РЕФЕРАТ
Отчет 98 с., 2 ч., 32 рис., 43 источника, 8 прил.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА – атмосфера Земли, газовый состав, мониторинг, дистанционные методы, спутниковые методы, базы данных, атмосфера Марса, термосфера, тепловая структура, сейсмический шум, лучевая томография, магнитосфера, магнитное пересоединение, солнечная активность, климат
Данный отчет является итоговым по проекту «Исследования Земли, атмосферы и околоземного космического пространства (проект «Геокосмос»), выполнявшемуся в течение 2006-2007 гг. В первой части отчета приведены краткие материалы по научно-техническим результатам, полученным на 1-м, 2-м и 3-м этапах проекта, во второй части представлены результаты, полученные на заключительном, 4‑м этапе проекта.
Объектами исследований в данном проекте являются различные геосферы Земли – атмосфера, магнитосфера, земная кора, объектами разработок – методы контроля их состояния и изучения протекающих в них геофизических процессов.
Целями работы по проекту являлись:
разработка систем дистанционного регионального мониторинга парниковых и озоноразрушающих газов;
разработка новых спутниковых методов зондирования атмосферы;
создание банка данных по параметрам атмосферы и характеристикам поглощения атмосферных газов;
получение новых данных о состоянии атмосферы;
анализ глобальных полей колебательных температур состояния 01101 молекул углекислого газа в мезосфере и нижней термосфере;
изучение динамики содержания СО и CH4 в районе Санкт-Петербурга;
численное моделирование состояния атмосферы и переноса электромагнитного излучения в атмосфере;
развитие общей теории и разработка простой модели температурной структуры термосфер планет;
обобщение метода расчета переноса излучения в молекулярных полосах при нарушении локального термодинамического равновесия на случай учета континуального поглощения;
разработка обобщенного метода расчета неравновесного излучения;
изучение природы совместных колебаний Земли и атмосферы;
изучение пространственной структуры высоких гармоник атмосферного солнечного прилива и высокочастотных собственных колебаний атмосферы;
исследование динамики процессов в земной магнитосфере с использованием данных системы 4-х европейских спутников Cluster совместно с численным моделированием процессов пересоединения и плазменной структуры магнитосферы;
развитие методики подстройки параметров модели магнитосферного магнитного поля для обеспечения оптимального проектирования из магнитосферы в ионосферу;
развитие метода лучевой сейсмической томографии в анизотропной среде;
исследование скейлинговых свойств сейсмического шума в сейсмоактивном регионе и их вариаций в период подготовки крупных землетрясений;
поиск и исследование нелинейных связей между рядами данных, характеризующих солнечную активность, состояние околоземного космического пространства и поведение атмосферных параметров;
разработка модели, определяющей поведение пятнообразовательной полусферой активности Солнца в преддверии гранд-минимумов активности.
Методы, применяющиеся для решения задач проекта, развивают как теоретические, так и экспериментальные подходы, и более подробно описываются в соответствующих разделах отчетов за 1-й, 2-й и 3-й этапы проекта, а также в разделе 2 настоящего отчета.
Результаты работы:
В ходе выполнения проекта создана усовершенствованная наземная автоматическая спектроскопическая установка для измерений рассеянного в зенит солнечного УФ и видимого излучения для определения общих содержаний (ОС) озона и двуокиси азота. Разработана новая усовершенствованная методика определения ОС О3 и ОС NO2, использующая измерения как прямой, так и рассеянной солнечной радиации в двух спектральных интервалах 300-350 нм и 410-510нм. Осуществлена валидация спутниковых измерений ОС NO2 по данным наземных измерений ОС NO2. Изучены сезонные вариации ОС атмосферных газов. Проведены оценки временной изменчивости общего содержания метана и угарного газа в районе Санкт-Петербурга. Разработаны физико-математические основы и методики наземного зондирования температуры, общего содержания озона, водяного пара и других газов на основе измерений спектров нисходящего теплового ИК излучения, создано специализированное программно-математическое обеспечение для интерпретации наземных измерений, проведены численные эксперименты по анализу погрешностей восстановления вертикальных профилей температуры, влажности и содержания озона. Сформированы ряд региональных и глобальных ансамблей параметров атмосферы, а также характеристик взаимодействия параметров атмосферы с электромагнитным излучением, основанные на современных теоретических разработках и данных многочисленных экспериментальных измерений.
Сформулирована физико-математическая модель спутниковых оккультационных космических экспериментов по изучению газового состава атмосферы с учетом мерцаний звезд. Предложена компьютерная модель, для имитации наблюдений звезд из космоса сквозь атмосферу. Проведено статистическое моделирование мерцаний звезд с помощью предложенной модели. Проведены расчеты погрешностей спутникового метода. Показано, что влияние мерцаний звезд, может привести к заметному (по меньшей мере, в 1.5-2 раза) снижению точности определения содержания озона методом прозрачности по звездам. Показано, что вид спектрального хода корреляций мерцаний существенно влияет на погрешности дистанционного зондирования.
Построена новая статистическая модель микрофизических характеристик стратосферного аэрозоля. На основе расчетов по теории Ми и разработанной статистической модели микрофизики стратосферного аэрозоля построена статистическая оптическая модель стратосферного аэрозоля. Вычислены ковариационные и взаимоковариационные матрицы коэффициентов ослабления и рассеяния, а также параметров Хеньи-Гринштейна для индикатрисы рассеяния стратосферного аэрозоля. На основе радиационного кода SCIATRAN проведены расчеты рассеянного солнечного излучения и исследована применимость модели однократного рассеяния. Показано, что для большинства спектральных каналов измерений, используемых для получения информации о стратосферном аэрозоле, приближение однократного рассеяния может вносить значительные погрешности и его можно рекомендовать для использования только как начальное приближение при решении обратной задачи.
Проведено комплексное изучение пространственных распределений колебательных температур состояния 01101 молекул углекислого газа в области мезосферы и нижней термосферы по результатам спутниковых экспериментов CRISTA‑1 и CRISTA‑2. Осуществлен анализ пространственно-временных вариаций колебательных температур, полученных в спутниковом эксперименте. Проведено сопоставление полученных экспериментальных данных с результатами моделирования.
Установлено, что минимальные значения общего содержания СО в период с конца января по конец марта, зарегистрированные во время десятилетней серии наблюдений 1995-2005 гг., наблюдались при затоках воздуха из верхних тропосферных слоев. Средние значения общего содержания СН4 летом 2006г. и зимой-весной 2007г. были на 3% выше средних многолетних для этих периодов. Рекордно высокое значение общего содержания СН4 для зимних месяцев (за весь период измерений общего содержания метана в Санкт-Петербурге) было зафиксировано 21 февраля 2007 г. и составило 4.093×1019 мол/см2.
Создана общая модель температурной структуры термосфер планет, охлаждаемых излучением молекул в единственной колебательно-вращательной полосе, с использованием безразмерных переменных и параметров. Получен средний профиль температуры в дневной термосфере северного полушария Марса для весны при умеренном уровне солнечной активности.
Показано, что учет ослабления аэрозолями излучения на частотах ближнего ИК спектрального диапазона (1–4 мкм) приводит к значительному уменьшению колебательной температуры возбужденных состояний молекул СО2 в высотном диапазоне 0–50 км; чем выше содержание аэрозолей, тем сильнее изменение высотных профилей колебательной температуры;
Показано, что влияние аэрозольного ослабления на высотные профили колебательных температур тем сильнее, чем выше энергия возбуждения колебательных состояний и чем меньше распространенность изотопической разновидности молекулы СО2;
На примере периодов глобальных пылевых бурь на Марсе показано, что учет аэрозольного ослабления в континууме может изменять населенности колебательных состояний молекул СО2 в приповерхностном слое на порядки величины.
Выявлены устойчивые частоты колебаний, общие для Земли и атмосферы, и направление потоков энергии для этих частот, установлено различие направлений потоков энергии для колебаний с периодами менее 1 часа и более 3 часов.
Показано, что в волновую возмущенность в диапазоне периодов 0.5 - 5 часов вносят вклад глобальные волны, генерируемые в атмосфере. Такими волнами являются собственные колебания атмосферы и высокие гармоники солнечного прилива, причем семейства последних могут наблюдаться в течение нескольких суток. В некотором временном интервале около момента сильного землетрясения в среднем имеет место некоторое повышение уровня волновой возмущенности, за что, кроме собственного колебания Земли 0S2, предположительно могут быть ответственны изгибные колебания литосферных плит.
Получено решение обратной задачи восстановления скорости пересоединения по наблюдениям вариаций магнитного поля вдоль траектории спутника в магнитосфере, экспериментально подтверждено, что процесс импульсного магнитного пересоединения является реальным исходным механизмом, приводящим к импульсной инжекции плазмы во внутреннюю магнитосферу.