместо DS-методов расчет значений ОСО по спектральной плотности энергетической освещенности (СПЭО) земной поверхности в УФ диапазоне (т.н. метод Стамнеса) [4].
Так как в методе Стамнеса регистрируется излучение со всей небесной полусферы, то можно проводить проводить измерения даже при наличии экранирующей солнечный диск облачности. Согласно данному методу, значения ОСО можно получить, используя отношение освещенностей (в этом его существенное отличие от метода Добсона, использующего отношения спектральных яркостей) на двух длинах волн солнечного спектра, одна из которых попадает в область достаточно сильного поглощения атмосферного озона (300÷310 нм), а другая – находится вне этой области (330÷340 нм). Экспериментально измеренное отношение указанных освещенностей сравнивается с подобными отношениями, теоретически рассчитанными для набора значений ОСО и солнечных зенитных углов (SZA) при различных параметрах и моделях атмосферы (т.н. таблицами Стамнеса). [4] Весьма привлекательной особенностью метода, предполагающего регистрацию солнечного излучения, приходящего из всей небесной полусферы (т.е. «апертурного угла» φ = 2π стерадиан), является полное отсутствие системы наведения и слежения за Солнцем. Это резко снижает инструментальные погрешности, связанные с неточностью наведения оптической оси прибора на центр солнечного диска (или в точку небесного зенита), а также с важным природным фактором – смещением солнечного диска во время регистрации сигнала для предусмотренного методикой набора длин волн. Кроме того, снижаются издержки на достаточно сложное и специфическое программное и инструментальное обеспечение, необходимое для движения оптической оси озонометра по эклиптике в моменты, когда солнце закрыто облаками, чтобы сразу возобновить измерения при прояснении.
Для теоретических расчетов используется прикладной пакет программного обеспечения libRadTran [6]. libRadtran поддерживает моделирование переноса излучения в атмосфере с учётом целого набора параметров таких, как модель атмосферы, молекулярное рэлеевское рассеяние, поглощение газовыми составляющими, аэрозольное рассеяние и поглощение (в т.ч. водяными и ледяными облаками) и т.д. При численном моделировании можно также варьировать также величину и спектр альбедо земной поверхности. Пакет libRadtran был протестирован как своими создателями, так и сторонними исследователями, и результаты расчётов с использованием данного пакета оказались хорошо согласованы с экспериментальными данными [6].
Согласно предварительным оценкам, даже без учета ряда параметров атмосферы метод Стамнеса может давать значения ОСО с точностью до 5%, достаточной для ряда физических и климатологических исследований [5]. При этом предельные возможности метода исследованы сегодня далеко не полностью в силу отсутствия исследований о влиянии на получаемые значения ОСО таких параметров, как оптическая толщина атмосферного аэрозоля, оптическая толщина облачности, альбедо земной поверхности, а также полуширины приборной функции и выбранных для расчета пар длин волн. [4]
Целью данной работы было исследовать измерительную способность сравнительно нового и перспективного метода определения значений общего содержания озона в столбе атмосферы путем измерения спектров плотности энергетической освещенности земной поверхности, а также оценить влияние атмосферных и приборных факторов на погрешности метода и устойчивость применяемых в нем математических моделей. При проведении указанных исследований применялся программный пакет libRadTran, с помощью которого осуществлялись расчеты спектров энергетической освещенности поверхности Земли в УФ диапазоне. При этом в широком диапазоне варьировались различные параметры модели атмосферы, и сравнивались значения ОСО, получаемые при различных значениях данных параметров. Для получения значений ОСО использовались таблицы Стамнеса, рассчитанные на тех же парах длин волн, которые сегодня используются в самом распространённом озонометрическом DS-приборе – спектрофотометре Добсона, являющемся эталонным прибором мировой озонометрической сети.
Было изучено влияние следующих природных параметров показатель преломления солнечного излучения атмосферными аэрозолями, оптическая толщина атмосферного аэрозоля, дальность видимости, альбедо однократного аэрозольного рассеяния, фактор ассиметрии (среднее значение косинуса угла рассеяния), оптическая толщина облачности, альбедо подстилающей поверхности. Также было изучено влияние на восстановленные значения ОСО учета полуширины аппаратной функции прибора.
Среди всех исследованных пар длин волн наиболее устойчива к вносимыми атмосферными факторами погрешностям пара длин 308,9 нм и 329,1 нм; наименее устойчивой показала себя пара 317,5 нм и 339,9 нм. Не учет в таблицах Стамнеса полуширины аппаратной функции измерительного прибора вызывает погрешность в 2-4 единицы Добсона (ЕД), в зависимости от выбранных для расчета длин волн.
Среди всех рассмотренных атмосферных параметров наименьший вклад в погрешность даёт аэрозольный показатель преломления, что, по всей видимости, обусловлено реализацией модели атмосферы в пакете libRadTran. Альбедо однократного аэрозольного рассеяния при варьировании от 0 до 1 даёт разбежку в восстановленных значений ОСО от 0,5 до 1 ЕД. Аэрозольный фактор ассиметрии, изменяющийся от -1 до 1 меняет результирующие значения ОСО на 2 4 ЕД. При изменении оптической толщины атмосферного аэрозоля в пределах 0 – 10 единиц значения ОСО, рассчитанные по методу Стамнеса, отличаются на 15 90 ЕД. Типичная для Минска оптическая толщина аэрозоля порядка 0,3 – 0,4 [7], даёт результирующую погрешность в пределах 2 10 ЕД. Альбедо подстилающей поверхности, при изменении его значений от 0 до 1, даёт погрешность ОСО 6 12 ЕД. Оптическая толщина облачности, изменяемая в диапазоне 0 10 ЕД, привела к разбежке в полученных значениях ОСО в 4 10 ЕД.
Наиболее сильным оказалось влияние метеорологической дальности видимости: при плохих погодных условиях (дождь, снег, сильный туман) получаемые значения ОСО могут отличаться от реальных в несколько раз. При метеорологической дальности видимости в пределах 1 2 км погрешность составляет 40 50 ЕД, при метеорологической дальности видимости от 2 до 5 км она составляет величину от 20 до 30 ЕД, более 5 км – 2 10 ЕД. Таким образом, при дальности видимости менее 5 км проводить измерения ОСО по методу Стамнеса нецелесообразно.
Для устранения указанных погрешностей целесообразно использовать актуальные на момент проведения измерений параметры, которые необходимо учитывать при расчете таблиц Стамнеса. Значения аэрозольной толщины предлагается брать из данных сети роботизированной сети контроля аэрозолей (AeroNET). В августе 2002 года в Минске на базе Института физики НАН Беларуси введена в действие станция AeroNET, которая в автоматическом режиме производит измерения АОТ на нескольких длинах волн в диапазоне 1020 –380 нм. К сожалению, станция AERONET не оснащена коротковолновым датчиком для определения аэрозольной оптической толщины в диапазоне 300 – 320 нм, который представляет наибольший интерес при расчете значений ОСО [5]. Данную проблему можно решить с помощью построения регрессионной спектральной зависимости измеренной станцией AeroNET аэрозольной толщины над Минском. Значения альбедо земной поверхности, характерные для каждого из сезонов, в зависимости от наличия снежного покрова, могут быть взяты из заранее подготовленных табличных данных. Появление снежного покрова является основным фактором, вызывающим значительное изменение альбедо в УФ области. Значения дальности видимости определяются с помощью визуальных наблюдений, аналогичным образом получаются и данные об облачности. Традиционно для описания состояния облачности используется четыре градации по бальности (0-2; 3-4; 5-6; 7-8), распределение по высоте (высокая, средняя, низкая) [7]. Модель атмосферы, используемая в Libradtran, в качестве параметров, характеризующих облачность, позволяет задавать относительную толщину и альбедо рассеяния для водяных и ледяных облаков [6]. Зенитный угол Солнца легко вычислить по известным астрономическим формулам.
Литература:
Гущин Г.П., «Динамика атмосферного щита биосферы – озонного слоя за последние 50 лет» // «Атмосферный озон», труды VI Всесоюзного симпозиума, Л., 1987, с. 9 – 15;
Petzoldt K. B., Naujokat, Neugebohren. Correlation between stratospheric temperature, total ozone, and tropospheric weather systems. // Geophysics Research Lett., 1994, v 21., p 1203 –1206.
Vanichec K., “UV Index for public”. // An Output from the COST-713 Project., Proceeding of the Quadrennial ozone symposium, Sapporo 2000, p.695-696.
А.Г. Светашев, Ю.И. Атрашевский, А.Н. Красовский, В.Ю. Станкевич. Предварительные результаты восстановления ОСО по результатам наземных измерений спектрального распределения освещенности УФ составляющей солнечной радиации. // Сахаровские чтения 2009: Экологические проблемы XXI века. Материалы 9-ой Международной научной конференции, Минск, 21-22 мая 2009 г.,- с.305.
Stamnes K. et al., Derivation of total ozone abundance and cloud effects from spectral irradiance measurements. // Applied Optics, 1991, Vol. 30, No. 30, p. 1 – 15.
Kylling A., Mayer B., LibRadtran, library for radiative transfer calculations, Edition 1.0, December, 2001.
«Атмосфера. Справочник» под ред. Ю.С. Седунова. Л.: Гидрометеоиздат, 1991, - 510 с.
