Исследование атмосферного озона и закиси азота методом дистанционного зондирования в трехмиллиметровом диапазоне тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

На правах рукописи САВЕЛЬЕВ Дмитрий Валерьевич,

1 я ДсК 71П1

ИССЛЕДОВАНИЕ АТМОСФЕРНОГО ОЗОНА И ЗАКИСИ АЗОТА МЕТОДОМ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ В ТРЕХМИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ

01.04.03 - Радиофизика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород - 2000

Работа выполнена на радиофизическом факультете Нижегородского государственного университета им. Н. И. Лобачевского

Научные руководители:

доктор физико-математических наук

А. Г. Кисляков

кандидат физико-математических наук Е. И. Шкелев

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук

А. В. Троицкий

доктор физико-математических наук А. В. Якимов

Ведущая организация:

Институт прикладной физики Российской Академии Наук (ИПФ РАН), г. Нижний Новгород

Защита состоится "2о" ^дг^аЬр^ 2000 г. в {Цо часов на заседании диссертационного совета Д 063.77.09 в Нижегородском государственном университете имени Н. И. Лобачевского по адресу: 603600, Н. Новгород, ГСП-20, пр. Гагарина, 23, корп. 4, радиофизический факультет, ауд. 2Р2-

С диссертацией можно познакомиться в фундаментальной библиотеке Нижегородского государственного университета.

Автореферат разослан " 2000 года.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат физ.-мат. наук

доцент

В. В. Черепенников

с2)гзг с /У/. 2<РУ О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Озон играет важную роль в физике атмосферы и имеет большое влияние на жизнь на Земле, защищая ее поверхность от ультрафиолетового излучения. Превышение уровня ультрафиолетовой радиации может губительно сказаться на живых организмах. Деятельность человека меняет среду обитания, выбрасываемые в атмосферу вещества разрушают озоновый слой. Содержание озона в атмосфере снижается, появляются региональные аномалии в его распределении - "озоновые дыры". Нет сомнений, что земная озоносфера будет оставаться предметом глобальных исследований и мониторинга в течение длительного времени.

Основной причиной нарушения озонового слоя считается выброс в атмосферу хлорофтороуглеродных соединений - фреонов. Существуют и другие разрушающие озон соединения, прежде всего окислы азота, источником которых является, в основном, закись азота ЫгО. Поэтому изучение закиси азота является частью исследований по озоновой проблеме.

Для изучения атмосферы необходим комплексный подход с использованием различных методов. Наземное дистанционное зондирование имеет ряд преимуществ по сравнению с баллонными, ракетными и спутниковыми методами. Это возможность проведения долговременных непрерывных измерений независимо от сезона и времени суток, дешевизна и экологическая безвредность наземных приборов по сравнению с аппаратурой, устанавливаемой на носителях. Традиционно для дистанционного зондирования используется инфракрасный диапазон. Микроволновый диапазон имеет ряд преимуществ; прежде всего это слабая зависимость от присутствия в атмосфере аэрозолей и легкой облачности. Кроме того, с уменьшением частоты увеличивается высотный предел дистанционного зондирования. Радиодиапазон, в отличие от инфракрасного, может быть использован для изучения гораздо более высоких слоев атмосферы - верхней стратосферы и нижней мезосферы. Поэтому разработка аппаратуры для микроволнового дистанционного зондирования атмосферы является актуальной задачей.

Одновременные наблюдения радиоизлучения озона в нескольких спектральных линиях представляют интерес в связи с тем, что они могут привести к обнаружению новых связей между состоянием атмосферы Земли и солнечной активностью. Обычно для мониторинга озона выбирают наиболее интенсивные линии. При сравнении интенсивно-стей линий с разными квантовыми числами возникает задача исследования слабых линий (оптическая толщина ~ Ю-3 неп) и разработки специальных методик.

Последствия изменения содержания озона в атмосфере разнообразны и в большинстве своем неблагоприятные. Проведение исследований, которые помогут свести к минимуму эти последствия - важная и актуальная задача, имеющая существенное значение для народного хозяйства. В данной работе такие исследования выполнены. Кроме того, создана техника для решения такой важной задачи, как исследование атмосферного озона.

Цель работы

В данной работе ставились следующие цели:

1. Создание комплекса измерительной аппаратуры для дистанционного зондирования атмосферы в трехмиллиметровом диапазоне с возможностью оперативной перестройки по частоте и с применением параллельно-последовательного анализа спектра. Разработка методики измерения слабых теллурических линий в данном диапазоне.

2. Проведение измерений нескольких спектральных линий атмосферного озона как для выявления временных вариаций каждой из них, так и для сравнения относительных интенсивностей линий.

3. Разработка и исследование методов решения обратной задачи дистанционного зондирования атмосферы -восстановления высотных распределений концентрация газов по контуру теллурической линии.

4. Исследование корреляции временных вариаций от ношения интенсивностей теллурических линий озона ( солнечной активностью.

5. Обнаружение слабой теллурической линии закис* азота.

Научная новизна работы

1. Создана аппаратура для дистанционного зондирования атмосферы - перестраиваемый по частоте в диапазоне 90... 110 ГГц спектрорадиометр с комбинированным - параллельно-последовательным анализатором спектра. Сочетание гибкой схемы спектрального анализа и возможности частотной перестройки позволило проводить измерения теллурических линий различных газов.

2. Проведены циклы одновременных измерений линий озона на частотах 96228 и 101736 МГц. Получен обширный экспериментальный материал, позволивший проследить вариации интенсивности каждой из наблюдавшихся линий. Это первый ряд данных по одновременным наблюдениям двух теллурических линий. Средние значения измеренных интенсивностей согласуются с теоретическими данными и результатами других исследователей. Вариации отношения интенсивностей линий позволяют сделать предположение о возможных нарушениях равновесного распределения молекул озона по вращательным энергетическим уровням.

3. Разработан оригинальный метод решения обратной задачи атмосферного дистанционного зондирования для оптически тонких теллурических линий. Метод не требует использования детальной информации о характере распределения озона. Восстановленные высотные распределения концентрации озона находятся в удовлетворительном согласии с известными данными.

4. Проведено исследование связи временных вариаций отношения интенсивностей теллурических линий озона с солнечной активностью. Установлена слабая положительная корреляция отношения интенсивностей линий на частотах 101,7 и 96,2 ГГц с солнечным нейтронным излучением.

5. Впервые обнаружена теллурическая линия закиси азота на частоте 100492 МГц. Проведены долговременные наблюдения этой линии. Результаты указывают на сильную переменность линии, что позволяет использовать мониторинг закиси азота в качестве индикатора перемешивании воздушных масс в верхней стратосфере.

Практическая и теоретическая значимость работы

Полученные в диссертации результаты могут быть использованы при исследованиях атмосферы Земли. Данные об отношении интенсивностей теллурических линий озона могут открыть новый способ исследования солнечно-земных связей. Мониторинг закиси азота может стать инструментом изучения перемешивания воздушных масс в атмосфере. Разработанная аппаратура может быть использована для дальнейших исследований атмосферных процессов и влияния солнечной активности на атмосферу.

Работа велась в рамках

- Федеральной целевой программы "Государственная поддержка интеграции высшего образования и фундаментальной науки на 1997-2000 года",

- гранта РФФИ 96-02-16988-а,

- гранта Министерства общего и профессионального образования РФ по программе "Фундаментальные проблемы окружающей среды и экологии человека",

- нескольких госбюджетных научно-исследовательских работ в НИЧ ИНГУ.

Вклад автора

Личное участие автора в полученных результатах следующее:

- автор самостоятельно разработал и изготовил ряд блоков измерительного комплекса, провел их тестирование и апробацию;

- провел ряд наблюдений радиоизлучения атмосферы в трехмиллиметровом диапазоне: нерезонансного и в спектральных линиях озона и закиси азота;

- разработал программное обеспечение для управления аппаратурой и обработки результатов;

- предложил и исследовал метод восстановления высотного распределения газа по контуру теллурической линии;

- исследовал данные, полученные из наблюдений, в частности, связь линий озона с его общим содержанием и солнечной активностью и временные вариации линий закиси азота.

Апробация результатов работы и публикации

Результаты диссертационной работы докладывались на международной конференции "XXVII Радиоастрономическая конференция" (Санкт-Петербург, 1997), на всероссийских конференциях молодых ученых "Атмосферный озон" (Москва, 1996, 1997), на третьей и четвертой нижегородской сессиях молодых ученых (Нижний Новгород, 1998, 1999), на научных конференциях по радиофизике ННГУ (Нижний Новгород, 1993-1996, 1998-2000), а также на семинарах Научно-исследовательского Радиофизического Института, Института Прикладной Физики РАН (Нижний Новгород) и кафедры радиотехники ННГУ.

По результатам работы опубликовано 6 статей в рецензируемых центральных журналах и 17 работ в материалах научных конференций.

На защиту выносятся следующие результаты:

1. Создание комплекса измерительной аппаратуры для дистанционного зондирования атмосферы в трехмиллиметровом диапазоне. Это радиометр с двухполосной шумовой температурой ~ 1000 К с комбинированным - параллельно-последовательным спектроанализатором. В отличие от аналогичных приборов для наблюдений малых составляющих данный спектрорадиометр имеет возможность оперативной перестройки частоты в диапазоне 90...110 ГГц. Сочетание гибкой схемы спектрального анализа и возможности частотной перестройки позволило проводить измерения теллурических линий разных газов в указанном диапазоне.

2. Разработка контроллера для обеспечения интерфейса между радиометром и персональным компьютером, решение задачи электромагнитной совместимости.

3. Разработка и апробация методики измерения оптической толщины слабых (~ Ю-4 неп) теллурических линий в диапазоне 90...110 ГГц.

4. Результаты нескольких циклов измерений линий озона на частотах 96228 МГц и 101736 МГц в период 1996-2000 гг. Получен обширный экспериментальный материал, позволивший проследить вариации интенсивности каждой из наблюдавшихся линий. Измерялись и другие,

более слабые, линии (на частотах 103878 и 110836 МГц). Средние значения измеренных интенсивностей согласуются с теоретическими. Это первый ряд данных по одновременным наблюдениям двух и более теллурических линий. Вариации отношения интенсивностей двух линий позволяют сделать предположение о возможных нарушениях равновесного распределения молекул по вращательным энергетическим уровням.

5. Апробация двух методов решения обратной задачи атмосферного дистанционного зондирования. Один из этих методов (для оптически тонких теллурических линий) полностью разработан в данной работе. Восстановленные высотные распределения концентрации озона находятся в удовлетворительном согласии с известными данными.

6. Проведение исследования корреляции временных вариаций отношения интенсивностей теллурических линий озона с солнечной активностью. Установлена слабая корреляция этого отношения с солнечным нейтронным излучением.

7. Обнаружение теллурической линии закиси азота на частоте 100492 МГц. Проведены долговременные наблюдения этой линии. Результаты указывают на сильную переменность линии, что позволяет использовать мониторинг закиси азота в качестве индикатора перемешивании воздушных масс в верхней стратосфере.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из Введения, трех Глав, Заключения и Приложения. Объем диссертации составляет 104 стр., в том числе 95 стр. основного текста. Список литературы содержит 82 наименования и приведен на 9 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении излагаются состояние и актуальность предмета исследования, обоснование метода микроволнового дистанционного зондирования атмосферы, цели работы и постановка задач.

Глава 1 посвящена аппаратуре и методике наблюдений спектральных линий атмосферных газов.

В разделе 1.1 описаны механизмы формирования теллурических линий. В условиях, типичных для земной атмосферы, уширение спектральных линий обусловлено, в основном, двумя эффектами: эффектом Доплера при тепловом движении молекул и эффектами давления, т. е. уширение вследствие возмущений, обусловленных взаимодействием между молекулами (так называемое лоренцевское уширение). Лоренцевская полуширина линии пропорциональна давлению и убывает с высотой. Показано, что максимальная высотная граница дистанционного зондирования в трехмиллиметровом диапазоне составляет примерно Ь=70 км, т. к. при Ь>70 км преобладающим эффектом в уширении линии становится эффект Доплера, слабо зависящий от высоты.

В разделе 1.2 дано обоснование использованного в данной работе параллельно-последовательного анализа. Для многих спектральных линий примесных атмосферных газов характерны узкая спектральная область максимума в центре линии и достаточно протяженные периферийные области - крылья - с относительно медленным ослаблением интенсивности по мере удаления от центра. Такая форма линии подсказывает алгоритм выбора сетки частот каналов радиометра для измерения ее контура. Наименьший шаг по частоте и наибольшее частотное разрешение должны иметь каналы в частотной области вблизи центра линии. За время параллельного анализа центра линии ее крылья могут быть измерены при помощи частотной перестройки специально выделенного канала, т. е. последовательно. При этом чувствительность последовательного канала может быть улучшена за счет широкополосности, т. к. для крыльев линии не обязательно высокое частотное разрешение. Сочетание параллельного и последовательного анализа дает более гибкую схему, пригодную для измерения разных теллурических линий.

В разделе 1.3 дано описание разработанного в работе спектрорадиометра. Это радиометрический приемник модуляционного типа с двойным преобразованием частоты, со спектроанализатором, работающий в диапазоне 90... 110 ГГц. Анализатор спектра состоит из блока параллельного анализа (30 фильтров с полосами пропускания 2...3 МГц, перекрывающие полосу 30 МГц) и канала последовательного анализа (перестраиваемый фильтр с полосой 18 МГц).

Кроме того, в радиометре имеется канал с шириной полосы пропускания порядка 1 ГГц. Этот канал используется для измерения интегральной мощности сигнала по всей полосе анализа. Измерение мощности сигнала в широкой полосе позволяет учитывать влияние нерезонансного поглощения в атмосфере и производить коррекцию получаемых результатов. Работа радиометра полностью автоматизирована. В диапазоне 90...105 ГГц чувствительность параллельных каналов прибора не хуже 1 К при постоянной времени 1 с в двухполосном режиме приема.

В разделе 1.4 описана использовавшаяся методика измерения оптической толщины атмосферы. В работе использовался метод атмосферных "разрезов", основанный на измерении собственного излучения атмосферы под двумя зенитными углами, и измерении излучения черного тела при температуре окружающего воздуха. При расчетах оптической толщины учитывалась неизотермичность атмосферы и наличие в приемной аппаратуре зеркального канала. Использование в процессе измерений широкополосного канала для учета флуктуаций нерезонансного атмосферного поглощения позволило уменьшить погрешности измерения.

Глава 2 посвящена наблюдениям спектральных линий атмосферного озона.

В разделе 2.1 произведен расчет полного вертикального поглощения радиоволн в линиях озона на частотах 96,2 и 101,7 ГГц. Получены значения оптической толщины в центре линии соответственно 0,0145 и 0,0273 неп. Эти значения находятся в согласии с известными результатами расчетов для средних широт Северного полушария.

В разделе 2.2 приведены результаты наблюдений теллурических линий озона. Первые наблюдения линий озона были проведены в 1994 году. На первом этапе не ставилась задача детального рассмотрения результатов наблюдений линии озона. Было лишь отмечено, что итоги испытаний радиометра показали возможность уверенной регистрации атмосферных линий с инкрементом оптической толщины порядка 0,005 неп за время около 1 часа. Это открыло возможности исследования других линий 3-миллиметрового диапазона (не только озонных). Приведен ряд данных наблюдений линий на частотах 101,7 и 96,2 ГГц за период 1996-2000 г. Основное внимание в работе уделялось сравнению интенсивностей указанных линий. Среднее значение

отношения интенсивностей линий за весь период наблюдений составило 1,89±0,43, что хорошо согласуется как с результатами расчетов п. 2.1, так и с известными из литературы данными. Кроме того, проводились измерения нескольких других линий озона, в частности, на частотах 103,9 и 110,8 ГГц. Средние измеренные значения отношения интенсивностей линий хорошо совпадают с теоретическими значениями.

В работе отмечено, что в отдельные дни и даже периоды величина отношения интенсивностей линий озона может сильно отличаться от своего среднего значения. Полученный результат позволяет сделать вывод о возможном перераспределении молекул Оз по вращательным энергетическим уровням. В последние годы в земной атмосфере обнаружены нарушения вращательного локального термодинамического равновесия для некоторых молекул. Причины возмущений вращательных уровней озона следует искать, очевидно, в сопоставлении результатов измерений теллурических линий с индексами солнечной активности.

Раздел 2.3 посвящен разработке и исследованию методов решения обратной задачи дистанционного зондирования - восстановлению высотного распределения (профиля) концентрации озона. Физической основой получения информации о высотном составе атмосферы по результатам наземных наблюдений является тот факт, что излучение, принятое приемником на разных частотах, генерируется преимущественно на различных высотах в атмосфере. Идея восстановления высотного распределения основана на использовании зависимости ширины линии атмосферного газа от давления, а значит, и от высоты. Математическим соотношением, связывающим измеренную величину -спектр эффективной температуры или оптической толщины атмосферы с высотным профилем, является интегральная форма уравнения переноса микроволнового излучения, которое может быть записано в виде

где - измеренный спектр, - искомый профиль, К{у,И)~ весовая функция, зависящая от конкретного резо-

(1)

о

нансного перехода, в которую входят профили давления и температуры.

В настоящей работе использованы два алгоритма восстановления профиля озона. Первый основан на подборе параметров аналитически заданной зависимости, которая хорошо аппроксимирует среднестатистическое распределение озона. Подбором параметров (Лт - высота максимума озонового слоя, А^щ - концентрация в максимуме, АИ - полуширина максимума) можно добиться минимальной ошибки при подстановке данного распределения в исходное интегральное уравнение (1). Наличие в задаче всего трех параметров является преимуществом с точки зрения численного счета. Недостатком метода является невозможность выявления деталей профиля.

Такого недостатка не имеет второй метод восстановления высотного профиля примесного газа, полностью разработанный в данной работе. В основе алгоритма лежит разбиение атмосферы на слои. Показано, что для оптически тонких линий измеренный с Земли спектр может быть представлен суммой вкладов отдельных слоев. Решение задачи восстановления профиля сводится к подбору концентраций в слоях для получения распределения, которое дает наименьшую ошибку при подстановке в (1). Такой метод позволяет выявить детали профиля с разрешением по высоте порядка 5 км (ширина весовой функции). Метод протестирован на математических моделях.

В работе приведены результаты восстановления озонового профиля по экспериментальным данным радиометрических наблюдений, которые показывают хорошее согласие с имеющимися данными о высотном распределении озона.

Раздел 2.4 посвящен сравнению интенсивностей измеренных линий озона с его общим содержанием (ОСО), данные о котором доступны в сети Интернет на страницах Всемирной Метеорологической Организации ("\АГМО). Эти данные получены со спутников. В отдельные периоды отмечена корреляция между временным ходом интенсивности линии на частоте 101,7 ГГц и ОСО. Однако строгий расчет указывает на отсутствие постоянной корреляции. Это может объясняться тем, что спутники дают очень сглаженную, усредненную в пространстве картину. Между тем, как отмечалось в литературе, озоновый слой может

иметь локальные неоднородности с характерным пространственным масштабом порядка 100 км. Кроме того, возможны достаточно быстрые временные вариации теллурических линий.

Раздел 2.5 посвящен сравнению отношения интенсив-ностей линий озона с солнечной активностью. Впервые сравнение данных измерений теллурических линий с солнечной активностью автор с коллегами проделал в 1997 году, в качестве меры солнечной активности рассматривались числа Вольфа. Расчет коэффициента корреляции показал отсутствие явной связи чисел Вольфа с поведением озоновых линий. В данном разделе рассматривается корреляция между отношением интенсивностей измеренных теллурических линий и нейтронным солнечным излучением (данные о котором доступны в Интернет). Проведен расчет коэффициентов корреляции между нейтронным солнечным излучением и отношением интенсивностей линий озона на частотах 101,7 и 96,2 ГГц. Получены значения 0,22, 0,25 и 0,04 для 1996-го, 1997-го и 1998 годов соответственно. Отметим, что получена слабая, но положительная корреляция. Постановка задачи поиска связей между солнечным излучением и распределением молекул озона по вращательным энергетическим уровням с использованием микроволновых наземных наблюдений является, насколько известно автору, оригинальной.

Глава 3 посвящена наблюдениям атмосферной линии закиси азота N20.

В разделе 3.1 приведены известные из литературы данные о геофизических параметрах N20. Отмечено, что экспериментальные данные о плотности N20 выше ~ 35 км, по-видимому, отсутствуют.

В разделе 3.2 проведен расчет теллурической линии закиси азота на частоте 100,5 ГГц (переход J = 3-»4) по имеющимся данным для средних широт. Оптическая толщина в центре линии составила 610-4 неп при расчете по средним значениям имеющихся экспериментальных данных, которые имеют большой разброс. При экстраполяции этих данных в область высот 35...70 км рассчитанная линия получает приращение 0,6-10"4 неп.

В разделе 3.3 описаны особенности методики наблюдений линии закиси азота. Базовая линия радиометра имеет

неравномерность, и при измерении спектров оптической толщины возникают флуктуации в параллельных каналах спектроанализатора. Величина этих флуктуаций порядка 10~4 неп. Такая небольшая погрешность слабо влияет на форму измеряемых теллурических линий озона, так как они имеют интенсивность, на 1-2 порядка большую. Однако при измерении слабой линии закиси азота приходится вводить специальную корректировку в методику измерений, сущность которой заключалась в измерении параллельным анализатором левого и правого крыльев линии с последующим вычитанием результатов: АГ(у)=Гл(у)-Гп(у). При этом компенсировалась неравномерность базовой линии прибора и градиент нерезонансного поглощения, но терялась информация о форме линии. Для восстановления этой формы производился расчет теоретической разности спектров левого и правого крыльев линии Д8(у)=8л(у)~ ¡Зп(\/), где форма линии 8л(у) и 8п(у) полагалась лоренцев-ской. Далее производился подбор параметров теоретической лоренцевской кривой (интенсивности и полуширины) для минимизации выражения Полученная

интенсивность позволяет судить об интенсивности измеренной линии N20.

В разделе 3.4 приведены результаты измерений теллурической линии закиси азота на частоте 100,5 ГГц. Первые попытки обнаружения этой линии были предприняты автором с коллегами в 1995-96 гг. В первых измерениях был установлен верхний предел поглощения в данной линии, который составил 0,002 неп. Фактически обнаружить линию удалось после значительного усовершенствования аппаратуры лишь в 1997 году. Среднее за период 11.0311.04.97 значение декремента оптической толщины в линии при расстройке 25 МГц от ее центра составило (1,88±0,37)-10~4 неп. Отметим, что это первые экспериментальные измерения данной линии. После обнаружения наблюдения линии N¿0 продолжались. Среднее значение указанного декремента за период 23.04-06.05.97 составило (7±0,6)10-4 неп, а за период 21-29.05.97 (3±0,6)10-4 неп. Таким образом, уже в первых наблюдениях данной линии была обнаружена ее сильная переменность. Кроме того, даже минимальные измеренные декременты оптической толщины несколько превышали рассчитанные. Эти эффек-

ты подтвердились в последующих циклах измерений в период май 1997 - март 2000 года.

Приведенные в работе результаты расчетов и измерений теллурических линий N20 демонстрируют возможность радиометрического контроля ее содержания в стратосфере. Обнаруженные эффекты переменности линии можно объяснить перераспределением закиси азота по высоте в интервале 20-55 км.

Раздел 3.5 посвящен оценкам высотных профилей закиси азота. Для решения обратных задач необходимо привлечение априорной информации. Кроме того, крайне желательно наличие как можно более точно измеренных спектров. Априорная информация о содержании закиси азота достаточно неоднозначна. Детальная форма слабой линии N20 не была получена, оценена только ее интенсивность. Поэтому обратная задача для закиси азота в данной работе не ставилась. По полученным данным произведена оценка флуктуаций высотного распределения N20, соответствующих измеренным спектрам. Показано, что полученные в измерениях сильные вариации линии закиси азота могут быть обусловлены изменениями стратосферной концентрации данной примеси. В частности, расчет показывает, что за первые полтора месяца весны 2000 года содержание закиси азота в области высот 20...40 км сильно увеличилось (по крайней мере в 5 раз). Такой результат может быть объяснен переносом воздушных масс из более низких широт (содержание закиси азота на высоте ~ 30 км над экватором на порядок выше, чем в средних широтах).

В Заключении сформулированы основные результаты работы.

В Приложении дано описание системы управления и накопления данных радиометра. Для обеспечения интерфейса приемной аппаратуры с вычислительной машиной был разработан и изготовлен специализированный контроллер в виде платы для слота расширения персонального компьютера. В процессе разработки контроллера был успешно решен ряд проблем, связанных с электромагнитной совместимостью аналоговой приемной аппаратуры и цифровой системой управления и накопления данных.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Савельев Д. В., Кисляков А. Г. "Параллельно-последовательный анализ спектра радиолинии". Научная конференция по радиофизике. Материалы конференции. Н. Новгород, 1993. с. 65-66.

2. Савельев Д. В., Кисляков А. Г. "Алгоритм восстановления высотного профиля концентрации газа по спектральным наблюдениям оптически тонкой теллурической линии". Научная конференция по радиофизике. Материалы конференции. Н. Новгород, 1994. с. 31-32.

3. Кисляков А. Г., Савельев Д. В., Шкелев Е. И., Вакс В. Л. "Наблюдения теллурических линий в 3-мм диапазоне длин волн". Юбилейная научная конференция, посвященная 100-летию Радио и 50-летию радиофизического факультета ННГУ. Тезисы докладов. Н. Новгород.

1995. с. 37-38.

4. Кисляков А. Г., Савельев Д. В., Шкелев Е. И. "Спектро-радиометр 3-миллиметрового диапазона волн с последо вательно-параллельным анализом". Приборы и техникг эксперимента. М., 1995, № 6, с. 132-136.

5. Кисляков А. Г., Савельев Д. В., Шкелев Е. И. "Наблю дения слабых теллурических линий озона". Атмосфер ный озон. Труды конференции молодых ученых. Моек ва, 1996. с. 45-48.

6. Вакс В. Л., Кисляков А. Г., Савельев Д. В., Шкеле] Е. И. "Наблюдения теллурических линий в 3-х милли метровом диапазоне длин волн". Современные проблемь радиофизики. Сборник научных трудов. Н. Новгород

1996. с. 62-66.

7. Кисляков А. Г., Савельев Д. В., Шкелев Е. И "Вариации линий озона в период февраль-март 1996 г. Итоговая научная конференция радиофизического фа культета, посвященная дню радио 7 мая 1996 г. Тезис* докладов. И. Новгород, 1996, с. 18.

8. Савельев Д. В. "Алгоритм восстановления профиля кок центрации газа по его оптически тонкой теллурическо линии". Там же, с. 23.

9. Кисляков А. Г., Савельев Д. В., Шкелев Е. И. "Резул! таты наблюдений линий Оз на частотах 96 и 101 ГГц з период 1996-1997 гг". Атмосферный озон. Труды конф< ренции молодых ученых. Москва, 1997. с. 49-52.

10. Вакс В. Л., Канаков В. А., Кисляков А. Г., Пелюшенко С. А., Ракуть И. В., Савельев Д. В., Шкелев Е. И. "Перспективные разработки радиометров миллиметрового диапазона длин волн". Вестник Верхне-Волжского отделения Академии технологических наук Российской Федерации. Нижний Новгород, 1997, № 1(3), с. 37-41.

11. Вакс В. Л., Вдовин В. Ф., Кисляков А. Г., Лапкин И. В., Савельев Д. В., Шкелев Е. И. "Обнаружение теллурической линии N20 ¿=3->4". XXVII Радиоастрономическая конференция. Санкт-Петербург. 1997. Труды конференции, с. 48-49.

12. Кисляков А. Г., Савельев Д. В., Шкелев Е. И., Евсеев А. П. "Сопоставление солнечной активности с измерениями теллурических линий озона". Там же, с. 47.

13. Вакс В. Л., Вдовин В. Ф., Кисляков А. Г., Лапкин И. В., Савельев Д. В., Шкелев Е. И. "Обнаружение теллурической линии N20 ^3->4". Известия высших учебных заведений. Радиофизика. Том ХЬ, № 11, 1997, с. 1365-1369.

14. Кисляков А. Г., Савельев Д. В., Шкелев Е. И. "Сравнение интенсивностей теллурических линий озона". Научная конференция по радиофизике, посвященная 95-летию со дня рождения М. Т. Греховой. Тезисы докладов. Н. Новгород, 1997. с. 57.

15. Вакс В. Л., Вдовин В. Ф., Кисляков А. Г., Лапкин И. В., Савельев Д. В., Шкелев Е. И. "Вариации атмосферной линии N20 ^3->4". Там же, с. 64.

16. Кисляков А. Г., Савельев Д. В., Шкелев Е. И. "Сравнение результатов наблюдений атмосферного озона в радио- и оптическом диапазонах". Третья нижегородская сессия молодых ученых. Сборник тезисов докладов. Нижний Новгород. 1998. с. 45-46.

17. Вакс В. Л., Кисляков А. Г., Савельев Д. В., Шкелев Е. И. "Наблюдения оптически тонких теллурических линий озона в Зх-миллиметровом диапазоне длин волн". Радиотехника и электроника. Том 43, № 6, 1998, с. 668-673.

18. Кисляков А. Г., Савельев Д. В., Шкелев Е. И. "Измерения атмосферной спектральной линии закиси азота N2O". Четвертая нижегородская сессия молодых ученых. Сборник тезисов докладов. Нижний Новгород. 1999. с. 17-18.

19. Кисляков А. Г., Савельев Д. В., Шкелев Е. И. "Переменность атмосферной линии N2O J=3—>4". Известия высших учебных заведений. Радиофизика. Том XLII, № 10, 1999, с. 933-939.

20. Шкелев Е. И., Савельев Д. В., Кисляков А. Г. "Система управления спектрорадиометром Зх-миллиметрового диапазона длин волн". Приборы и техника эксперимента. № 4, 2000, с. 65-71.

21. Кисляков А. Г., Канаков В. А., Савельев Д. В., Шкелев Е. И. Вакс В. Л., Приползин С. И., Вдовин В. Ф., Jlan-кин И. В., Пелюшенко С. А. "Миллиметровая радиометрия и спектроскопия: новые методы и результаты". Труды третьей научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород, ННГУ, 1999.

22. Савельев Д. В. "Оценки методов восстановления вертикального профиля озона". Там же.

23. Вдовин В. Ф., Лапкин И. В., Кисляков А. Г., Савелье! Д. В., Шкелев Е. И. "Криоэлектронный модуль стенд£ для атмосферных исследований". Там же.

24. Кисляков А. Г., Савельев Д. В., Шкелев Е. И., Вак< В. Л. "О высотном распределении N2O в атмосфере п< данным радионаблюдений". Труды четвертой научно! конференции по радиофизике. Н. Новгород, 2000 с. 155-156.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение ..........................................................................3

Глава 1. Аппаратура и методика измерения теллурических

линий примесных газов атмосферы ....................16

1.1. Формирование теллурических линий..................16

1.2. Теоретическое обоснование параллельно-последовательного анализа спектра ..................22

1.3. Описание спектрорадиометра ............................23

1.4. Методика наблюдений ......................................32

Глава 2. Наблюдения теллурических линий озона............41

2.1. Расчет вертикального поглощения радиоволн

в линиях вращательного спектра озона............41

2.2. Результаты наблюдений линий озона................42

2.3. Восстановление высотных профилей озона .... 54

2.4. Сравнение интенсивностей измеренных линий

с общим содержанием озона..............................60

2.5. Сравнение отношения интенсивностей линий озона с солнечной активностью ........................62

Глава 3. Наблюдения атмосферной линии закиси азота . . 68

3.1. Геофизические параметры закиси азота............68

3.2. Расчет теллурической линии закиси азота .... 70

3.3. Особенности методики наблюдений закиси азота 73

3.4. Результаты измерений линии закиси азота .... 74

3.5. Оценки высотных профилей закиси азота..........81

Заключение ......................................................................84

Приложение. Система управления и накопления данных . 86

Список литературы ..........................................................96

Введение

Глава 1. Аппаратура и методика измерения теллурических линий примесных газов атмосферы.

1.1. Формирование теллурических линий.

1.2. Теоретическое обоснование параллельно-последовательного анализа спектра.

1.3. Описание спектрорадиометра.

1.4. Методика наблюдений.

Глава 2. Наблюдения теллурических линий озона.

2.1. Расчет вертикального поглощения радиоволн в линиях вращательного спектра озона

2.2. Результаты наблюдений линий озона.

2.3. Восстановление высотных профилей озона.

2.4. Сравнение интенсивностей измеренных линий с общим содержанием озона

2.5. Сравнение отношения интенсивностей линий озона с солнечной активностью.

Глава 3. Наблюдения атмосферной линии закиси азота.

3.1. Геофизические параметры закиси азота.

3.2. Расчет теллурической линии закиси азота.

3.3. Особенности методики наблюдений закиси азота.

3.4. Результаты измерений линии закиси азота.

3.5. Оценки высотных профилей закиси азота.

Развитие методов дистанционного зондирования атмосферы является в настоящее время актуальной задачей. Для изучения атмосферы и ее мониторинга необходим комплексный подход с использованием различных методов. Наземное дистанционное зондирование имеет ряд преимуществ по сравнению с балонными, ракетными и спутниковыми методами. Это возможность проведения долговременных непрерывных измерений независимо от сезона и времени суток, дешевизна и экологическая безвредность наземных приборов по сравнению с аппаратурой, устанавливаемой на носителях. Традиционно (с 60-х годов XX века) для зондирования атмосферы используются радиометры инфракрасного диапазона [1]. Однако с 80-х годов активно развиваются радиоастрономические методы исследования атмосферы. Микроволновый диапазон для дистанционного зондирования имеет существенные преимущества; прежде всего это слабая зависимость от присутствия в атмосфере аэрозолей и легкой облачности. Кроме того, с уменьшением частоты увеличивается высотный предел дистанционного зондирования.

Сущность метода состоит в измерении излучения атмосферы на частотах вращательных переходов атмосферных газов. Атмосферные спектральные линии - теллурические линии - несут информацию об общем содержании и распределении по высоте исследуемых газов. Диапазон высот микроволнового дистанционного зондирования -примерно 20.70 км - также выгодно отличает его от других методов. Верхний предел дистанционного зондирования (т. е. максимальная высота, до которой данный метод позволяет получать информацию о высотном строении атмосферы) определяется высотой, на которой ширина теллурических линий перестает зависеть от высоты. Подробно об уширении теллурических линий будет сказано в п. 1.1. Здесь приведем лишь аргументацию в пользу радионаблюдений. С ростом частоты увеличивается доплеровское уширение линий, что снижает верхний предел дистанционного зондирования. Представление дает рис. 1, на котором в зависимости от частоты показана высота, на которой доплеровский механизм уширения теллурических линий начинает преобладать над соударительным механизмом (для О3 и N20 - газов, о которых идет речь в данной работе). При этом исчезает зависимость ширины спектральных линий от давления, и следовательно, от высоты. В связи с этим пропадает возможность изучения высотного строения атмосферы по данным наземных наблюдений. Поэтому высоту, начиная с которой ширина линий перестает зависеть от высоты, называют верхним пределом дистанционного зондирования. В миллиметровом диапазоне (~10п Гц) верхний предел составляет ~70 км, в то время как в ИК диапазоне (~1013 Гц)--40 км. Следовательно, радио диапазон, в отличие от ИК, может быть использован для изучения гораздо более высоких слоев атмосферы - верхней стратосферы и нижней мезо-сферы. Отметим, что максимальная высота подъема зондов составляет примерно 40 км.

Основными газами, поглощающими электромагнитное излучение в микроволновом диапазоне, являются водяной пар и кислород. В линиях поглощения этих газов атмосфера становится практически непрозрачной для радиоволн. Однако в частотных интервалах между этими линиями, так называемых окнах прозрачности, значительный вклад в общую оптическую толщу атмосферы могут вносить линии примесных атмосферных газов (малых составляющих), таких как озон, окислы углерода и азота.

Среди примесных газов особо выделяется озон. Ультрафиолетовое излучение с длинами волн 240-320 нм поглощается озоном и превращается в конечном итоге в тепло, чем обусловлено увеличение температуры в стратосфере с высотой [80]. Таким образом, озон играет важную роль в физике атмосферы и имеет большое влияние на жизнь на Земле, защищая ее поверхность от ультрафиолетового излучения. За годы эволюции биосфера нашей планеты приспособи5

120 -i

2 80 cd I-О О .0

CD 40

0--1—| | 111iij-1—| I 11 inj-1—I I I 11111-1—I I 11111|

1Е+10 1Е+11 1Е+12 1Е+13 1Е+14

Частота, Гц

Рис. 1. Верхний предел дистанционного зондирования для озона и закиси азота (как высота, на которой доплеровская полуширина теллурических линий становится больше соударитель-ной полуширины). лась к определенному уровню ультрафиолетовой радиации, и превышение этого уровня может губительно сказаться на живых организмах.

Высотное распределение озона очень неравномерно - этот газ сильно стратифицирован с высотой. До высоты ~15 км содержание озона остается примерно постоянным (~1012 молекул/см3), далее с увеличением высоты оно растет (до ~1013 молекул/см3), достигая максимума на высоте 20-25 км, и на больших высотах уменьшается с высотой (~10и молекул/см3 на высоте 45 км). Приблизительно 90% озона находится в стратосфере. Из-за такого распределения обычно говорят об "озоновом слое".

Исследования озоносферы радиоастрономическими методами активно ведутся в течение последних 2-х десятилетий. При этом используются как бортовые радиометры (см., например, [2]), так и наземные станции в различных географических регионах (см., например, [3]). В настоящее время можно считать, что радиоастрономические методы хорошо апробированы как в измерениях полного содержания озона, так и в определениях его высотного профиля концентрации.

С начала 80-х годов наблюдается сильное уменьшение количества озона над Антарктидой в весеннее время (первое сообщение появилось в работе [4]). Это явление получило название "озоновая дыт* ра .

В настоящее время не существует общепринятого мнения о причинах уменьшения количества озона в атмосфере. Большинство авторов придерживаются теории химического разрушения озона. Наибольшие потери озона в стратосфере обусловлены наличием там химически активного хлора, основным поставщиком которого в стратосферу являются хлорофтороуглеводы (фреоны). Будучи химически нейтральными, фреоны образуют накопитель реагентов, разрушающих озон, таких как атомарный хлор и окись хлора. В физических условиях Антарктиды (чрезвычайно холодный полярный вихрь весной и полярные стратосферные облака, состоящие, в основном, из кристаллов льда и азотной кислоты) фреоны продуцируют С1г и ОНС1, легко распадающиеся вследствие фотолиза в стратосфере. Полное содержание озона на высоких широтах в окрестности Южного полюса сократилось более чем на 50% по сравнению с его величиной до обнаружения озоновой дыры. Перемешивание воздуха вследствие атмосферной циркуляции приводит затем к обеднению озонного слоя в средних широтах. Таким образом, антарктический вихрь работает как реактор, разлагающий земной озон.

Оценка трендов полного содержания озона в атмосфере в последние годы неоднократно уточнялась, и в настоящее время считается, что его общее содержание снижалось с 1970 по 1994 год со скоростью 1,7+0,4% за десятилетие, а в широтной зоне 35°-90°К -со скоростью 2±0,8% за десятилетие [5].

Со времени ее обнаружения, озоновая дыра непрерывно наблюдается многими различными средствами (ИСЗ и самолетные лаборатории, озонозонды, наземные станции в Антарктиде и др.). Как следует из недавних наблюдений [6], недостаток озона в весенний период на Южном полюсе доходит до 60% в сравнении с содержанием озона до возникновения озоновой дыры. Необходимо отметить, однако, что хотя связь между выбросами в атмосферу фреонов и распадом озона в Антарктике доказана и эта гипотеза не вызывает серьезных возражений, потери озона в средних широтах могут быть обусловлены той же причиной лишь с определенной вероятностью.

Дело в том, что наблюдаемая скорость убывания (-2% в десятилетие) - "тренд" - дает годовые изменения содержания озона, такие же по порядку величины или даже меньшие, чем его годовые флуктуации. Существует немало механизмов обеднения озонного слоя. Например, вулканические выбросы сульфатных аэрозолей в атмосферу также могут вызвать превращения нейтральных соединений хлора в их озоно-активные формы. Резкое уменьшение содержания озона в период 1991-93 г.г. связывают с извержением вулкана Пи-натубо (Чили) в июле 1991 года [7, 8]. Уместно выделить некоторые виды человеческой активности, которые приводят к доставке разрушающих озон соединений непосредственно в стратосферу (сверхзвуковые самолеты, космические шаттлы и др.). Существуют также потери озона, которые могут быть отнесены к активности северного полярного вихря, подобного найденному у Южного полюса. Например, в 1994-95 годах наблюдались рекордно низкие содержания озона над Сибирью [9] - регионом, не выделяющимся своей индустриальной активностью.

Нет сомнений, что земная озоносфера будет оставаться предметом глобальных исследований и мониторинга в течение длительного времени. Производство и выбросы в атмосферу фреонов значительно сокращены благодаря усилиям стран, вошедших в Венскую Конвенцию (См. их Монреальский протокол 1987 года, скорректированный в Лондоне в 1990 году, а также Копенгагенское соглашение 1992 года); однако, действие уже накопленных в атмосфере фреонов продолжится в течение 20-30 лет со времени их выброса в атмосферу. С 1950 года количество хлора в стратосфере увеличилось в 4 раза. В условиях современного глобального потепления тропосферы (и соответственного похолодания стратосферы) выход хлора в приполярных вихрях может даже увеличиться. Предполагается, что озоновая дыра над Антарктидой сохранится до -2045 года [10].

Кроме фреонов, есть другие разрушающие озон соединения, так называемые NOx (такие как NO, N02 и др.), источником которых является, в основном, N20 - очень стабильный и долгоживущий (в тропосфере - около 150 лет) газ, разлагаемый ультрафиолетовой солнечной радиацией в стратосфере, главным образом, на атомы кислорода и азота. Цепочка последующих реакций приводит к возникновению соединений NOx. Главный источник происхождения закиси азота - естественный, однако, антропогенный вклад и в этом случае возрастает и им нельзя пренебрегать [11]. Необходимо отметить, что химия соединений ЫОх очень сложна [12] и мониторинг N20 и ее производных должен быть включен в исследования по озонной проблеме.

Современный уровень развития техники миллиметрового диапазона делает выполнимой задачу мониторинга линий закиси азота N20. Первые попытки обнаружения линии N20 в миллиметровом диапазоне длин волн не привели к уверенным результатам вследствие недостаточной чувствительности аппаратуры и методических сложностей, фактически они давали чрезмерно высокий верхний предел интенсивности линии N20 [13, 14]. В данной работе приводятся результаты новой экспериментальной оценки интенсивности линии закиси азота J=3-J>4:. Эти результаты сопоставляются с расчетами интенсивностей линии N20, выполненными на основе современных данных о профиле концентрации закиси азота.

Первые микроволновые спектральные наблюдения примесных газов атмосферы были выполнены в конце 60-х - начале 70-х годов [13, 15, 16, 17] с целью обнаружения в окнах прозрачности теллурических линий. В [15] впервые обнаружена теллурическая линия озона (частота 101,7 ГГц) с использованием пятиканального радиометра с разрешением 10 МГц. Дальнейшие исследования теллурического спектра озона [16] с более высоким разрешением по частоте (~1,2 МГц) позволили измерить контур линии с резонансной частотой 110,8 ГГц.

В нашей стране работы по спектральным измерениям атмосферного поглощения, связанного с озоном и другими примесными газами в миллиметровом диапазоне длин волн, впервые были проведены в НИРФИ (Научно-исследовательский радиофизический институт, г. Горький) и в ИПФ (Институт прикладной физики АН СССР, г. Горький). Первые наблюдения радиолиний примесных газов были выполнены методом последовательного анализа [13, 17], что оказалось весьма трудоемким делом. Спектральное разрешение было невысоким, порой недостаточным для уверенной интерпретации полученных результатов. Для реализации более перспективного метода параллельного анализа в Институте Прикладной Физики (ИПФ) АН СССР (г. Горький) впервые в стране был разработан и изготовлен многоканальный спектрометр диапазона волн 1,7.2,6 мм [18]. В полосе анализа, равной 90 МГц, спектрометр имел двадцать каналов, имеющих полосы пропускания 5 МГц каждый. Принципы, заложенные в изготовлении данного спектрометра, были использованы в дальнейших разработках спектрометров миллиметрового диапазона [19, 20, 21].

Первые экспериментальные определения оптической толщины в линиях озона были проведены в 1974-75 годах [17, 22]. Полученные результаты показывали хорошее согласие с расчетом. Там же были зарегистрированы вариации ширины и интенсивности озоновых линий. В последующие 1976-77 годы измерения спектров излучения атмосферы в линиях озона продолжались и развивались [23], и весной 1978 года был измерен контур спектральной линии озона на частоте 96,2 ГГц [24]. В измерениях был использован спектральный супергетеродинный радиометр с 10 фильтрами, имеющими полосы пропускания порядка 3,5 МГц. Особенностью данных измерений являлось то, что некоторые из них были выполнены сквозь облачную атмосферу. При этом линия озона наблюдалась уверенно. В 1979 году был измерен контур теллурической линии озона на частоте 142,2 ГГц [25]. Там же были приведены предварительные данные по восстановлению высотного распределения концентрации озона. В результате наблюдений было зарегистрировано увеличение количества озона в слое 30.50 км примерно втрое от весны к лету.

С конца 70-х годов в Горьком (позднее - в Нижнем Новгороде) непрерывно ведутся работы по разработке аппаратуры для дистанционного зондирования в миллиметровом диапазоне и исследованию озона и других малых составляющих атмосферы.

В апреле 1983 года в горах Заилийского Ала-Тау были проведены измерения прозрачности атмосферы на волне 2 мм [19, 26]. В течение трех дней получены спектры поглощения и излучения линии озона с резонансной частотой 142,2 ГГц. Данные наблюдений были использованы для определения количества озона в стратосфере Земли. Отмечено, что суточные вариации количества озона в стратосфере для Горького и Алма-Аты противоположны по знаку.

Для дальнейшего изучения изменчивости озона в стратосфере и определения временных масштабов его вариаций в период времени с осени 1986 года до весны 1988 года были проведены долговременные наблюдения в г. Апатиты (Кольский п-ов) [27, 28, 29, 30]. Измерялась линия на частоте 101,7 ГГц. Во время круглосуточных наблюдений в Апатитах было отмечено, что по сравнению со средними широтами изменения интенсивности и контура атмосферной линии озона отличались большим разнообразием. Это связывали, главным образом, с наличием сильных вариаций плотности озона, которые, по-видимому, значительно превосходят регулярный суточный ход в области высот до 50 км, отмеченный ранее в умеренных широтах. Так, в один из дней в течение часа содержание озона выше 30 км увеличилось более чем в два раза, а затем в течение 3-4 часов релак-сировало к прежнему уровню. Обнаруженные быстропеременные вариации содержания озона на высотах более 30 км с характерными временами порядка часа наблюдались в отдельные дни полярной ночи и в условиях относительно спокойной геомагнитной обстановки. В работе [31] был предложен динамический (волновой) подход к интерпретации "быстрых" вариаций озона, основанный на взаимодействии внутренней гравитационной волны со сдвиговым течением в окрестности критического слоя, где фазовая скорость волны совпадает со скоростью течения. Авторами показано, что при типичных параметрах сдвигового течения и внутренней гравитационной волны возмущение плотности пассивной примеси может быть сравнимо с ее невозмущенным значением, а характерный период осдилляций плотности составит несколько часов.

В зимне-весенний период 1988-89 гг. на о. Хейса (архипелаг Земля Франца-Иосифа) был организован комплексный эксперимент по изучению структуры и динамики озонового слоя в полярных широтах Северного полушария. Были проведены две непрерывные серии измерений [32, 33, 34]. При сопоставлении результатов микроволнового зондирования с данными других методов было показано, что микроволновые наблюдения являются достаточно надежным способом исследования атмосферного озона [32].

В 1989-90 гг. проводились наблюдения стратосферного озона в Антарктиде [35].

Недавно был создан двухлучевой спектрорадиометр, который позволил зарегистрировать пространственные неоднородности в распределении стратосферного озона, расположенные на расстоянии 300.400 км [36], которые авторы назвали "озоновыми облаками".

Кроме пионерских исследований в г. Горьком, в нашей стране микроволновые исследования озона проводятся также в Физическом Институте Академии Наук (ФИАН) в Москве [37-39].

В данной работе создан измерительный комплекс для дистанционного зондирования атмосферы в Зх-миллиметровом диапазоне длин волн. Особенностью созданного спектрорадиометра является возможность быстрой перестройки в диапазоне 90-110 ГГц. В связи с этим появляется возможность одновременного (с интервалом меньше часа) измерения нескольких теллурических линий озона. Задача одновременного измерения и последующего сравнения озоновых линий оригинальна.

В данной работе особое внимание уделяется одновременному измерению линий озона, принадлежащих разным переходам, и последующему сравнению их интенсивностей. Изменение отношения ин-тенсивностей линий может быть обусловлено нарушением равновесного распределения молекул по уровням. Обратные задачи дистанционного зондирования атмосферы основываются на важном предположении о выполнимости локального термодинамического равновесия. Это предположение, однако, не выполняется для верхних слоев атмосферы, где заселенности возбужденных состояний молекул определяются не только процессами столкновений, но и процессами радиационного возбуждения. Нарушения локального термодинамического равновесия наблюдаются прежде всего для колебательных степеней свободы молекул, однако в последние годы в атмосфере обнаружены и нарушения вращательного равновесия для ряда молекул [40].

Одновременные наблюдения теплового радиоизлучения озона в линиях, соответствующих энергетическим состояниям с существенно отличающимися квантовыми числами, могут привести к обнаружению новых связей между состоянием атмосферы Земли и солнечной активностью.

Постановка задачи использования атмосферных линий озона как индикатора солнечной активности является, насколько нам известно, оригинальной. Теоретическая сторона проблемы довольно сложна, поскольку a priori неизвестно, какой из видов солнечной активности (протонные вспышки, солнечный ветер, нейтронная компонента, УФ-радиация и т. п.) окажется наиболее значимым.

Отклонения в содержании озона при действии возмущающих факторов в верхней стратосфере происходят за время порядка нескольких часов [41]. Поэтому при интерпретации переменчивости радиоизлучения озона важно не только учитывать процессы фотохимии и переноса, но и следить за сохранением локального термодинамического равновесия озоновых молекул, что может быть реализовано одновременным наблюдением линий, принадлежащих разным переходам.

Задача дистанционного зондирования требует создания высокочувствительных радиометров с анализаторами спектра, имеющими полосу анализа и разрешающую способность, соответствующие форме исследуемых линий. Изменчивость высотных распределений газов в атмосфере и связанные с ней сильные отличия в формах спектральных линий требуют к тому же гибких алгоритмов работы спектрометров. Ввиду спектральных особенностей теллурических линий в данной работе применен параллельно-последовательный анализ. Параллельный анализ с высоким частотным разрешением используется в интервале частот с максимальным градиентом интенсивности излучения, последовательный анализ - для получения крупномасштабной структуры спектра.

Первая глава данной работы посвящена описанию аппаратуры и методики, которые использовались для измерения теллурических линий малых составляющих атмосферы в Зх-миллиметровом диапазоне. Рассмотрены механизмы формирования теллурических линий в атмосфере и дано обоснование использованного параллельно-последовательного анализа спектра. Дано описание спектрорадио-метра (в приложении подробно описан разработанный и изготовленный контроллер системы управления и накопления данных, который обеспечивает интерфейс между аналоговой приемной аппаратурой и цифровой вычислительной машиной). Подробно изложена методика наблюдений.

Во второй главе описаны наблюдения теллурических линий озона. Произведен расчет поглощения атмосферы на частотах исследуемых линий. Приведены результаты одновременных измерений линий на частотах 96,2 ГГц и 101,7 ГГц за период 1996-2000 гг., и результаты измерений некоторых других линий Зх-миллиметрового диапазона в отдельные дни указанного периода. Разработан оригинальный алгоритм восстановления высотного профиля озона по контуру оптически тонкой теллурической линии. Приведены результа

15 ты восстановления. Произведено сравнение интенсивностей измеренных линий с общим содержанием озона над Нижним Новгородом по результатам спутниковых наблюдений. Произведено сравнение отношения интенсивностей измеренных линий с солнечной активностью.

Третья глава работы посвящена наблюдениям атмосферной линии закиси азота на частоте 100,5 ГГц. Приведены геофизические параметры Ы20, произведен расчет указанной линии по имеющимся в литературе данным о содержании закиси азота в атмосфере. Приведены особенности методики, которая использовалась для интерпретации экспериментальных данных по Ы20. Приведены спектры поглощения атмосферы в линии закиси азота. Отметим, что это первые экспериментальные измерения данной линии. Обсуждаются вопросы изменчивости измеренной линии, проведен расчет флуктуа-ций содержания N20, которые могли бы привести к обнаруженным вариациям поглощения в линии.

Основные результаты работы следующие.

1. Создан комплекс измерительной аппаратуры для дистанционного зондирования атмосферы в трехмиллиметровом диапазоне. Это радиометр с шумовой температурой ~ 1000 К (БвВ) с комбинированным - паралельно-последовательным спектроанализатором. В отличие от аналогичных приборов для наблюдений малых составляющих данный спектрорадиометр имеет возможность оперативной перестройки частоты в диапазоне 90. 110 ГГц. Сочетание гибкой схемы спектрального анализа и возможности частотной перестройки позволило проводить измерения теллурических линий разных газов в указанном диапазоне.

2. Разработан контроллер для обеспечения интерфейса между радиометром и персональным компьютером, решена задача электромагнитной совместимости.

3. Разработана и апробирована методика измерения оптической толщины слабых теллурических линий 10~4 неп) в диапазоне 90. 110 ГГц.

4. В период 1996-2000 гг. были проведены несколько циклов измерений линий озона на частотах 96228 МГц и 101736 МГц. Получен обширный экспериментальный материал, позволивший проследить вариации интенсивности каждой из наблюдавшихся линий. Измерялись и другие, более слабые, линии (на частотах 103878 и 110836 МГц). Средние значения измеренных интенсивностей согласуются с теоретическими значениями. Это первый ряд данных по одновременным наблюдениям двух теллурических линий. Вариации отношения интенсивностей линий позволяют сделать предположение о возможных нарушениях равновесного распределения молекул по вращательным энергетическим уровням.

5. Апробированы два метода решения обратной задачи атмосферного дистанционного зондирования для оптически тонких тел

85 лурических линий. Один из этих методов полностью разработан в данной работе. Восстановленные высотные распределения концентрации озона находятся в удовлетворительном согласии с известными данными.

6. Проведено исследование корреляции временных вариаций отношения интенсивностей теллурических линий озона с солнечной активностью. Установлена слабая корреляция этого отношения с солнечным нейтронным излучением.

7. Впервые обнаружена теллурическая линия закиси азота на частоте 100492 МГц. Проведены долговременные наблюдения этой линии. Результаты указывают на сильную переменность линии, что позволяет использовать мониторинг закиси азота в качестве индикатора перемешивании воздушных масс в верхней стратосфере.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Кондратьев К. Я., Тимофеев Ю. М. Термическое зондирование атмосферы со спутников. JI. Гидрометеоиздат, 1980.

2. J. Waters, Proc. of the IEEE, 1992, V. 80, P. 1679

3. Ю. Ю. Куликов, В. Г. Рыскин и др., Radiophysics and Quantum Electronics. 1998, V.41, P.953

4. J. С. Farman, В. J. Gardiner & J. D. Shanklin. Nature. 1985, 315, 207.

5. Еланский H. Ф. и др. Исследование предельных возможностей повышения точности измерения вертикального распределения озона с помощью спектрофотометра Брюера. // Изв. АН СССР, сер. "Физика атмосферы и океана". 1999, т. 35, № 1.

6. WMO. Antarctic Ozone Bulletins. 1997.

7. G. Brasseur & С. Granier. Science. 1992, 257, 1239.

8. M. P. McCormic, L. W. Thomason & C. R. Trepte. Nature. 1995, 373, 399.

9. R. D. Bojkov, V. E. Fioletov, D. S. Ballis, et al. Geophys. Res. Lett. 1995, 22, 2729.

10. WMO Global Ozone Research and Monitoring Project. 1991. Rep. No 25. 1994. Rep.No 37.

11. M. A. K. Khalil & R. Rasmussen. J. Geophys. Res. 1992, 97, 14651.

12. R. P. Wayne. Chemistry of Atmospheres. 2nd Ed., Oxford, 1991.

13. Воронов В. H., Кисляков А. Г., Кукина Э. П., Наумов А. И. О содержании СО и N2O в земной атмосфере по наблюдениям их линий вращательного спектра. // Изв. АН СССР, сер. "Физика атмосферы и океана". 1972, т. 8, № 1, с. 29-36.

14. Кисляков А. Г., Рыскин В. Г. Теллурические линии некоторых примесных газов в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах волн. // Изв. АН СССР, сер. "Физика атмосферы и океана". 1973, Т. 9, с. 1152-1159.

15. Catón W. H., Manella G. G., Kalaghan P. H., Ewen H. I. // Astrophys. J., 1968, v.151, No. 3, p.2.

16. Shimabukuro F. I., Wilson W. J. Observations of atmospheric ozone at 110.836 GHz // J. Geophys. Res., 1973, V.78, P. 6136.

17. Куликов Ю. Ю., Ризов E. Ф., Федосеев JI. И., Швецов А. А., Кузнецов И. В., Кукина Э. П. Измерение оптической толщи атмосферы Земли в линиях СО и Оз (А,=1,3-1,4 мм). // Изв. АН СССР, сер. "Физика атмосферы и океана". 1975, т. 11, с. 1071.

18. Буров А.Б., Кисляков А.Г., Красильников A.A., Козлов М.С., Наумов А.И., Рыскин В.Г. Двадцатиканальный спектрометр диапазона волн 1,7-2,6 мм // Изв. ВУЗов. "Радиофизика", 1973, Т.16, № 5, С.695-697.

19. Воронов В.Н., Демкин В.М., Куликов Ю.Ю., Рыскин В.Г., Юрков В.М. Анализатор спектра миллиметрового диапазона волн и результаты исследования озона верхней атмосферы // Изв. ВУЗов. "Радиофизика", 1986, Т.29, № 12, С.1403-1413.

20. Федосеев Л.И., Куликов Ю.Ю. Супергетеродинные радиометры миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн // Радиотехника и электроника, 1971, Т.16, № 4, С.554-560.

21. Дрягин Ю.А., Кукин Л.М., Лубяко Л.В. К вопросу о подавлении шумов гетеродина в супергетеродинных приемниках с высокой промежуточной частотой // Радиотехника и электроника, 1974, Т.19, № 8, С.1779-1780.

22. Куликов Ю. Ю., Рыскин В. Г., Федосеев Л. И., Швецов А. А. В кн.: Радиофизические исследования атмосферы. Л., Гидрометео-издат, 1977.

23. Буров А.Б., Красильников A.A., Куликов Ю.Ю., Рыскин В.Г. Наземные измерения вращательного перехода озона 20>2-21д // II Всесоюзный симпозиум по миллиметровым и субмиллиметровым волнам. Тезисы докладов. Харьков, 1978, т. 2, с. 163.

24. Буров А.Б., Воронов В.Н., Красильников A.A. и др. Изв. АН СССР, сер. "Физика атмосферы и океана". 1972.

25. Демкин В.М., Куликов Ю.Ю., Рыскин В.Г., Юрков В.М. Наблюдения атмосферного озона на миллиметровых волнах // Труды VI Всесоюзного симпозиума по атмосферному озону. JI. Гидро-метеоиздат. 1987, С. 56-59.

26. Борисов О.Н., Демкин В.М., Куликов Ю.Ю., Рыскин В.Г., Шанин В.Н., Юрков В.М. Вариации стратосферного озона в полярных широтах // Изв. АН СССР, сер. "Физика атмосферы и океана", 1989, Т.25, №10, С.1033-1039.

27. Куликов Ю.Ю., Рыскин В.Г. Суточные вариации излучения стратосферного и мезосферного озона на миллиметровых волнах // Там же. С. 61-64.

28. Erukhimova T.L., Trakhtengerts V.Yu. A mechanism of atmospheric ozone disturbance by internal gravity wave in a stratified shear flow // J.Atmos. Terr. Phys., 1995, V.57, No.2, P.135-139.

29. Борисов O.H., Ерухимова Т.JI., Куликов Ю.Ю., Лубяко Л.В., Моченева О.С., Рыскин В.Г., Суворов Е.В., Шанин В.Н., Швецов

30. A.А., Юрков В.М. Микроволновые наблюдения стратосферного озона в Арктике // Препринт № 306. ИПФ РАН, Н.Новгород, 1992.

31. Андриянов А.Ф., Дрягин С.Ю., Кузнецов И.В., Кукин Л.М., Никифоров П.Л. Предварительные результаты наблюдений стратосферного озона на мм волнах в Антарктиде // Препринт № 295. ИПФ РАН, Н.Новгород, 1991.

32. Красильников А. А., Куликов Ю. Ю., Мазур А. Б., Рыскин

33. B. Г., Серов Н. В., Федосеев Л. И., Швецов А. А. Обнаружение "озоновых облаков" в верхней стратосфере Земли методом миллиметровой радиометрии. // Геомагнетизм и аэрономия, 1997, Т. 37, № 3.

34. Соломонов С. В. и др. О вариациях атмосферного озона на миллиметровых волнах. Изв. АН СССР, сер. "Физика атмосферы и океана". 1993, т. 29, № 8, с. 525-531.

35. Логвиненко С. В., Соломонов С. В., Розанов С. В., Кропоткина Е. П. и др. Автоматизированные наземные измерения спектров радиоизлучения атмосферного озона. Краткие сообщения по физике. 1997. № 5-6.

36. Гайкович К. П., Кропоткина Е. П., Соломонов С. В. Определение вертикального профиля атмосферного озона по наземным измерениям излучения в миллиметровом диапазоне. Изв. АН СССР, сер. "Физика атмосферы и океана". 1999, т. 35, № 1, с. 86-95.

37. Тимофеев Ю. М. Об обратных задачах атмосферной оптики. // Изв. АН СССР, сер. "Физика атмосферы и океана". 1998, т. 34, №6.

38. Юнге X. Химический состав и радиоактивность атмосферы. М., "Мир", 1965.

39. Таунс Ч., Шавлов А. Радиоспектроскопия. М., ИЛ, 1959.

40. Кисляков А.Г., Куликов Ю.Ю., Рыскин В.Г. // Спектральные исследования космического и атмосферного излучения. Сб. статей. Горький, 1979. Изд-во ИПФ АН, с.84.

41. Мороз В. И. Физика планет. М. 1967.

42. Кисляков А.Г., Шкелев Е.И. // I Укр. симпозиум "Физика и техника мм и субмм радиоволн". Тезисы докл. Ч.П. Харьков, 1991. с.13.

43. Савельев Д.В., Кисляков А.Г. // Научная конф. по радиофизике. Материалы конф., Н.Новгород, 1993. Изд-во ННГУ. с. 65.

44. Шкелев Е.И., Кисляков А.Г., Савельев Д.В. Спектрорадиометр 3-миллиметрового диапазона длин волн с последовательно-параллельным анализом. Приборы и техника эксперимента. 1995, № 6, с. 132-136.

45. Шкелев Е.И., Савельев Д.В., Кисляков А.Г. "Система управления спектрорадиометром Зх-миллиметрового диапазона длин волн". // Приборы и техника эксперимента. 2000, т. 43, № 4.

46. Кисляков А.Г., Савельев Д.В., Шкелев Е.И. Наблюдения оптически тонких теллурических линий озона в Зх-миллиметровом диапазоне длин волн // Радиотехника и Электроника. 1998, т. 43, № 6, с. 668-673.

47. Башаринов А. Е., Гурвич А. С. Радиоизлучение Земли как планеты. М. 1974.

48. Зинченко И.И., Кисляков А.Г. // Изв. АН СССР, сер. "Физика атмосферы и океана". 1974, т.10, с.1275-1281.

49. Кисляков А.Г. Радиотехника и электроника, 1968, т. 13, № 7.

50. Кисляков А.Г. Известия ВУЗов, Радиофизика, 1961, № 4.

51. Куликов Ю.Ю., Рыскин В.Г. Результаты измерений оптической толщины атмосферы в линиях вращательного спектра озона // Радиотехника. 1986. № 7. С.92-93.

52. Вакс В.Л., Кисляков А.Г., Савельев Д.В., Шкелев Е.И. "Наблюдения теллурических линий в 3-х миллиметровом диапазоне длин волн". Современные проблемы радиофизики. Сборник научных трудов. Н. Новгород, 1996. с. 62-66.

53. Кисляков А.Г., Савельев Д.В., Шкелев Е.И. "Наблюдения слабых теллурических линий озона". Атмосферный озон. Труды конференции молодых ученых. Москва, 1996. с. 45-48.

54. Кисляков А.Г., Савельев Д.В., Шкелев Е.И. "Вариации линий озона в период февраль-март 1996 г." Итоговая научная конференция радиофизического факультета, посвященная дню радио 7 мая 1996 г. Тезисы докладов. Н. Новгород, 1996. с. 18.

55. Deppanemaecker M.J.С., Duterage В., Bellet M.J. Systematic calculations of rotational spectra of normal and substituted (180 in place 160) ozone molecules. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1977. Vol. 17. pp.519-530.

56. Демкин B.M., Куликов Ю.Ю., Рыскин В.Г., Юрков В.М. Наблюдения суточных вариаций излучения стратосферного озона на миллиметровых волнах // Изв. ВУЗов "Радиофизика", 1989, Т.32, № 5, С.642-644.

57. Кисляков А.Г., Савельев Д.В., Шкелев Е.И. "Результаты наблюдений линий 03 на частотах 96 и 101 ГГц за период 19961997 гг". Атмосферный озон. Труды конференции молодых ученых. Москва, 1997. с. 49-52.

58. Кисляков А.Г., Савельев Д.В., Шкелев Е.И. "Сравнение интен-сивностей теллурических линий озона". Научная конференция по радиофизике, посвященная 95-летию со дня рождения М.Т. Греховой. Н. Новгород, 1997. Тезисы докладов, с. 57.

59. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М.: Наука, 1974.

60. Randegger A.K. // Pure and Appl. Geophys., 1980. V.118, P.1052.

61. De la Noe J., Baudry A., Perault H., et al. Planet Space Scie. 1983, 31, 737.

62. Савельев Д.В., Кисляков А.Г. "Алгоритм восстановления высотного профиля концентрации газа по спектральным наблюдениям оптически тонкой теллурической линии". Научная конференция по радиофизике. Материалы конференции. Н. Новгород, 1994. с. 31-32.

63. Савельев Д.В. "Алгоритм восстановления профиля концентрации газа по его оптически тонкой теллурической линии". Итоговая научная конференция радиофизического факультета, посвященная дню радио 7 мая 1996 г. Тезисы докладов. Н. Новгород, 1996. с. 23.

64. Кисляков А.Г., Савельев Д.В., Шкелев Е.И. "Сравнение результатов наблюдений атмосферного озона в радио- и оптическом диапазонах". Третья нижегородская сессия молодых ученых. Сборник тезисов докладов. Нижний Новгород. 1998. с. 45-46.

65. Савельев Д.В. "Оценки методов восстановления вертикального профиля озона". Труды третьей научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород, ННГУ, 1999. с. 147-148.

66. Кисляков А.Г., Савельев Д.В., Шкелев Е.И., Евсеев А.П. "Сопоставление солнечной активности с измерениями теллурических линий озона". XXVII Радиоастрономическая конференция. Санкт-Петербург. 1997. Материалы конференции.

67. The Stratosphere 1981. Theory & Measurements. WMO Global Ozone Research & Monitoring Project. Rept. No. 11, 1981.

68. Логвинов К.Т. Метеорологические параметры стратосферы. Л., Гидрометиздат, 1970.

69. Глаголев Ю.А. Справочник по физическим параметрам атмосферы. Л., Гидрометиздат, 1970.

70. Вакс В.Л., Вдовин В.Ф., Кисляков А.Г., Лапкин И.В., Савельев Д.В., Шкелев Е.И. "Обнаружение теллурической линии N20 J=3-»4". Известия высших учебных заведений. Радиофизика. Том XL, № 11, 1997, с. 1365-1369.

71. Вакс В.Л., Вдовин В.Ф., Кисляков А.Г., Лапкин И.В., Савельев Д.В., Шкелев Е.И. "Обнаружение теллурической линии N2O J=3—>4". XXVII Радиоастрономическая конференция. Санкт-Петербург. 1997. Тезисы докладов, с. 48-49.

72. Вакс В.Л., Вдовин В.Ф., Кисляков А.Г., Лапкин И.В., Савельев Д.В., Шкелев Е.И. "Вариации атмосферной линии N2O J=3-»4". Научная конференция по радиофизике, посвященная 95-летию со дня рождения М.Т. Греховой. Н. Новгород, 1997. Тезисы докладов, с. 64.

73. Кисляков А.Г., Савельев Д.В., Шкелев Е.И. "Переменность атмосферной линии N2O J=3-»4". Известия высших учебных заведений. Радиофизика. Том XLII, № 10, 1999, с. 933-939.

74. Кисляков А.Г., Савельев Д.В., Шкелев Е.И. "Измерения атмосферной спектральной линии закиси азота N20". Четвертая нижегородская сессия молодых ученых. Сборник тезисов докладов. Нижний Новгород. 1999. с. 17-18.

75. Перов С. П., Хргиан А. X. Современные проблемы атмосферного озона. Л. Гидрометеоиздат, 1980.

76. Кисляков А.Г., Канаков В.А., Савельев Д.В., Шкелев Е.И. Вакс

77. B.Л., Приползин С.И., Вдовин В.Ф., Лапкин И.В., Пелюшенко

78. C.А. "Миллиметровая радиометрия и спектроскопия: новые методы и результаты". Труды третьей научной конференции по радиофизике. Нижний Новгород, ННГУ, 1999. с. 23-26.

79. Кисляков А.Г., Савельев Д.В., Шкелев Е.И., Вакс В.Л. "О высотном распределении N2O в атмосфере по данным радионаблюдений". Труды четвертой научной конференции по радиофизике. Н. Новгород, 2000, с. 155-156.