Радиометрия атмосферного озона и окиси хлора на миллиметровых волнах тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

московским государственный университет

им. м. в. ломоносова Физический факультет

На правах рукописи

Игнатьев Александр Николаевич

РАДИОМЕТРИЯ АТМОСФЕРНОГО ОЗОНА И ОКИСИ ХЛОРА НА МИЛЛИМЕТРОВЫХ ВОЛНАХ

(01.04.03 - радиофизика)

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Москва - 2006

Работа выполнена на кафедре радиофизики физического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова и в лаборатории спектроскопии миллиметровых волн отделения Оптики Физического института им. П.Н.Лебедева РАН, г. Москва.

Научные руководители: доктор физико-математических наук,

профессор Пирогов Ю.А.

кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Соломонов C.B.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Сороченко P.JI. (Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, г. Москва)

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Груздев А.Н. (Институт физики атмосферы им. А.М.Обухова РАН, г. Москва)

Ведущая организация: Институт радиотехники

и электроники РАН, г. Москва

Защита состоится « 22 » июня 2006 г. в !п часов на заседании Диссертационного Совета Д 501.001.67 в Московском государственном университете по адресу:

119899, Москва, Воробьёвы горы, МГУ, Физический факультет, ауд

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУ.

Автореферат разослан «22.» мая 2006 г.

Учёный секретарь Диссертационного Совета Д 501.001.67y кандидат физико-математических нау] доцент

Королёв А.Ф.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертация посвящена исследованиям газового состава атмосферы Земли, её озонного слоя, одним из наиболее эффективных методов - методом наземного дистанционного зондирования на миллиметровых (ММ) волнах [1-4]. Таким образом, объектом исследований является атмосфера Земли и её газовый состав, а основным предметом - изменения в атмосферном озоне - в важной составляющей земной атмосферы, образующей защитный озонный слой.

Актуальность темы обусловлена глобальными изменениями в атмосфере, происходящими в последние десятилетия (изменения теплового режима, газового состава, климата, динамики атмосферы [5-7]). Проблема атмосферного озона и его изменчивости является одной из центральных в изучении атмосферы [6-14]. Возникла настоятельная необходимость исследований состояния защитного озонного слоя Земли, влияния на содержание озона естественных атмосферных процессов и техногенных загрязнений. Отмечаемое с 80-х годов ухудшение состояния озонного слоя атмосферы [5-7,10-14], возникновение таких масштабных явлений, как «озонные дыры» над Антарктидой, наметившаяся глобальная убыль озона, требует постоянного контроля за процессами, происходящими в озонном слое. Заметное уменьшение содержания озона стало наблюдаться и над нашей страной [10]. Поэтому для России проблема надёжного контроля за состоянием озонного слоя является чрезвычайно актуальной. Также необходимы исследования других стратосферных газов, особенно окиси хлора, участвующей в каталитических циклах, разрушающих озонный слой. Помимо традиционных методов исследования атмосферы (контактные, оптические дистанционные), значительное развитие в нашей стране и за рубежом получило наземное дистанционное зондирование атмосферы на миллиметровых волнах [1-4,15-19]. Наземное зондирование атмосферных газов в этом диапазоне длин волн имеет ряд присущих только ему особенностей: большой высотный диапазон зондирования, возможность круглосуточных наблюдений над одним и тем же пунктом при различных атмосферных условиях, относительно низкая стоимость аппаратуры.

РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА С.-Петербург

Цель работы: радиофизические исследования атмосферного озона над Москвой в стратосфере, мезосфере и нижней термосфере (на высотах от 15 до 95 км) методом наземного дистанционного зондирования на ММ волнах, создание методики восстановления атмосферной окиси хлора из результатов наземных спектральных наблюдений на ММ волнах.

Задачи исследований:

1) Развитие методики расчётов спектров излучения атмосферы на ММ волнах с учётом молекул НгО, Ог, 03, СЮ и других малых газовых составляющих атмосферы. Проведение численных экспериментов с целью оценки ожидаемых при наблюдении с поверхности Земли эффектов и оптимизация частотных характеристик радиоспектрометров для наблюдений этих малых газовых составляющих.

2) Развитие методики восстановления вертикального распределения содержания озона (ВРО) в стратосфере, мезосфере и нижней термосфере из спектров собственного теплового излучения озона на ММ волнах, зарегистрированных с поверхности Земли.

3) Создание методики восстановления вертикального распределения окиси хлора из измеренных с поверхности Земли спектров собственного теплового излучения СЮ на ММ волнах.

4) Наблюдения на ММ волнах с помощью спектрорадиометра ФИАН вы-сотно-временного распределения озона в стратосфере и изучение его изменений под действием атмосферных процессов. Изучение связи вертикального распределения озона с другими характеристиками атмосферы (потенциальной завихренностью, температурой, давлением, общим содержанием озона).

5) Исследование вариаций озона в мезосфере и нижней термосфере и изучение связи этих вариаций с динамическими процессами в стратосфере.

6) Подспутниковые измерения профилей вертикального распределения озона над Москвой с целью сопоставления результатов наблюдений ВРО различными методами.

7) Изучение влияния вариаций содержания озона на различных высотах атмосферы на условия распространения ММ волн.

Научная новизна работы

1) Получены новые данные о высотно-временном распределении озона в стратосфере над Москвой. Показано, что под влиянием атмосферных процессов в зимние периоды происходит значительная деформация вертикального распределения стратосферного озона. Обнаружено значительное понижение содержания озона на высотах 25-45 км и образование локального минимума содержания озона на высоте около 30 км в отдельные периоды холодных полугодий.

2) Получены новые данные о значительных вариациях содержания ночного озона в мезосфере и нижней термосфере, о связи содержания озона на этих высотах с динамикой стратосферы.

3) Улучшена основанная на методе регуляризации Тихонова методика восстановления вертикального распределения озона в стратосфере, мезосфере и нижней термосфере по спектрам излучения озона на ММ волнах, измеренным с поверхности Земли.

4) Создан новый эффективный алгоритм на основе метода регуляризации Тихонова, который позволяет восстанавливать вертикальное распределение окиси хлора на высотах от 15 до 45 км из измеренных с поверхности Земли спектров её собственного теплового излучения на ММ волнах.

Научная и практическая значимость

1) Построена математическая модель излучения атмосферы с учётом молекул Н20, 02, Оз, СЮ и других малых газовых составляющих атмосферы. Выполнены численные эксперименты, рассчитаны ожидаемые эффекты, создана методика оптимизации частотных параметров радиоспектрометров для регистрации спектров малых газовых составляющих атмосферы с поверхности Земли.

2) Показана высокая эффективность усовершенствованного метода исследований атмосферного озона, основанного на регистрации с поверхности Земли его собственного теплового излучения в ММ диапазоне. Создана новая эффективная методика восстановления вертикального распределения окиси хлора из спектров излучения СЮ. Использованные методики восстановления вертикальных распределений указанных газов, основанные на методе регуляризации Тихонова в форме принципа обобщённой невязки, по-

зволяют с высокой точностью восстанавливать ВРО в диапазоне высот от 15 до 75 км (в ночное время - до 95 км) и вертикальное распределение окиси хлора в диапазоне высот от 15 до 45 км.

3) Результаты оптимизации частотных параметров спектральной аппаратуры были использованы при создании (с помощью ИПФ РАН) новых анализаторов спектра для исследований озона, окиси хлора и других малых газовых составляющих атмосферы. Один из них, АС-50, предназначенный для исследований ночного озона в мезосфере и нижней термосфере, успешно прошёл испытания и с 2005 года включён в состав спектрорадиометра-озонометра ФИАН.

4) Проводимые по усовершенствованной методике измерения атмосферного озона над Москвой позволяют оперативно получать надёжную информацию о состоянии озонного слоя и своевременно обнаруживать неблагоприятные изменения в нём.

5) Получены новые данные об изменениях в высотно-временном распределении озона под влиянием крупномасштабных атмосферных процессов в Северном полушарии. Исследования позволили установить корреляционные связи между содержанием озона на разных высотах стратосферы и другими параметрами атмосферы, что важно для выявления предвестников аномальных изменений в озоносфере.

6) Исследования озона на высотах стратосферы, мезосферы и нижней термосферы позволили получить уникальные данные о связях между различными слоями атмосферы. Показано, что крупномасштабные динамические процессы влияют на изменения содержания озона в стратосфере, а также на высотах мезосферы и нижней термосферы.

7) Выполненные подспутниковые наземные наблюдения озоносферы на ММ волнах показали высокую эффективность радиофизических методов для контроля работы спутниковой аппаратуры.

8) Получены оценки влияния вариаций содержания озона на величину поглощения ММ волн в земной атмосфере.

На защиту выносятся следующие результаты и положения:

1. Показано, что радиоспектрометры миллиметровых волн с оптимизированными частотными характеристиками позволяют регистрировать с высо-

кой точностью спектры собственного теплового излучения атмосферного озона и окиси хлора Применение метода регуляризации Тихонова для восстановления вертикальных профилей содержания этих газов из их спектров обеспечивает большой высотный диапазон зондирования при минимальных ошибках восстановления.

2. Спектральные методы ММ волн позволяют получать данные о вертикальном распределении озона круглосуточно при различных атмосферных условиях. В результате проведенных регулярных наблюдений озоносферы над Московским регионом на ММ волнах с помощью высокочувствительного спсктрорадиометра построено высотно-временное распределение содержания озона, отражающее его сезонный ход и короткопериодные вариации под влиянием атмосферных процессов.

3. Установлено, что наиболее значительные изменения вертикального распределения озона в стратосфере происходят в холодное полугодие и связаны с перемещениями воздушных масс, с появлением в стратосфере над Московским регионом полярного воздуха. Под влиянием атмосферных процессов в этот период нередко наблюдается значительная деформация профилей вертикального распределения озона, характеризуемая пониженным (по сравнению со справочной моделью) содержанием озона на высотах 2545 км.

4. Обнаружены значительные вариации содержания озона в мсзосфере и нижней термосфере ночью. Установлена связь этих вариаций с крупномасштабными процессами атмосферной динамики, с перемещениями основных барических систем стратосферы.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы сообщались на VIII и IX Всероссийских школах-семинарах «Волновые явления в неоднородных средах» (Моск. обл., 2002 и 2004 гг.), Международном симпозиуме стран СНГ "Атмосферная радиация» (Санкт-Петербург, 2002 г.), XX и XXI Всероссийских научных конференциях по распространению радиоволн (Н. Новгород, 2002 г., Йошкар-Ола, 2005 г.), II Всероссийской конференции "Необратимые процессы в природе и технике" (Москва, 2002 г.), IX и X Всероссийских школах-семинарах «Физика и применение микроволн» (Моск. обл., 2003 и

2005 гг), Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2004» (Москва, 2004 г.), 4-й Всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии (Экологическая физика)» (Москва, 2004 г.), научном семинаре "Обратные задачи математической физики" (рук. А.Б.Бакушинский, А.В.Тихонравов, А.Г.Ягола) (Москва, 2005 г.), Всероссийском семинаре по радиофизике ММ и субММ диапазона (Н. Новгород, 2005 г.), IX Всероссийской конференции молодых учёных «Состав атмосферы и электрические процессы» (Ярослав, обл., 2005 г.), XXIII Съезде по спектроскопии (Звенигород, 2005 г.). Материалы диссертации многократно докладывались и обсуждались на семинарах кафедры радиофизики физического факультета МГУ.

Публикации. Результаты исследований, вошедшие в диссертацию, опубликованы в 20 печатных работах [А1-А20], 4 из них — в реферируемых журналах [А1-А4].

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из Введения, четырёх глав, Заключения, списка литературы и Приложения. Объём работы составляет 159 страниц, включая 69 рисунков. Список литературы содержит 138 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обосновывается актуальность выбранной темы, приводятся основные особенности выбранного метода исследований, формулируются основные задачи работы, приведены краткие данные о структуре диссертации и содержании отдельных глав.

Глава 1 диссертации носит обзорный характер.

В §1.1 приведены соотношения, описывающие распространение в атмосфере излучения ММ диапазона. Распространение монохроматического излучения в поглощающем газе, находящемся в условиях локального термодинамического равновесия, описывается уравнением переноса излучения [4] <И

где I, - интенсивность излучения на частоте V, отнесённая к единичному телесному углу, 5 - длина пути, к - коэффициент поглощения, - интенсивность излучения абсолютно чёрного тела, называемая функцией Планка. Частотная зависимость коэффициента поглощения описывается традиционной моделью ударного уширения спектральных линий [22] и полуэмпирическими моделями поглощения ММ волн [23,24]. Различные факторы, влияющие на условия распространения ММ волн в атмосфере (молекулярное поглощение, рассеяние в гидрометеорах, влияние рефракции, флуктуации из-за турбулентности) рассмотрены в работах [19-21]. В качестве примера рассмотрен механизм формирования наблюдаемого на поверхности Земли собственного теплового излучения атмосферного озона в линии с центральной частотой 142,175 ГТц.

В §1.2 рассматривается обратная задача дистанционного зондирования на ММ волнах - восстановление вертикального распределения атмосферного озона и окиси хлора по измеренному на поверхности Земли спектру их излучения. Данная задача сводится к решению нелинейного интегрального уравнения с неточно заданным ядром и правой частью

где <7(7т) - искомое вертикальное распределение содержания озона или окиси хлора, Т - вертикальный профиль температуры, - коэффициент поглощения, приведённый к единичному содержанию озона или окиси хлора (зависящий от высоты и частоты), II - высота модельной атмосферы, Ть* - зарегистрированный с поверхности Земли спектр собственного излучения озона или окиси хлора. Формулируется понятие регуляризирующего по Тихонову алгоритма решения такой обратной задачи [25]. Рассмотрена методика восстановления ВРО, основанная на итерационном алгоритме, в котором на каждом шаге применяется метод регуляризации Тихонова в форме принципа обобщённой невязки [26] для линеаризованного уравнения Фредюльма 1-го рода (2). Искомое решение минимизирует сглаживающий функционал

где W- ядро оператора, выделенное в уравнении (2) квадратными скобками. Параметр регуляризации а определяется как корень одномерного нелинейного уравнения обобщённой невязки

p(a) = jWqa~Tfr( -ö2=0,

» «Lj

где qa - ВРО, минимизирующее функционал (3), S2 - параметр эффективной погрешности, учитывающий уровень ошибки измерений, неточность задания ядра, а также зависящую от этих факторов меру несовместности уравнения (2) со своей правой частью. Важное преимущество метода обобщенной невязки состоит в том, что при стремлении эффективной погрешности к нулю в интегральной метрике L2 приближённое решение сходится к точному в метрике пространства W\, и, следовательно (по теореме вложения Соболева), равномерно.

В §1.3 приведены блок-схема и описание работы спектрорадиометра-озонометра ФИАН, с помощью которого осуществляются регулярные наблюдения озона над Москвой [27]. В состав этого спектрорадиометра входит высокочувствительный гетеродинный приёмник 2-ММ диапазона длин волн со смесителем на пленарном диоде с барьером Шоттки с балочными выводами типа AA-138B3 (разработка НИИПП). Однополосная шумовая температура этого приёмника равна 1500 К без охлаждения и 850 К при охлаждении до азотной температуры. Приведены также сведения о двух разрабатываемых в ФИАН спектрорадиометрах нового поколения для атмосферных исследований: передвижном варианте спектрорадиометра для исследований озона на частоте 142,175 ГГц и стационарного охлаждаемого спектрорадиометра для исследований окиси хлора на частоте 204,35 ГГц [A4].

В §1.4 приведены некоторые сведения из физики атмосферы [28,29]. Описана высотная структура атмосферы, некоторые особенности динамических процессов, приведена схема стратосферного полярного вихря, образующегося в холодное полугодие в высоких широтах. Подчёркивается важность исследования влияния динамики атмосферы на вертикальное распределение озона.

В Главе 2 получила развитие математическая модель радиоизлучения атмосферы, исследованы спектры излучения атмосферы в ММ области длин волн.

В §2.1 приведено описание программы БРЕСТЯ [А1,А5] для расчёта спектров собственного излучения модельной атмосферы, включающей ряд газов, имеющих спектральные линии в миллиметровой области: 02, ПгО, Оз, СЮ, N20 и др. Алгоритм работы программы ЭРЕСТЯ основан на интегрировании уравнения переноса (1). Спектроскопические параметры брались из атласа спектральных линий НГтА!4! 2000 [30]. Входными параметрами программы являются вертикальные распределения газов модельной атмосферы.

В §2.2 приведены рассчитанные спектры излучения модельной атмосферы в диапазоне частот от 15 до 420 ГГц, а также отдельные узкие участки этого диапазона, включающие удобные для наземного наблюдения линии атмосферного озона и окиси хлора. Показано, что из-за вариаций содержания озона в стратосфере яркостная температура собственного излучения озона в линии 142,175 ГГц при наблюдении в зенит может меняться в диапазоне 10...20 К (в дневное время). Кроме того, повышение содержания озона на высотах мезосферы и нижней термосферы в ночное время приводит к повышению яркостной температуры вблизи центра линии на величину от 0,5 до 3 К. Яркостная температура собственного излучения окиси хлора на частоте 204,35 ГТц значительно меньше озонной, поэтому требования к чувствительности спектрорадиометра для её регистрации существенно более жёсткие [А1]. При наблюдении спектров окиси хлора в поглощении (Солнце в качестве внешнего источника) требования к чувствительности приёмника могут быть значительно снижены. В качестве иллюстрации возможностей программы БРЕСТЯ приведены рассчитанные спектры собственного излучения модельной атмосферы при наблюдениях с аэростата вдоль местной горизонтали и при лимбовых наблюдениях со спутника.

В §2.3 на основе выполненных расчётов спектров атмосферного озона и окиси хлора, наблюдаемых с поверхности Земли, представлены результаты оптимизации частотных характеристик радиоспектрометров для регистрации спектров этих газов [А4,А10,А13]. В качестве одного из критериев при оптимизации выбрано условие, чтобы величина отношения «сигнал/шум» в каждом из каналов анализатора спектра (АС), входящего в состав спектрорадиометра, незначительно отличалась от канала к каналу. Другим критерием было требование, при котором искажения спектра из-за спектрального сглаживания во всех каналах АС существенно меньше искажений из-за влияния

шума. Рассчитаны частотные сетки АС для исследований атмосферного озона [А4,А10,А13,А14]: широкополосного фильтрового АС и комбинированного АС (с использованием фильтрового и акустооптичсского анализатора спектра). Рассчитаны также оптимальные частотные параметры АС для исследований атмосферной окиси хлора.

В Главе 3 рассмотрена обратная задача дистанционного зондирования -восстановление вертикального распределения атмосферного озона и окиси хлора по измеренному с поверхности Земли спектру излучения этих газовых составляющих в ММ диапазоне.

В §3.1 изложены основные улучшения [All], внесённые автором в программную методику восстановления вертикального распределения озона из измеренных спектров его излучения на частоте 142,175 ГГц [26]. Описана созданная на основе метода Тихонова методика восстановления вертикального распределения атмосферной окиси хлора из наблюдений её собственного теплового излучения на частоте 204,35 ГТц [А11].

В §3.2 представлены результаты исследований точности восстановления вертикального распределения озона и влияния на неё различных факторов

[All], Показано, что основными факторами, снижающими точность восстановления ВРО, являются шумы аппаратуры, а также погрешности задания вертикального профиля температуры.

Проведённые численные эксперименты показали, что ошибка восстановления вертикального распределения озона, возникающая из-за влияния шума спектро-радиометра ФИАН, не превышает 2 % в диапазоне высот от 23 до 43 км. Пример, показывающий результаты одного из численных экспериментов, приведён на ри-

12 3 4 Содержание озона, ррт

Рисунок 1. Влияние шума аппаратуры на точность восстановления ВРО с выраженным истощением на высотах от 20 до 45 км.

сунке 1. На нём показано ассстаноктепие ВРО с выраженным уменьшением содержания озона на высотах 20-45 км по сравнению со средним многолетним профилем ВРО. Такие деформации ВРО обычно наблюдаются над Москвой в декабре. Используемая методика позволяет достаточно точно восстанавливать такие деформированные профили ВРО. Важно отметить, что «нулевое приближение» не содержит априорной информации об особенностях профиля (о сильном истощении озона на высотах между 20 и 45 км), так как оно имеет обычную куполообразную форму с максимумом на высоте около 35 км.

Влияние на точность восстановления ВРО погрешностей задания высотных профилей температуры и давления и погрешностей определения тропосферного поглощения также исследовалось с помощью численных экспериментов. Показано, что при наличии синхронной спутниковой информации о профилях температуры и давления в стратосфере ошибки восстановления, возникающие из-за неточностей задания температурного профиля, определяемых погрешностями спутниковых данных [31-34], не превышают 2,5-3 % на высотах от 15 до 50 км, а ошибки восстановления, возникающие из-за неточностей задания высотного профиля давления, не превосходят 1 % в средней стратосфере и 1,5 % на остальных высотах зондирования. Погрешности определения поглощения излучения озона в тропосфере приводят к возникновению ошибок в восстановленном ВРО, не превышающих 1,3 % на высотах от 15 до 75 км при выполняемом при наблюдениях озона условии, что ослабление сигнала в тропосфере не превышает 2 дБ. Эти оценки сделаны для гладких профилей, не содержащих мелкомасштабных особенностей. Общая ошибка восстановления ВРО, вызванная влиянием рассмотренных факторов, а также систематических погрешностей, не превышает 5...7% в средней и верхней стратосфере и возрастает до 20-30 % в остальной области зондируемых высот [А11]. При расчётах учитывались параметры действующего спектрорадиометра ФИАН:

а) Однополосная шумовая температура составляет 1500 К, время регистрации спектра озона - 1 час. искажения спектров в каналах АС из-за кривизны базовой линии не превышают уровня шума;

б) Полоса анализа АС-80 составляет 280 МГц, частотная сетка АС-80 адаптирована к форме спектральной линии озона.

В §3.3 представлены результаты исследований точности восстановления вертикального распределения атмосферной окиси хлора из измерений её собственного теплового излучения на частоте 204,35 ГТц. Результат численных экспериментов по определению суммарного влияния шума спектрора-

диометра и атмосферы на точность восстановления профиля окиси хлора с повышенным содержанием на высоте 20 км показан на рисунке 2 (обозначения такие же, как на рисунке 1). В этих расчётах принято, что однополосная шумовая температура аппаратуры равна 500 К. Эта величина соответствует ожидаемым шумовым параметрам создаваемого в ФИАН охлаждаемого спектрорадиометра со смесителем на диоде с барьером Шоттки для исследований атмосферной окиси хлора. Продолжительность наблюдений выбрана равной 6 часам. Как видно, точность восстановления профиля окиси хлора весьма высокая -около 5 % в нижнем максимуме и 10 % в верхнем. Получено, что погрешности, обусловленные влиянием остальных факторов, существенно меньше этих величин.

В §3.4 рассмотрена процедура построения вертикальных профилей температуры и давления в атмосфере, используемых для восстановления ВРО. В качестве исходных данных используются данные аэрологического зондирования в отечественных и зарубежных обсерваториях, включая спутниковую информацию [32-34]. Описаны алгоритмы сбора этих данных и их обработки. Представлена методика построения гладких профилей вертикального распределения температуры и давления над Москвой. Рассмотрен также программный комплекс KART А, предназначенный для оцифровки карт температуры и давления на различных высотах стратосферы и занесения полученных значений в базу данных.

Содержание окиси хлора, ppb

Рисунок 2. Влияние пгума аппаратуры и атмосферы на точность восстановления профиля окиси хлора с повышенным содержанием на высоте 20 км.

В §3.5 рассмотрены особенности восстановления ночного ВРО на высотах мезосферы и нижней термосферы [36,А16,А17] по измеренным спектрам озона. Показано, что созданная методика, учитывающая априорную информацию о распределении озона в нижней термосфере (8595 км), позволяет эффективно восстанавливать ВРО на этих высотах. Описан алгоритм построения нулевых приближений ВРО по измеренным спектрам озона и данным ИФА РАН о температуре на высотах мезо-паузы, получаемых из измерений инфракрасных спектров гидроксила [37]. Показано, что ограничение высотного интервала сходимости метода Тихонова позволяет повысить точность восстановления ВРО на высотах около 90 км. Результаты численного эксперимента по определению влияния шума аппаратуры на точность восстановления ВРО в мезосфере и нижней термосфере показаны на рисунке 3. Ошибка восстановления не превосходит 0,2 ррт на высотах 60-70 км и составляет около 1,5 ррт в максимуме на 90 км при использовании для регистрации спектра озона спектрорадиометра ФИАН с однополосной шумовой температурой 1500 К и спектральным разрешением вблизи центра линии 0,1 МГц (анализатор спектра АС-50).

В Главе 4 приведены некоторые результаты наблюдений атмосферного озона над Москвой.

В §4.1 представлены результаты наблюдений на ММ волнах вертикального распределения озона над Москвой. Пример высотно-временного распределения озона в холодный период 2004-2005 гг. показан на рисунке 4. Рассматриваются основные особенности в высотно-временном распределении озона: сезонный ход и короткопериодные вариации с характерными временами вариаций от нескольких дней до нескольких недель. Установ-

Рисунок 3. Влияние шума аппаратуры на точность восстановления профиля ВРО в мезосфере и нижней термосфере.

U-y-i-,-,-,-Г-r-»-*T-1-" С ' -I ^—t^—I-1-T- 1 I—

3 Oct 2 Ноя 2 Дек 1 Янв 31 Янв 2 Map 1 Апр 1 Май

Рисунок 4 Высотно-временное распределение озона над Москвой за холодный период

2004-2005 г.

лено, что наиболее значительные изменения в озоносфере происходят в холодное полугодие и связаны с перемещениями воздушных масс, с появлением в стратосфере над Московским регионом полярного воздуха с пониженным содержанием озона [А2]. При анализе использовались данные аэрологического зондирования атмосферы (о полях температуры, давления, потенциальной завихренности, общего содержания озона), любезно предоставленные British Atmospheric Data Centre [32], European Centre for Medium-Range Weather Forecasts [33], National Oceanic and Atmospheric Administration [34], данные Total Ozone Mapping Spectrometer [35]. Обнаружены эффекты устойчивого понижения содержания озона на высотах 25-45 км по сравнению с моделью [38]. С помощью корреляционного анализа показана связь ВРО с другими параметрами атмосферы. Установлена связь наблюдаемых вариаций озона с крупномасштабными атмосферными процессами

В §4.2 представлены результаты сопоставления профилей ВРО над Москвой, полученных в ФИАН с поверхности Земли, с данными спутникового лимбового зондирования ВРО на ММ волнах (прибор MLS на спутнике Aura [39]), а также с моделью озоносферы Китинга [38].

ковским регионом в зимние периоды нередко наблюдаются деформированные профили с локальным минимумом в области высот около 30 км [A3]. Озонный минимум на 30 км наблюдался также различными методами в зимней стратосфере обоих полушарий [40,41], что, по-видимому, иллюстрирует общий характер закономерностей влияния атмосферных процессов на пространственно-временное распределение озона в средних и высоких широтах в период существования полярного вихря. Эти результаты свидетельствуют о существовании слоистых структур в озоносфере. Результаты наших наблюдений подтверждают эффективность наземного зондирования озоносферы на ММ волнах для исследования таких структур.

Сравнение средних профилей озона за отдельные месяцы 2004-2005 гт. по данным ФИАН и Aura показало их хорошее согласие: например, различие профилей за март 2005 г. не превышает 7 % в средней и верхней стратосфере, причём это различие составляет всего 2 % на 40 км. Полученные по данным ФИАН и Aura значения среднего за март 2005 г. содержания озона над

0 1 2 3 4 5 6 7

Содержание озона, рргп Рисунок 5 Профили ВРО над Москвой от 3 декабря 2004 года по данным ФИАН и Aura.

На рисунке 5 показан пример профилей ВРО над Москвой за 3 декабря 2004 года по данным ФИАН и Aura. Москва в этот день находилась вблизи границы циркумполярного циклона на всех высотах средней стратосферы. При этом на высоте 30 км возникло хорошо выраженное локальное истощение озона по сравнению с моделью [38], что и привело к появлению на профиле ВРО локального минимума на этой высоте. По данным наблюдений на ММ волнах над Мое-

Москвой на высоте 40 км составляло 6,09 ррт и 6,22 ррт, соответственно, что заметно ниже величины 7,2 ррт из модели [38]. По-видимому, это отличие данных ФИАН и Aura от данных модели [38] связано с глобальным отрицательным трендом содержания озона на этих высотах в период с конца 70-х - начала 80-х годов (время наблюдений, результаты которых положены в основу модели [38]) по 2005 год. В соответствии с исследованиями последних лет [13,14] этот тренд вызван разрушением озона в каталитическом цикле с участием хлора техногенного происхождения.

В §4.3 приведены результаты исследований ночного озона в мезосфере и нижней термосфере. Зарегистрирован суточный ход мезосферного озона, характеризуемый значительным увеличением содержания озона ночью, что соответствует выводам фотохимической теории [42,43]. Обнаружены эффекты возникновения ночью максимумов в высотном распределении озона, расположенных в мезосфере и нижней термосфере. На рисунке 6 в качестве примеров показаны профили озона, измеренные 4.03.2005г. и 15.02.2006г. Полученные результаты согласуются с данными расчётов [42,43] и спутниковых измерений [42,44-46]. Установлена связь между изменениями содержания ночного озона в мезосфере и нижней термосфере и динамикой стратосферы. Показано, например, что значения коэффициентов корреляции содержания озона на 65 км и на 90 км с потенциальной завихренностью на уровне потенциальной температуры 850 К (высота около 30 км) могут достигать -0,6 и +0,9, соответственно. Во временных зависимостях содержания

Рисунок 6. Профили ночного озона в мезосфере и нижней термосфере.

m

s

* 80-

100-

90-

60-

50- --1

012345678

Содержание озона, ррт

ночного мезосферного озона были обнаружены также быстрые вариации, с периодами от нескольких минут до нескольких часов, которые могут быть вызваны распространением в атмосфере Земли внутренних гравитационных волн

[36,А9,А16]. Обнаружены эффекты понижения содержания ночного мезо-сферного озона над Москвой после интенсивных протонных вспышек на Солнце.

В §4.4 приведены результаты исследований влияния измеренных вариаций озона на поглощение в атмосфере. Представлены результаты расчётов спектров поглощения и изменений поглощения на различных высотах стратосферы, мезосферы и нижней термосферы в широком диапазоне длин волн ММ диапазона с учётом этих вариаций. Сделан вывод о необходимости учёта обнаруженных изменений в спектрах поглощения для решения фундаментальных и прикладных задач, рассмотренных в диссертации.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы:

1) Получила развитие математическая модель радиоизлучения атмосферы. Исследованы спектры излучения и поглощения атмосферы в миллиметровой области длин волн. Рассчитаны интенсивности удобных для наземного наблюдения спектральных линий озона (с учётом экспериментально наблюдавшихся значительных изменений содержания озона в стратосфере и мезо-сфере), окиси хлора, закиси азота, азотной кислоты и окиси углерода. Рассчитаны оптимальные частотные параметры радиоспектрометров для исследований атмосферного озона и окиси хлора на ММ волнах.

2) Усовершенствована основанная на методе регуляризации Тихонова методика восстановления вертикальных распределений озона в стратосфере, мезосфере и нижней термосфере из измеренных с поверхности Земли спектров собственного теплового излучения озона на ММ волнах. Сделан вывод о том, что эта методика позволяет с высокой точностью восстанавливать вертикальные распределения озона.

3) Разработана методика восстановления вертикального распределения атмосферной окиси хлора. Показана высокая эффективность этой методики для восстановления вертикальных распределений окиси хлора на высотах от 15 до 45 км из измеренных с поверхности Земли спектров собственного теплового излучения СЮ на ММ волнах.

4) С помощью численных экспериментов исследовано влияние шума аппаратуры, погрешностей задания профилей температуры и давления, а также

определения тропосферного поглощения на точность восстановления вертикального распределения озона и окиси хлора из наблюдений их спектральных линий с поверхности Земли.

5) Получены новые данные о высотно-временном распределении содержания озона в стратосфере и мезосфере над Московским регионом. Зарегистрирован сезонный ход содержания озона и его более короткопериодные вариации с характерными временами вариаций от нескольких дней до нескольких недель. Обнаруженной особенностью явилось увеличение амплитуды короткопериодных колебаний содержания озона при переходе от лета к зиме. Анализ результатов наблюдений на ММ волнах показал, что обнаруженные изменения в озоносфере связаны с атмосферными физико-химическими процессами. Установлено, что наиболее значительные изменения вертикального распределения озона в стратосфере происходят в холодное полугодие и связаны с перемещениями воздушных масс, с появлением в стратосфере над Московским регионом полярного воздуха с пониженным содержанием озона.

6) Показано, что под влиянием атмосферных процессов в зимние периоды происходит значительная деформация профилей вертикального распределения озона. Нередко наблюдаются профили с пониженным содержанием озона на высотах 25-45 км и с локальным минимумом, расположенным в области высот вблизи 30 км.

7) Исследованы корреляционные связи между содержанием озона на разных высотах и другими характеристиками атмосферы (общим содержанием озона, высотой изобарических поверхностей, потенциальной завихренностью и температурой). Анализ результатов наблюдений озона на высотах средней и верхней стратосферы свидетельствует о значительном влиянии крупномасштабных атмосферных процессов на содержание озона в указанных слоях.

8) Получены новые данные о содержании мезосферного озона и его вариациях. Зарегистрирован суточный ход мезосферного озона, характеризуемый значительным увеличением содержания озона ночью, что соответствует выводам фотохимической теории. Обнаружены эффекты возникновения ночью трёх максимумов в высотном распределении озона, расположенных соответственно в стратосфере, мезосфере и нижней термосфере. Зарегистриро-

ваны значительные вариации содержания ночного мезосферного озона на высотах 60-70 км и в нижней термосфере на высотах 85-95 км. Установлена связь этих вариаций с динамикой стратосферы.

9) Сопоставление результатов наблюдений вертикального распределения озона над Московским регионом, полученных в ФИАН и из космоса, показало хорошее согласие этих результатов.

Приложение содержит список использованных в тексте сокращений.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Al. Игнатьев А.Н., Кропоткина Е.П., Пирогов Ю.А., Розанов С.Б. Исследование возможности наземных наблюдений атмосферной окиси хлора на частоте 204 ГГц. // Радиотехн. и электрон. - 2003. Т.48. № 6. - С. 679-683.

А2. Соломонов C.B., Кропоткина Е.П., Розанов С.Б., Игнатьев А.Н, Леонов В.Н., Лукин А.Н. Исследование особенностей вертикального распределения озона над Москвой. // Краткие сообщения по физике ФИАН. - 2004. № 1.-С. 23-31.

A3. Соломонов C.B., Кропоткина Е.П., Розанов С.Б., Игнатьев А.Н. Влияние крупномасштабных атмосферных процессов на вертикальное распределение озона над Москвой. II Краткие сообщения по физике ФИАН. - 2005. № 7. - С. 14-22.

A4. Розанов С.Б., Собельман И.И., Божков В.Г., Есепкина H.A., Игнатьев А.Н., Кропоткина Е.П., Круглов С.К., Никифоров П.Л., Перфильев В.И., Пирогов Ю.А., Саенко И.И., Соломонов C.B., Турыгин С.Ю., Штанюк A.M. Создание радиоспектрометров в 1,5- и 2-миллиметровом диапазонах длин волн для атмосферных исследований с оптимизированными характеристиками. // Изв. ВУЗов. Радиофизика. - 2005. Т. 48. № 10-11. - С. 857-862.

А5. Игнатьев А.Н., Кропоткина Е.П., Розанов С.Б., Соломонов C.B. Исследование возможности наземных наблюдений излучения атмосферной окиси хлора на частоте 204 ГГц. И Труды VIII Всерос. школы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах», Красновидово, Моск. обл ,26-31 мая 2002 г. - М.: Изд. МГУ. 2002. - С. 61-62.

А6. Розанов С.Б., Соломонов C.B., Игнатьев А.Н, Моделирование и подготовка эксперимента по дистанционному зондированию стратосферной окиси хлора на миллиметровых радиоволнах с поверхности Земли. // Тез докл межд. симп. стран СНГ "Атмосфернаярадиация", Санкт-Петербург, 18-21 июня 2002 г. - СПб: Изд. СПбГУ, 2002. - С.154-155.

А7. Розанов С.Б., Соломонов C.B., Игнатьев А.Н. Дистанционное зондирование стратосферной окиси хлора на миллиметровых волнах с поверхно-

сти Земли: расчеты и подготовка эксперимента. // Труды XXВсерос конф по распростр. радиоволн, Нижний Новгород, 2-4 июля 2002 г. - Н.Новг.: Изд. НИРФИ, 2002. - С. 360-361.

А8 Розанов С.Б., Соломонов C.B., Игнатьев А.Н. Расчеты и подготовка наземных измерений спектров излучения стратосферной окиси хлора на миллиметровых радиоволнах. // Тез. докл. II Всерос. конф. "Необратимые процессы в природе и технике", Москва, 22-24 января 2003 г — М.: Изд. МГТУ, 2003.-С. 207-209.

А9. Игнатьев А.Н., Кропоткина Е.П., Розанов С.Б., Соломонов C.B. Наблюдения быстрых вариаций в мезосферном озоне на миллиметровых волнах. // Труды IXВсерос. школы-семинара «Физика и применение микроволн», Звенигород, Моск. обл., 26 - 30 мая 2003 г. - М.: Изд. МГУ, 2003. - С. 135136.

А10. Игнатьев А.Н., Кропоткина Е.П., Пирогов Ю.А., Розанов С.Б., Соломонов C.B. Оптимизация частотных характеристик радиоспектрометров для исследований атмосферного озона и окиси хлора на миллиметровых волнах. // Сборник тезисов Междунар. научной конференции «Ломоносов-2004», секция «Физика» - М.: Изд. МГУ, 2004. - С. 247-248.

АН. Игнатьев А.Н., Кропоткина Е.П., Розанов С.Б., Соломонов C.B. Методы определения вертикальных профилей содержания атмосферного озона и окиси хлора из наблюдений на миллиметровых волнах. II Труды IXВсерос. школы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах», Звенигород, Моск. обл., 24 - 29 мая 2004 г.

AI2. Розанов С.Б., Соломонов C.B., Игнатьев А.Н., Кропоткина Е.П. Оптимизация характеристик радиоспектрометров миллиметрового диапазона волн для исследований атмосферного озона и окиси хлора в атмосфере Земли. // Тезисы докладов 4-й Всерос. научной конференции «Физические проблемы экологии (Экологическая физика)», Москва, 22-24 июня 2004 г. - М.: Изд. М1 У, 2004. - С. 168-169.

А13. Розанов С.Б., Соломонов C.B., Игнатьев А.Н., Кропоткина Е.П. Оптимизация характеристик радиоспектрометров миллиметрового диапазона волн для исследований озона и окиси хлора в атмосфере Земли. // Сборник «Физические проблемы экологии». — М.: Изд. МГУ, 2004. № 12. — С. 186.

А14. Розанов С.Б., Кропоткина Е.П., Соломонов C.B., Божков В.Г., Перфильев В.И., Есепкина H.A., Круглов С.К., Саенко И.И., Игнатьев А.Н., Пирогов Ю.А., Никифоров П.Л., Штанюк А.М., Турыгин С.Ю. Создание радиоспектрометров диапазонов волн 2 мм и 1,5 мм с оптимизированными характеристиками. // Тезисы докладов Всероссийского семинара по радиофизике миллиметрового и субмиллиметрового диапазона, 1-4 марта 2005 г, Нижний Новгород. - H.H.: ИПФ РАН, 2005. - С. 26.

Al5. Соломонов C.B., Кропоткина Е.П., Розанов С.Б., Игнатьев А.Н. Исследование изменений вертикального распределения озона над Москвой радиофизическими методами на миллиметровых волнах. // Тезисы докладов Всероссийского семинара по радиофизике миллиметрового и субмшлгшет-рового диапазона, 1-4 марта 2005 г., Нижний Новгород. - H.H.: ИПФ РАН, 2005.-С. 47.

А16. Игнатьев А.Н., Кропоткина Е.П., Розанов С.Б., Соломонов C.B. Методика и результаты наблюдений мезосферного озона на миллиметровых волнах. И Тезисы докладов IX Всероссийской конференции молодых учёных «Состав атмосферы и электрические процессы», Ярославская обл, п Бо-рок, 17-19 мая 2005 г. - Ярославль: типография ЯрГТУ, 2005. - С. 74.

А17. Игнатьев А.Н., Кропоткина Е.П., Пирогов Ю.А., Розанов С.Б., Соломонов C.B. Результаты наблюдений мезосферного озона на миллиметровых волнах. // Труды X Всерос. школы-семинара «Физика и применение микроволн», Моск. обл, пансионат «Университетский», 23 - 28 мая 2005 г - M : ООП Физ. Ф-та МГУ, 2005. - Секция 5, С. 7.

Al8. Розанов С.Б., Соломонов C.B., Игнатьев А.Н., Кропоткина Е.П.. Математическое моделирование восстановления вертикального распределения окиси хлора в атмосфере из спектральных измерений на миллиметровых волнах. // Распространение радиоволн: сборник докладов XXI Всероссийской научной конференции. В 2-х т. Йошкар-Ола, 25-27 мая 2005 г - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2005. - Т.2, С. 241-245.

А19. Соломонов C.B., Кропоткина Е.П., Розанов С.Б., Игнатьев А.Н., Леонов В.Н., Лукин А.Н. Дистанционное зондирование атмосферного озона на миллиметровых волнах. // Распространение радиоволн: сборник докладов XXI Всероссийской научной конференции. В 2-х т. Йошкар-Ола, 25-27 мая 2005 ?. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2005 - Т.2, С. 246-250.

А20. Собельман И.И., Соломонов C.B., Розанов С.Б., Кропоткина Е.П., Игнатьев А.Н. Радиоспектроскопия озоносферы на миллиметровых волнах. // Тезисы докладов XXIII Съезда по спектроскопии, 17-21 октября 2005 г., Звенигород, Московская обл. - М.: РИИС ФИАН, 2005. - С. 73-74.

ЛИТЕРАТУРА

1. Развитие радиоастрономии в СССР. / Ред. Саломонович А.Е. Раздел. 8.2. Исследование земной атмосферы радиоастрономическими методами. -М.:«Наука», 1988. - 222 с.

2. Собельман И.И, Соломонов C.B., Сороченко Р.Л. Миллиметровые волны: новые возможности мониторинга озоносферы. // Вестник РАН -1993. Т. 63. №8. - С. 721-729.

3. Соломонов С.В. Радиофизические исследования озоносферы. // Успехи современной радиоэлектроники. - 2003. № 1. - С. 9-25.

4. Atmospheric Remote Sensing by Microwave Radiometry. / Ed. M.AJansson, New York: J.Willey & Sons, 1993. - 572 p.

5. Израэль Ю.А. Проблемы опасного антропогенного воздействия на климатическую систему и возможности биосферы. // Тезисы докладов Всемирной конференции по изменению климата (WCCC 2003). Москва, Россия, 2003, 29 сентября-3 октября. - Москва: Институт глобального климата и экологии Росгидромета и РАН. - С. 19-21.

6. Crutzen P.J. The Effects of Industrial and Agricaltural Practices on Atmospheric Chemistry and Climate during the Anthropocene. // Proc. Of XX Quadrennial Ozone Symposium, Kos 1-8 June 2004, Greece. - P.13-16.

7. Staehelin J., Harris N. R. P., Appenzeller C., Eberhard J. Ozone trends: A review. // Rev Geophys. - 2001. V. 39. № 2. - P. 231-290.

8. Хргиан A.X., Кузнецов Г.И. Проблема наблюдений и исследований атмосферного озона. - М.: Изд. МГУ, 1981.-214 с.

9. Перов С.П., Хргиан А.Х. Современные проблемы атмосферного озона. - JL: Гидрометеоиздат, 1980. - 287 с.

10. Elansky N.F. Atmospheric ozone. Russian National Report. Meteorology and Atmospheric Sciences. 1999-2002. МАКС Пресс, Moscow 2003, C. 29-42.

11. Elansky N.F., Markova T.A., Belikov I.B., Oberlander E.A. Transcontinental Observations of Surface Ozone Concentration in the TROICA Experiments: 1. Space and Time Variability. // Izvesiya. Atm. And Oceanic Phys. - 2001. V. 37. Suppl. 1 -P.24-38.

12. Еланский Н.Ф., Митин И.В., Постыляков O.B. Исследование предельных возможностей повышения точности измерения вертикального распределения озона с помощью спектрофотометра Брюера. // Изв. РАН. Физика ат-мосф. и океана. - 1999. Т. 35. № 1 - С.73-85.

13. Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1998. World Meteorological Organization, Global Ozone Research and Monitoring Project , Report № 44. -Geneva, 1999.

14. Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2002. World Meteorological Organization, Global Ozone Research and Monitoring Project, Report № 47. -Geneva, 2003.

15. Спектральные исследования космического и атмосферного излучения. /Ред. Кисляков А.Г. Горький: Изд. ИПФ РАН, 1979. - 171 с.

16. Куликов Ю.Ю., Красильников А.А., Рыскин В.Г. Результаты микроволновых исследований структуры озонового слоя полярных широт во время зимних аномальных потеплений стратосферы. // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. ~ 2002. Т. 38. № 2. - С. 182-191.

17. Мольков Я.И., Мухин Д.Н., Суворов Е.В , Фейгин A.M. Байесов подход к восстановлению вертикального распределения озона по данным радиометрических измерений. // Изв. ВУЗов. Радиофизика. - 2003. Т. 46. №8-9. -С. 752-763.

18. Распространение радиоволн. Сборник докладов XXI Всеросс. научн. конф. 25-27 мая 2005 г., Йошкар-Ола. Ред. Арманд H.A. - Йошкар-Ола: Изд. МарГТУ, 2005.

19. Загорин Г.К., Зражевский А.Ю., Коньков Е.В. и др. Факторы, влияющие на распространение ММ волн в приземном слое атмосферы. // Журнал радиоэлектроники. - 2001. № 8.

20. Калмыков Ю.П., Титов C.B. Обобщенная вращательная диффузия и молекулярное поглощение в газах: метод функций памяти. // Зарубежная радиоэлектроника. -1998. № 9. - С. 32-50.

21. Кутуза Б.Г., Загорин Г.К. Спектральные и поляризационные свойства ослабления и излучения осадков в миллиметровом диапазоне волн. // Труды VII Всерос. школы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах», Красновидово, Моск. обл., 22 - 27 мая 2000 г. - М.: Изд. МГУ. 2000. - С. 6162.

22. Жевакин С.А., Наумов А.П. Распространение сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн в земной атмосфере. // Изв. ВУЗов. Радиофизика. - 1967. T. X. № 9-10. - С. 1213-1243.

23. Liebe H.J. МРМ - An atmospheric millimeter-wave propagation model. // Int. J. of Infrared and Millimeter Waves. - 1989. V. 10. № 6. - P. 631 -650.

24. Катков В.Ю. Полуэмпирическая модель поглощения миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн атмосферным водяным паром. // Радиотехн. и электрон. - 1997. Т. 42. № 12. - С. 1441-1446.

25. Тихонов А.Н., Гончарский A.B., Степанов В.В., Ягола А.Г. Численные методы решения некорректных задач. - М.: «Наука», 1990. - 232 с.

26. Гайкович К.П., Кропоткина Е.П., Соломонов C.B. Определение вертикального профиля атмосферного озона по наземным измерениям излучения в миллиметровом диапазоне. // Изв. РАН Физ. атмосф. и океана. - 1999. Т. 35. № 1.- С. 86-95.

27. Соломонов C.B., Розанов С.Б., Кропоткина Е.П., Лукин А.Н. Спектро-радиометр для дистанционного зондирования атмосферного озона на миллиметровых радиоволнах. // Радиотехн. и электрон. - 2000. Т. 45. № 12. -С.1519-1525.

28. Брасье Г., Соломон С. Аэрономия средней атмосферы. - М.: Гидроме-теоиздат,1987. - 413 с.

29. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. - М.: Изд-во МГУ, 1986. - 328 с.

30. http://www.hitran.com

31. Swinbank R., O'Neill A. A Stratosphere-Troposphere Data Assimilation System // Monthly Weather Review. - 1994. V.122. - P. 686-702.

32. http://badc.nerc.ac.uk/data/assim/

33. http://yyww.pa.op.dlr.de/arctic

34. http://www.cpc.ncep.noaa.gov/products/stratosphere/strat_a_f

35. http://toms.gsfc.nasa.gov

36. Соломонов C.B., Кропоткина Е.П., Семёнов А.И. Наблюдение мезо-сферного озона на миллиметровых волнах. // Краткие сообщения по физике ФИАН. -2001. № 10. - С. 30-38.

37. Голицын Г.С., Семёнов А.И., Шефов Н.Н. Сезонные вариации многолетнего тренда температуры в области мезопаузы. // Геомагнетизм и аэрономия. - 2000. Т. 40. № 2. - С. 67-70.

38. Keating G.M., Chiou L.S., Hsu N.C. Improved ozone reference models for the COSPAR international reference atmosphere. // Adv. Space Res. - 1996. № 9/10.-P. 11-58.

39. http://reason.gsfc.nasa.gov/OPS/Giovanni mls3d/mls3d.mls!2.2.shtml

40. Olivero J.J., Pauls T.A., Bevilacqua R.M. et al. Distinctive ozone structure in the high-latitude stratosphere: Measurements by the Millimeter-wave Atmospheric Sounder. // Geophys. Res. Lett. - 1996. V. 23. № 17. - P. 2309-2311.

41. Austin J., Hofmann D.J., Butchart N., Oltmans S.J. Mid stratospheric ozone minima in polar regions. // Geophys Res.Lett. - 1995. V. 22. № 18. - P. 24892492.

42. Allen M., Lunine J.I., Yung Y.L.. The vertical distribution of ozone in the mesosphere and lower thermosphere // J. Geophys. Res. - 1984. V. 89. № D3. - P. 4841-4872.

43. Smith A.K., March D.R. Processes that account for the ozone maximum at the mesopause. // J. Geophys. Res. - 2005. V. 110. № D23305. doi:10.1029/ 2005JD006298.

44. Marsh D., Smith A., Brasseur G., Kaufmann M., Grossmann K. The existence of a tertiary ozone maximum in the high-latitude middle mesosphere. // Geophys. Res. Letters. - 2001. V. 28. №. 24. - P. 4531-4534.

45. R.M. Bevilacqua, D.L. Kriebel, T.A. Pauls et al. MAS measurements of the latitudinal distribution of water vapor and ozone in the mesosphere and lower thermosphere. // Geophys. Res. Lett. - 1996. V. 23. № 17. - P. 2317-2320.

46. Sofieva V. F., Verronen P. Т., Kyrola E., Hassinen S. The tertiary ozone maximum in the middle mesosphere as seen by GOMOS on Envisat. // Proc Of XXQuadrennial Ozone Symposium, Kos 1-8 June 2004, Greece - P. 438-439.

Подписано к печати 13.fl5.0fe Тираж 100 Заказ йб

Отпечатано в отделе оперативной печати физического факультета МГУ

И 4 95 ?

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ГАЗОВОГО СОСТАВА АТМОСФЕРЫ.

1.1. Радиофизические основы дистанционного зондирования атмосферных газов.

1.2. Методы решения обратной задачи дистанционного зондирования.

1.3. Радиоспектрометр ФИАН для озонных исследований.

1.4. Некоторые сведения из физики атмосферы.

ГЛАВА 2. СПЕКТРЫ АТМОСФЕРНЫХ ГАЗОВ В МИЛЛИМЕТРОВОМ ДИАПАЗОНЕ.

2.1. Алгоритм расчёта спектров атмосферы.

2.2. Результаты расчёта спектров собственного излучения и поглощения атмосферы в миллиметровом диапазоне.

2.3. Оптимизация характеристик анализаторов спектра для исследований атмосферного озона и окиси хлора.

ГЛАВА 3. ОСОБЕННОСТИ РЕШЕНИЯ ОБРАТНОЙ ЗАДАЧИ ДИСТАНЦИОННОГО ЗОНДИРОВАНИЯ.

3.1. Развитие программы решения обратной задачи дистанционного зондирования.

3.1.1. Увеличение максимального числа частотных точек, используемых в решении обратной задачи.

3.1.2. Создание программы для восстановления вертикального распределения атмосферной окиси хлора.

3.1.3. Добавление возможности сглаживания спектра окиси хлора перед решением обратной задачи.

3.1.4. Учёт спектрального сглаживания в каналах анализатора спектра

3.1.5. Учёт спектральных шумовых характеристик радиоспектрометра.

3.2. Исследование точности восстановления вертикальных распределений озона.

3.3. Исследование точности восстановления вертикальных распределений окиси хлора.

3.4. Построение профилей температуры и давления.

3.5. Восстановление вертикального распределения озона в мезосфере и нижней термосфере.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЕРТИКАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОЗОНА НАД МОСКВОЙ.

4.1. Высотно-временное распределение озона над Москвой и влияние на него атмосферных процессов.

4.2. Сравнение полученных в ФИАН профилей вертикального распределения озона с данными других экспериментов.

4.3. Исследования мезосферного озона.

4.4. Влияние вариаций атмосферного озона на условия распространения миллиметровых волн.

Диссертационная работа посвящена исследованиям газового состава атмосферы Земли, её озонного слоя, одним из наиболее эффективных методов -методом наземного дистанционного зондирования на миллиметровых волнах [1 - 12]. Таким образом, объектом исследований является атмосфера Земли и её газовый состав, а основным предметом - изменения в атмосферном озоне -в важной составляющей земной атмосферы, образующей защитный озонный слой. Работа выполнена на кафедре радиофизики Физического факультета МГУ и в лаборатории спектроскопии миллиметровых волн Отделения оптики Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН).

Актуальность темы обусловлена глобальными изменениями в атмосфере, происходящими в последние десятилетия (изменения температуры, газового состава, климата, динамики атмосферы). В связи с этим возникла настоятельная необходимость исследований изменяющейся атмосферы, состояния защитного озонного слоя Земли, влияния на содержание озона атмосферных процессов и техногенных загрязнений, изучения связи между различными слоями атмосферы и др. задачи. Отмечаемое с 80-х годов ухудшение состояния озонного слоя атмосферы, возникновение таких масштабных явлений, как «озонные дыры» над Антарктидой, наметившаяся глобальная убыль озона [13,14], требует постоянного контроля за процессами, происходящими в озонном слое. Значительное уменьшение содержания озона стало наблюдаться и над нашей страной [13-17]. Поэтому для России проблема надёжного контроля за состоянием озонного слоя, особенно над густонаселёнными областями, над московским регионом, является чрезвычайно актуальной. Необходимо знать также результаты мер, предпринимаемых международным сообществом для снижения техногенных выбросов в атмосферу озоноразру-шающих веществ. После подписания в 1987 г. Монреальского протокола, обязывающего сократить производство озоноразрушающих веществ и постепенно прекратить их выброс в атмосферу, глобальное производство этих веществ стало уменьшаться. Время жизни многих из этих соединений составляет до сотни лет и более, что приводит к однородному распределению их по всей тропосфере и стратосфере. Поэтому ещё длительное время будет необходим контроль за содержанием в стратосфере озоноразрушающих веществ, особенно соединений хлора.

Традиционные методы исследования озона имеют ограничения, в первую очередь, по максимально доступной высоте зондирования. Например, традиционные наземные оптические методы обладают предельными высотами обычно около 45-50 км, шары-озонозонды - около 35 км, лидары - около 40 км. Радиофизические методы дистанционного зондирования атмосферы в силу ряда присущих только им особенностей эффективно дополняют традиционные методы исследований атмосферы. Большой вклад в развитие радиофизических методов исследования атмосферы внесён отечественными организациями: ФИАН, НИРФИ, ИРЭ РАН, НПФ РАН, ИФА РАН, ЦАО, ГГО и др. [1-5,8,15-26], а также зарубежными исследователями [7]. Первые в нашей стране измерения поглощения СВЧ излучения в атмосферных газах были выполнены в ФИАН и НИРФИ в конце 40-х - начале 50-х гг. прошлого столетия [5]. Следует отметить исследования атмосферы в субмиллиметровом диапазоне радиоволн с высотных аэростатов и спутников, выполненные в ФИАН [5], и исследования линий поглощения атмосферных газов, проведённых в НИРФИ и ИПФ РАН [20]. Наземное зондирование на миллиметровых (ММ) волнах позволяет регистрировать вертикальное распределение содержания озона (ВРО) на значительно больших высотах по сравнению с традиционными оптическими методами, лидарами: диапазон зондируемых высот озоно-сферы на миллиметровых волнах составляет от 15 до 70-75 км [6] (в ночное время до 95 км [27]). Значительный объём информации о состоянии озоно-сферы в настоящее время получают с помощью зондирования со спутников в различных участках электромагнитного спектра. Однако в силу геометрии спутниковых наблюдений при лимбовом зондировании горизонтальное разрешение получаемых данных оказывается грубым (примерно 300+500 км), что не позволяет исследовать явления в озоносфере с меньшим характерным масштабом. Наземные методы наблюдений на ММ волнах, напротив, характеризуются хорошим горизонтальным разрешением, и дают возможность круглосуточных непрерывных наблюдений над одной и той же географической точкой. Существенно и то, что стоимость наземных спектрорадиометров оказывается ниже, чем у спутниковой аппаратуры.

Для ММ волн характерно значительно более слабое, чем в оптическом диапазоне, ослабление излучения в гидрометеорах, частицами облаков, осадков, туманов, и аэрозольными частицами. Поэтому преимуществами наземных наблюдений озона на ММ волнах перед наземными оптическими и ли-дарными измерениями является возможность получать информацию о ВРО при различных атмосферных условиях, включая, например, присутствие слоев аэрозоля, сплошную облачность и независимо от времени суток (днём и ночью). Таким образом, наземные наблюдения озона на ММ волнах, обеспечивая регулярные длительные ряды данных о ВРО (мониторинг озоносферы), позволяют получать наиболее полную картину пространственно-временного распределения озона и его вариаций, включая коротко- и долгопериодные изменения.

Из истории дистанционных исследований атмосферного озона известно [30], что первые оптические приборы для наблюдений озона были созданы в 20-30-е годы прошлого столетия. Сконструированный в этот период спектрофотометр Добсона, измеряющий общее содержание озона над пунктом наблюдения по ослаблению ультрафиолетового излучения Солнца, до сих пор служит основой мировой сети станций для наблюдений озона. Большой вклад в изучение озоносферы внесён ведущими отечественными организациями: ИФА РАН, МГУ, СПбГУ, ЦАО, ГГО и др. [16-18,22,28-31].

О результатах первых измерений спектров атмосферного озона на миллиметровых волнах в 1967-68 гг. с помощью крупных радиотелескопов сообщалось в работе [32]. В нашей стране первые измерения спектров поглощения атмосферы, включая спектры молекул озона, в коротковолновой части ММ диапазона волн были выполнены в НИРФИ, а затем в ИПФ РАН [20]. Регулярные наблюдения вертикального распределения озона на ММ волнах над Московским регионом осуществляются в ФИАН с 1987 г. [33]. При этом в ФИАН и ИПФ РАН для регистрации спектра озона используют супергетеродинные приёмники со смесителем на диоде с барьером Шоттки. Спектральная аппаратура ФИАН для наблюдений озона по своим параметрам находится на мировом уровне [33].

Исследования на ММ волнах атмосферной окиси хлора, считающейся одним из главных озоноразрушающих соединений в стратосфере [13], затрудняются значительно меньшей, по сравнению с озоном, интенсивностью спектра её излучения. Первые наблюдения стратосферной окиси хлора на ММ волнах были выполнены за рубежом в начале 80-х годов [7,34]. В нашей стране наблюдения атмосферной окиси хлора на ММ волнах до сих пор не проводились. В настоящее время в ФИАН создаётся спектрорадиометр для исследований атмосферной окиси хлора на частоте 204,35 ГГц [35].

Для восстановления ВРО из измеренных спектров собственного теплового излучения озона в миллиметровой области в ФИАН используется предложенный К.П. Гайковичем [36] итерационный алгоритм, в котором на каждом шаге применяется метод регуляризации Тихонова в форме принципа обобщённой невязки [64]. Методическими задачами диссертационной работы были: а) дальнейшее развитие методики восстановления ВРО, особенно на высотах мезосферы и нижней термосферы (от 50 до 95 км), оценка ошибок восстановления и определение путей повышения точности измерений; б) расчёт спектров излучения атмосферной окиси хлора и оптимизация частотных характеристик создаваемого спектрорадиометра для изучения атмосферной окиси хлора, а также оптимизация частотных характеристик создаваемого в ФИАН спектрорадиометра-озонометра нового поколения; в) разработка методики восстановления вертикального распределения (BP) атмосферной окиси хлора из измеренных спектров её собственного теплового излучения на частоте 204,35 ГГц и последующее определение ошибок восстановления BP окиси хлора; г) разработка методов учёта реального спектра мощности шума радиоспектрометра и спектрального сглаживания в каналах радиоспектрометра при восстановлении BP озона и окиси хлора; д) модернизация программного обеспечения для автоматизации процесса регистрации и обработки спектров озона; е) создание базы данных о полях температуры, давления и потенциальной завихренности на различных высотах атмосферы с использованием спутниковой и радиозондовой информации, а также пользовательского интерфейса к этой базе данных, удобного для анализа атмосферных динамических процессов; ж) разработка способов применения имеющихся в базе данных сведений о полях температуры и давления для повышения точности восстановления ВРО над Москвой из измеренных спектров излучения озона на ММ волнах.

Экспериментальными задачами диссертационной работы были: а) проведение наблюдений атмосферного озона с помощью спектрорадиометра ФИАН на высотах от 15 до 75 км над Москвой, а также наблюдений озона на высотах от 15 до 95 км в ночное время; б) анализ полученных результатов для выяснения влияния на высотно-временное распределение озона атмосферных процессов, а также анализ связей между различными слоями озоносферы; в) сравнение полученных в ФИАН профилей ВРО с данными других экспериментов.

Научная новизна диссертационной работы:

1) Получены новые данные о высотно-временном распределении озона над Москвой.

2) Показано, что под влиянием атмосферных процессов в зимние периоды происходит значительная деформация вертикального распределения озона. Обнаружено значительное понижение содержания озона на высотах 25-40 км и образование локального минимума содержания озона на высоте около 30 км в отдельные периоды холодных полугодий.

3) Получены новые данные, подтверждающие гипотезу о связи вариаций содержания ночного озона в мезосфере и нижней термосфере с динамикой стратосферы.

4) Улучшена методика восстановления ВРО в диапазоне от 20 до 30 км по сравнению с ранее использовавшейся в ФИАН путём учёта реального спектра мощности шума радиоспектрометра при решении обратной задачи восстановления ВРО, а также повышена точность восстановления профиля ночного озона в мезосфере и нижней термосфере.

5) На основе метода регуляризации Тихонова создан новый алгоритм, который позволяет эффективно восстанавливать вертикальное распределение окиси хлора на высотах от 15 до 45 км из измеренных спектров её собственного теплового излучения на ММ волнах.

Научная и практическая значимость.

1) Показана высокая эффективность метода исследований атмосферного озона в стратосфере и мезосфере и окиси хлора в статосфере, основанного на регистрации с поверхности Земли их собственного теплового излучения в ММ диапазоне. Создана новая методика восстановления вертикального распределения окиси хлора и усовершенствована методика восстановления высотного профиля озона из спектров излучения этих газов. Использованные методики, основанные на методе регуляризации Тихонова в форме принципа обобщённой невязки, позволяют с высокой точностью восстанавливать ВРО в диапазоне высот от 15 до 75 км (в ночное время -до 95 км) и вертикальное распределение окиси хлора в диапазоне высот от 15 до 45 км.

2) Результаты оптимизации частотных параметров спектральной аппаратуры были использованы при разработке и изготовлении новых фильтровых анализаторов спектра. Один из них, АС-50, предназначенный для исследований ночного озона в мезосфере и нижней термосфере, успешно прошёл испытания и с 2005 г. включён в состав спектрорадиометраозонометра ФИАН. В акустооптических АС эти результаты используются для оптимального объединения спектральных каналов. Проводимые по усовершенствованной методике измерения атмосферного озона над Москвой позволяют оперативно получать надёжную информацию о состоянии озонного слоя и своевременно обнаруживать неблагоприятные изменения в нём.

Получены новые данные об изменениях в высотно-временном распределении озона под влиянием крупномасштабных атмосферных процессов в Северном полушарии. Исследования позволили установить корреляционные связи между содержанием озона на разных высотах стратосферы и другими параметрами атмосферы, что важно для выявления предвестников аномальных изменений в озонном слое.

Исследования ночного озона на высотах стратосферы, мезосферы и нижней термосферы позволили получить уникальные данные о связях между различными слоями атмосферы. Показано, что крупномасштабные динамические процессы в стратосфере влияют на вариации содержания озона на высотах мезосферы и нижней термосферы.

Выполненные подспутниковые наземные наблюдения озоносферы на ММ волнах показали высокую эффективность радиофизических методов для контроля работы спутниковой аппаратуры.

На защиту выносятся следующие результаты и положения:

Показано, что радиоспектрометры миллиметровых волн с оптимизированными частотными характеристиками позволяют регистрировать с высокой точностью спектры собственного теплового излучения атмосферного озона и окиси хлора. Применение метода регуляризации Тихонова для восстановления вертикальных профилей содержания этих газов из их спектров обеспечивает большой высотный диапазон зондирования при минимальных ошибках восстановления.

Спектральные методы ММ волн позволяют получать данные о вертикальном распределении озона круглосуточно при различных атмосферных условиях. В результате проведенных регулярных наблюдений озоносферы над Московским регионом на ММ волнах с помощью высокочувствительного спектрорадиометра построено высотно-временное распределение содержания озона, отражающее его сезонный ход и короткопериодные вариации под влиянием атмосферных процессов.

3) Установлено, что наиболее значительные изменения вертикального распределения озона в стратосфере происходят в холодное полугодие и связаны с перемещениями воздушных масс, с появлением в стратосфере над Московским регионом полярного воздуха. Под влиянием атмосферных процессов в этот период нередко наблюдается значительная деформация профилей вертикального распределения озона, характеризуемая пониженным (по сравнению со справочной моделью) содержанием озона на высотах 25-45 км.

4) Обнаружены значительные вариации содержания озона в мезосфере и нижней термосфере ночью. Установлена связь этих вариаций с крупномасштабными процессами атмосферной динамики, с перемещениями основных барических систем стратосферы.

Апробация работы.

Материалы работы сообщались на VIII и IX Всероссийских школах-семинарах «Волновые явления в неоднородных средах» (Моск. обл., 2002 и 2004 гг.), Международном симпозиуме стран СНГ "Атмосферная радиация» (Санкт-Петербург, 2002 г.), XX и XXI Всероссийских научных конференциях по распространению радиоволн (Н. Новгород, 2002 г., Йошкар-Ола, 2005 г.), II Всероссийской конференции "Необратимые процессы в природе и технике" (Москва, 2002 г.), IX и X Всероссийских школах-семинарах «Физика и применение микроволн» (Моск. обл., 2003 и 2005 гг.), Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2004» (Москва, 2004 г.), 4-й Всероссийской научной конференции «Физические проблемы экологии (Экологическая физика)» (Москва, 2004 г.), научном семинаре "Обратные задачи математической физики" (рук. А.Б. Бакушинский,

А.В. Тихонравов, А.Г. Ягола) (Москва, 2005 г.), Всероссийском семинаре по радиофизике ММ и субММ диапазона (Н. Новгород, 2005 г.), IX Всероссийской конференции молодых учёных «Состав атмосферы и электрические процессы» (Ярослав, обл., 2005 г.), XXIII Съезде по спектроскопии (Звенигород, 2005 г.). Материалы диссертации многократно докладывались и обсуждались на семинарах кафедры радиофизики физического факультета МГУ.

По результатам работы опубликованы 5 статей в реферируемых журналах [35,59,109,118,119].

Основные результаты и выводы диссертационной работы:

1) Получила развитие математическая модель радиоизлучения атмосферы. Исследованы спектры излучения и поглощения атмосферы в миллиметровой области длин волн. Рассчитаны интенсивности удобных для наземного наблюдения спектральных линий озона (с учётом экспериментально наблюдавшихся значительных изменений содержания озона в стратосфере и мезосфе-ре), окиси хлора, закиси азота, азотной кислоты и окиси углерода. Рассчитаны оптимальные частотные параметры радиоспектрометров для исследований атмосферного озона и окиси хлора на ММ волнах.

2) Усовершенствована основанная на методе регуляризации Тихонова методика восстановления вертикальных распределений озона в стратосфере, ме-зосфере и нижней термосфере из измеренных с поверхности Земли спектров собственного теплового излучения озона на ММ волнах. Сделан вывод о том, что эта методика позволяет с высокой точностью восстанавливать вертикальные распределения озона.

3) Разработана методика восстановления вертикального распределения атмосферной окиси хлора. Показана высокая эффективность этой методики для восстановления вертикальных распределений окиси хлора на высотах от 15 до 45 км из измеренных с поверхности Земли спектров собственного теплового излучения СЮ на ММ волнах.

4) С помощью численных экспериментов исследовано влияние шума аппаратуры, погрешностей задания профилей температуры и давления, а также определения тропосферного поглощения на точность восстановления вертикального распределения озона и окиси хлора из наблюдений их спектральных линий с поверхности Земли.

5) Получены новые данные о высотно-временном распределении содержания озона в стратосфере и мезосфере над Московским регионом. Зарегистрирован сезонный ход содержания озона и его более короткопериодные вариации с характерными временами вариаций от нескольких дней до нескольких недель. Обнаруженной особенностью явилось увеличение амплитуды ко-роткопериодных колебаний содержания озона при переходе от лета к зиме. Анализ результатов наблюдений на ММ волнах показал, что обнаруженные изменения в озоносфере связаны с атмосферными физико-химическими процессами. Установлено, что наиболее значительные изменения вертикального распределения озона в стратосфере происходят в холодное полугодие и связаны с перемещениями воздушных масс, с появлением в стратосфере над Московским регионом полярного воздуха с пониженным содержанием озона.

6) Показано, что под влиянием атмосферных процессов в зимние периоды происходит значительная деформация профилей вертикального распределения озона. Нередко наблюдаются профили с пониженным содержанием озона на высотах 25-45 км и с локальным минимумом, расположенным в области высот вблизи 30 км.

7) Исследованы корреляционные связи между содержанием озона на разных высотах и другими характеристиками атмосферы (общим содержанием озона, высотой изобарических поверхностей, потенциальной завихренностью и температурой). Анализ результатов наблюдений озона на высотах средней и верхней стратосферы свидетельствует о значительном влиянии крупномасштабных атмосферных процессов на содержание озона в указанных слоях.

8) Получены новые данные о содержании мезосферного озона и его вариациях. Зарегистрирован суточный ход мезосферного озона, характеризуемый значительным увеличением содержания озона ночью, что соответствует выводам фотохимической теории. Обнаружены эффекты возникновения ночью трёх максимумов в высотном распределении озона, расположенных соответственно в стратосфере, мезосфере и нижней термосфере. Зарегистрированы значительные вариации содержания ночного мезосферного озона на высотах 60-70 км и в нижней термосфере на высотах 85-95 км. Установлена связь этих вариаций с динамикой стратосферы.

9) Сопоставление результатов наблюдений вертикального распределения озона над Московским регионом, полученных в ФИАН и из космоса, показало хорошее согласие этих результатов.

Внедрение результатов диссертации

1) Созданный в ИПФ РАН (A.M. Штанюк, П.Л. Никифоров) по техническому заданию ФИАН анализатор спектра для исследований мезосферного озона АС-50 успешно прошёл натурные испытания и был включён в состав озонометрического комплекса ФИАН в 2005 г. Автор участвовал в разработке технического задания на АС-50 и в его натурных испытаниях. Программное обеспечение для регистрации спектров озона с помощью этого АС также было разработано автором.

2) Созданная автором автоматически обновляемая база данных с информацией о полях температуры и давления на различных высотах атмосферы, позволяющая осуществлять автоматизированное построение профилей вертикальных распределений температуры и давления, регулярно используется в ФИАН с 2004 г. для восстановления ВРО над Москвой по данным наблюдений на ММ волнах.

3) Доработанная автором методика восстановления вертикальных распределений озона из измеренных спектров озона на частоте 142,175 ГГц применяется в ФИАН с 2005 г.

Автор выражает глубокую благодарность научным руководителям - профессору Ю.А. Пирогову и ведущему научному сотруднику С.В. Соломонову, а также научным сотрудникам ФИАН Е.П. Кропоткиной и С.Б. Розанову за плодотворное обсуждение работы и ряд ценных замечаний и рекомендаций.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Собельман И.И., Соломонов С.В., Сороченко Р.Л. Миллиметровые волны: новые возможности мониторинга озоносферы. // Вестник РАН. - 1993. Т. 63. №8.-С. 721-729.

2. Соломонов С.В., Кропоткина Е.П., Лукин А.Н., Пономаренко Н.И., Розанов С.Б. О вариациях атмосферного озона по наблюдениям на миллиметровых волнах. // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 1993. Т. 29. №4.-С. 525-531.

3. Куликов Ю.Ю., Красильников А.А., Рыскин В.Г. Результаты микроволновых исследований структуры озонового слоя полярных широт во время зимних аномальных потеплений стратосферы. // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2002. Т. 38. № 2. - С. 182-191.

4. Развитие радиоастрономии в СССР. / Ред. Саломонович А.Е. Раздел 8.2. Исследование земной атмосферы радиоастрономическими методами. -М.:«Наука», 1988.-222 с.

5. Solomonov S.V., Rozanov S.B., Kropotkina Е.Р., Lukin A.N. Techniques of ground-based remote sensing of the ozone layer by millimeter-wave heterodyne spectroscopy. UProc. SPIE. 1998. V. 3406. - P. 135-157.

6. Atmospheric Remote Sensing by Microwave Radiometry. / Ed. Jansson M.A. -New York: J.Willey & Sons, 1993. 572 c.

7. Соломонов C.B. Радиофизические исследования озоносферы. // Успехи современной радиоэлектроники. 2003. № 1. - С. 9-25.

8. Соломонов С.В., Кропоткина Е.П., Розанов С.Б. Исследование вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере на миллиметровых волнах. // Известия ВУЗов. Радиофизика. 2003. Т. 46. №8-9. - С. 764770.

9. Scientific Assessment of Ozone Depletion: 1998. World Meteorological Organization, Global Ozone Research and Monitoring Project, Report No.44. -Geneva, 1999.

10. Scientific Assessment of Ozone Depletion: 2002. World Meteorological Organization, Global Ozone Research and Monitoring Project, Report No.47. -Geneva, 2003.

11. Elansky N.F. Atmospheric ozone. Russian National Report. Meteorology and Atmospheric Sciences. 1999-2002. M.: МАКС Пресс, 2003, С. 29-42.

12. Elansky N.F., Markova T.A., Belikov I.B., Oberlander E.A. Transcontinental Observations of Surface Ozone Concentration in the TROICA Experiments: 1. Space and Time Variability. // Izvesiya. Atm. And Oceanic Phys. 2001. V. 37. Suppl. 1 - P.24-38.

13. Еланский Н.Ф., Митин И.В., Постыляков O.B. Исследование предельных возможностей повышения точности измерения вертикального распределения озона с помощью спектрофотометра Брюера. // Изв. РАН. Физика атмосф. и океана. 1999. Т. 35. № 1 - С.73-85.

14. Электромагнитные волны в атмосфере и в космическом пространстве. / Ред. Соколов А.В., Семенов А.А. М: «Наука», 1986. - 272 с.

15. Спектральные исследования космического и атмосферного излучения. / Ред. Кисляков А.Г. Горький: Изд. ИПФ РАН, 1979. - 171 с.

16. Башаринов А.Е., Гурвич А.С., Егоров С.Т. Радиоизлучение Земли как планеты. М: «Наука», 1974. - 188 с.

17. Распространение радиоволн. Сборник докладов XXI Всеросс. научн. конф. 25-27 мая 2005 г., Йошкар-Ола. / Ред. Арманд Н.А. Йошкар-Ола: Изд. МарГТУ, 2005.

18. Загорин Г.К., Зражевский А.Ю., Коньков Е.В. и др. Факторы, влияющие на распространение ММ волн в приземном слое атмосферы. // Журнал радиоэлектроники. 2001. № 8.

19. Калмыков Ю.П., Титов С.В. Обобщенная вращательная диффузия и молекулярное поглощение в газах: метод функций памяти. // Зарубежная радиоэлектроника. 1998. № 9. - С. 32-50.

20. Кутуза Б.Г., Загорин Г.К. Спектральные и поляризационные свойства ослабления и излучения осадков в миллиметровом диапазоне волн. // Труды

21. VII Всерос. школы-семинара «Волновые явления в неоднородных средах», Красновидово, Моск. обл., 22 27мая 2000 г. - М.: Изд. МГУ. 2000. - С. 61-62.

22. Соломонов С.В., Кропоткина Е.П., Семёнов А.И. Наблюдение мезосферного озона на миллиметровых волнах // Краткие сообщения по физике ФИАН. 2001. № 10. - С. 30-38.

23. Кароль И.Л., Розанов В.В., Тимофеев Ю.М. Газовые примеси в атмосфере. -Д.: Гидрометеоиздат, 1983. 192 с.

24. Хргиан А.Х., Кузнецов Г.И. Проблема наблюдений и исследований атмосферного озона. -М.: Изд. МГУ, 1981. -214 с.

25. Перов С.П., Хргиан А.Х. Современные проблемы атмосферного озона. -Д.: Гидрометеоиздат, 1989. -287 с.

26. Caton W.M. et al. Radio measurements of the atmospheric ozone transition at 101.7 GHz. // The Astrophys. J. 1968. V. 151. - LI 53.

27. Соломонов C.B., Розанов С.Б., Кропоткина Е.П., Лукин А.Н. Спектрора-диометр для дистанционного зондирования атмосферного озона на миллиметровых радиоволнах. // Радиотехн. и электрон. 2000. Т. 45. № 12 -С. 1519-1525.

28. Solomon P.M., de Zafra R.L., Parrish A., Barret J.W. Observation of diurnal variation of stratospheric chlorine monoxide: A critical test of chlorine chemistry in the ozone layer. // Science. 1984. V. 224. - P. 1210-1214.

29. Gaikovich К.Р. Tikhonov's method of the ground-based radiometric retrieval of the ozone profile. // Digest ofIGARSS'94, Pasadena, USA, August 8-12, 1994. V. 4. P. 1901-1903.

30. Жевакин C.A., Наумов А.П. Распространение сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн в земной атмосфере. // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1967. Т. X. № 9-10. - С. 1213-1243.

31. Van Vleck J.H. The absorption of microwaves by oxygen. // Physical Review. -1947. V. 71. №7.-P. 413-424.

32. Liebe H.J. MPM An atmospheric millimeter-wave propagation model. // Int. J. of Infrared and Millimeter Waves. - 1989. V.10. № 6. - P. 631-650.

33. Кропоткина Е.П., Соломонов C.B. Спектры субмиллиметрового излучения атмосферы Земли в космос. // Иссл. Земли из космоса. — 1988. № 1. С. 8187.41. http://www.hitran.com42. http://spec.jpl.nasa.gov

34. В.В. Железняков. Радиоизлучение Солнца и планет. М.: «Наука», 1964. -560 с.

35. Жевакин С.А., Троицкий B.C. // Радиотехн. и электрон. 1959. Т.4. № 1. -С. 21-39.

36. Таунс Ч., Шавлов А. Радиоспектроскопия. М.:ИЛ,1959. - 756 с.

37. Н. Lorentz. // Proc. Amsterd. Acad. Sci. 1906. V. 8. - P. 591.

38. Van Vleck J.H., Weisskopf V.F. On the shape of Collision-Broadened Lines. // Reviews of Modern Physics. 1945. №17. - P. 227-236.

39. Gross E.P. Collision Broadening. II Physical Review. 1955. V. 97. - P. 395.

40. Жевакин С.А., Стрелков Г.М. // Материалы 15-го совещания по спектроскопии, ВИНИТИ АН СССР, Москва, 1965. Т. 3. С. 39.

41. Hui А.К., Armstrong В.Н., Wray А.А. Rapid computation of the Voigt and complex error functions. // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1978. V. 19. - P. 509-516.

42. Rothman L.S. et al. The HITRAN molecular spectroscopic database and HAWKS (HITRAN atmospheric workstation) 1996 edition. // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 1998. V. 60. - P. 665-710.

43. Калмыков Ю.П., Титов C.B. Применение метода функций памяти для расчета вращательного спектра поглощения паров воды. // Радиотехн. и электрон. 1989. Т. 34. № 1. - С. 13-20.

44. Зиничева М.Б., Наумов А.П. Физические аспекты модели распространения сантиметровых и миллиметровых радиоволн на наклонных трассах в земной атмосфере. // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1997. Т. 40. №12. - С. 1463-1478.

45. Аганбекян К.А., Бисярин В.П., Зражевский А.Ю., Изюмов А.О., Соколов А.В., Сухонин Е.В. Распространение субмиллиметровых, инфракрасных и оптических волн в земной атмосфере. В сборнике «Распространение радиоволн». М.: «Наука», 1975. - С. 187-227.

46. Аганбекян К.А., Жаркова Н.А., Загорин Г.К., Зражевский А.Ю. и др. В сборнике «Физика микроволн». Н.Новгород, 1999. - Т. 1. С. 117-129.

47. Катков В.Ю. Полуэмпирическая модель поглощения миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн атмосферным водяным паром. // Радиотехн. и электрон. 1997. Т. 42. № 12. - С. 1441-1446.

48. Eriksson P. Microwave remote sensing of ozone and other species in the middle atmosphere. Technical report No. 228L. Sweden, Goteborg: Chalmers university of technology, 1996. - 134 p.

49. Игнатьев A.H., Кропоткина Е.П., Пирогов Ю.А., Розанов С.Б. Исследование возможности наземных наблюдений атмосферной окиси хлора на частоте 204 ГГц. // Радиотехн. и электрон. 2003. Т. 48. № 6. - С. 679-683.

50. Кисляков А.Г., Станкевич К.С. Исследование тропосферного поглощения радиоволн радиоастрономическими методами. // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 1967. Т. 10. № 9-10. - С. 12 44-1265.

51. А.Г. Кисляков. Труды 1 Всесоюзной школы-симпозиума по распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере (10-17 февраля 1982 г., Звенигород). М. 1983.-С. 189-222.

52. Гайкович К.П., Кропоткина Е.П., Соломонов С.В. Определение вертикальных профилей атмосферного озона по наземным измерениям атмосферного излучения в миллиметровом диапазоне. // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 1999. Т. 35. № 1. - С. 86-95.

53. Тихонов А.Н., Гончарский А.В., Степанов В.В., Ягола А.Г. Численные методы решения некорректных задач. М.: «Наука», 1990. 232 с.

54. Тихонов А.Н., Гончарский А.В., Степанов В.В., Ягола А.Г. Регуляризи-рующие алгоритмы и априорная информация. М.: «Наука», 1983. 200 с.

55. Hadamard J. Le probleme de Cauchy et les equations aux derivees partielles lineaires hyperboliques. Paris: Hermann, 1932. - 542 p.

56. Куликов Ю.Ю., Маркина H.H., Наумов А.П., Рыскин В.Г., Сумин М.И. // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1988. Т. 24. № 12. — С. 1282-1292.

57. Rodgers C.D. Characterization and error analysis of profiles retrieved from remote sounding measurements. // J. Geophys. Res. 1990. V. 95. № D5. - P. 5587-5595.

58. Randegger A.K. On the determination of the Atmospheric Ozone Profile for Ground-based Microwave Measurements // Pure Appl. Geophys. 1980. V. 118.-P. 1052-1065.

59. Мольков Я.И., Мухин Д.Н., Суворов E.B., Фейгин A.M. Байесов подход к восстановлению вертикального распределения озона по данным радиометрических измерений. // Изв. ВУЗов. Радиофизика. 2003. Т. 46. №8-9. -С. 752-763.

60. Кочиков И.В., Курамшина Г.М., Пентин Ю.А., Ягола А.Г. Обратные задачи колебательной спектроскопии. М.: Изд-во МГУ, 1993.-240 с.

61. Eriksson P. Analysis and comparison of two linear regularization methods for passive atmospheric observations. II J. Geophys. Res. 2000. V. 105. № D14. -P. 18157-18167.

62. Розанов С.Б. Создание малошумящих приёмников коротковолновой части миллиметрового диапазона волн и их применение для исследований атмосферного озона радиоастрономическими методами: Дисс. . канд. физ.-мат. наук. М.: ФИАН, 1998.

63. Есепкина Н.А., Корольков Д.В., Парийский Ю.Н. Радиотелескопы и радиометры. М.: «Наука», 1973. -415 с.

64. Розанов С.Б. Малошумящие смесители диапазона волн 2 мм на диодах Шоттки с балочными выводами. // Радиотехн. и электрон. 1996. Т. 41. №3.-С. 362-369.

65. Игнатьев А.Н. Радиофизические исследования малых газовых составляющих атмосферы на миллиметровых волнах. Дипломная работа. М.: МГУ, физич. ф-т, каф. радиофизики, 2002.

66. Оптико-геофизическая модель атмосферы / Ред. Мирошников М.М. М.: «Наука», 1982. - 100 с.

67. Kuntz М., Корр G., Berg Н. et al. Joint retrieval of atmospheric constituent profiles from ground-based millimeterwave measurements: CIO, HN03, N20, and 03 J/J. Geophys. Res.- 1999. V. 102.№D11.-P. 13981-13992.

68. De Zafra R.L. et al. Observations of abnormally high concentrations of chlorine monoxide at low altitudes in the Antarctic stratosphere // Nature. 1987. V. 328.-P. 408-411.

69. Брасье Г.,Соломон С. Аэрономия средней атмосферы. М.: Гидрометеоиз-дат,1987. 413 с.

70. Тарасенко Д.А. Структура и циркуляция стратосферы и мезосферы северного полушария. JL: Гидрометеоиздат, 1988. — 160 с.

71. Данилов А.Д., Казимировский Э.С., Вергасова Г.В., Хачикян Г .Я. Метеорологические эффекты в ионосфере. Д.: Гидрометеоиздат, 1987. 269 с.

72. Курганский М.В. Введение в крупномасштабную динамику атмосферы. СПб.: Гидрометеоиздат, 1993. 168 с.

73. Strahan S.E. Influence of planetary wave transport on Arctic ozone as observed by Polar Ozone and Aerosol Measurement (POAM) III. // J. Geophys. Res. -2002. V. 107. № D20. P. 4417-4425. doi:10.1029/2002JD002189.

74. Хргиан A.X. Физика атмосферы. M.: Изд-во МГУ, 1986. 328 с.

75. Connor B.J., Barrett J.W., Parrish A. et al. Ozone over McMurdo station, Antarctica, austral spring 1986: altitude profiles for the middle and upper stratosphere. II J. Geophys. Res. 1987. V.92. № D11. - P. 13221-13230.

76. Connor В.J., Parrish A., Tsou J.J., McCormick M.P. Error analysis for the ground-based microwave measurements during STOIC. // J. Geophys. Res.1995. V. 100. № D5. P. 9283-9291.

77. Keating G.M., Chiou L.S., Hsu N.C. Improved ozone reference models for the COSPAR international reference atmosphere. // Advances in Space Research.1996. №9/10.-P. 11-58.

78. Атлас климатических карт общего содержания и парциального давления озона. П/р В.И. Бекорюкова М.: Московское отделение Гидрометеоиздата, 1990.-64 с.

79. Appenzeller С., Holton J.R. Tracer lamination in the stratosphere: a global climatology. II J. Geophys. Res. 1997. V. 102. №. D12. - P. 13555-13569.

80. Bird J.C., Pal S.R., Carswellet A.I. et al. Observations of ozone structures in the Arctic polar vortex. // J. Geophys. Res. 1997. V. 102. № D9. - P. 1078510800.

81. Parrish A., de Zafra R.L., Solomon P.M., Barrett J.W. A ground-based technique for millimeter wave spectroscopic observations of stratospheric trace constituents. // Radio Science. 1988. V. 23. №. 2. - P. 106-118.

82. Жевакин C.A., Троицкий B.C., Цейтлин H.M. Радиоизлучение атмосферы и исследование поглощения сантиметровых радиоволн. // Радио-тех. и электрон. 1959. Т. 4. № 1. - С. 21-31.

83. De la Noe J., Lezeaux О., Guillemin G. et al. A ground-based microwave radiometer dedicated to stratospheric ozone monitoring. // J. Geophys. Res. -1998. V. 103. № D17. P. 22147-22161.

84. Отчёт ФИАН по НИР «Создание технологии наблюдений ВРО с помощью спектрорадиометра ФИАН». Тема «Ритм». Москва, 2002.

85. Калиткин Н.Н. Численные методы. М.: Наука, 1978. 512 с.

86. COSPAR international reference atmosphere: 1986. Ed. Rees D. II Advances in Space Research. 1986. V. 10. №. 12.

87. Bevilacqua R.M., Kriebel D.L., Pauls T.A. et al. MAS measurements of the latitudinal distribution of water vapor and ozone in the mesosphere and lower thermosphere. // Geophys. Res. Lett. 1996. V. 23. № 17. - P. 2317-2320.

88. Vaughan G. Diurnal variation of mesospheric ozone. // Nature. 1982. V. 296.-P. 133-135.

89. Grossmann K.U. Recent measurements of trace constituents from rocket and balloon probes. II Advances in Space Research. 1987. V. 7. № 9. - P. 95-101.

90. Sofieva V. F., Verronen P. Т., Kyrola E., Hassinen S. The tertiary ozone maximum in the middle mesosphere as seen by GOMOS on Envisat. // Proc. Of XX Quadrennial Ozone Symposium, Kos 1-8 June 2004, Greece. P.438-439.

91. Голицын Г.С., Семёнов А.И., Шефов H.H. Сезонные вариации многолетнего тренда температуры в области мезопаузы. // Геомагнетизм и аэрономия. 2000. Т. 40. № 2. - С. 67-70.

92. Соломонов С.В., Кропоткина Е.П., Розанов С.Б., Игнатьев А.Н, Леонов В.Н., Лукин А.Н. Исследование особенностей вертикального распределения озона над Москвой. // Краткие сообщения по физике ФИАН. 2004. № 1.-С. 23-31.

93. Соломонов С.В., Кропоткина Е.П., Розанов С.Б., Игнатьев А.Н. Влияние крупномасштабных атмосферных процессов на вертикальное распределение озона над Москвой. // Краткие сообщения по физике ФИАН. -2005. №7.-С. 14-22.

94. Olivero J.J., Pauls Т.A., Bevilacqua R.M. et al. Distinctive ozone structure in the high-latitude stratosphere: Measurements by the Millimeter-wave Atmospheric Sounder. // Geophys. Res. Lett. 1996. V. 23. № 17. - P. 2309-2311.

95. Austin J., Hofmann D.J., Butchart N., Oltmans S.J. Mid stratospheric ozone minima in polar regions. // Geophys. Res. Lett. 1995. V. 22. № 18. - P. 24892492.122. http://toms.gsfc.nasa.gov123. ftp://toms.gsfc.nasa.gov/pub/eptoms/images

96. Зельдович Я.Б., Мышкис А.Д. Элементы прикладной математики. М.: Наука, 1967. - 648 с.

97. Статистическая структура метеорологических полей. / Ред. Гандин Л.С., Захариев В.И., Целнаи Р. Будапешт: AZ ORSZAGOS METEOROLOGIAI SZOLGALAT, 1976. - 138 с.

98. Замков О.О., Толстопятенко А.В., Черемных Ю.Н. Математические методы в экономике. М.: Изд-во МГУ. 4-е изд., стереотип., 2004. - 365 с.

99. McLinden С.А., Olsen S.G., Hannegan В., Wild О., Prather M.J. Stratospheric ozone in 3-D models: A simple chemistry and the cross-tropopause flux.//J. Geophys. Res.- 2000. V. 105.№D11.-P. 14653-14665.

100. Кидиярова В.Г., Кропоткина Е.П., Соломонов С.В. О влиянии атмосферной динамики на вертикальное распределение озона по результатам наземных измерений на миллиметровых радиоволнах. // Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. — 1995. Т. 31. №1. С. 81-87.

101. Morgenstern О., Lee A.M., Pyle J.A. Cumulative mixing inferred from stratospheric tracer relationships. // J. Geophys. Res. 2003. V. 108. № D5. -P. 8321-8329. doi:10.1029/2002JD002098.

102. Bittner M., Offermann D. CRISTA/MAHRSI Campaign Handbook. Wup-pertal: Univ. of Wuppertal, 1994 548 p.131. http://reason.gsfc.nasa.gOv/OPS/Giovannimls3d/mls3d.mlsl2.2.shtml132. http://hdf.ncsa.uiuc.edu/hdfeos.html

103. Allen М., Lunine J.I., Yung Y.L. The vertical distribution of ozone in the mesosphere and lower thermosphere. II J. Geophys. Res. 1984. V. 89. № D3. P. 4841-4872.

104. Garcia R.R., Solomon S. A new numerical model of the middle atmosphere. 2. Ozone and related species. // J. Geophys. Res. 1994. V. 99. № D6. -P. 12937-12952.

105. Marsh D., Smith A., Brasseur G., Kaufmann M., Grossmann K. The existence of a tertiary ozone maximum in the high-latitude middle mesosphere. // Geophys. Res. Letters. 2001. V. 28. № 24. - P. 4531-4534.

106. Smith A.K., Marsh D.R. Processes that account for the ozone maximum at the mesopause. // J. Geophys. Res. 2005. V. 110. - D23305. doi: 10.1029/2005JD006298.