Помощь студентам в учебе
ПРИМЕНЕНИЕ СОЛНЕЧНОГО ФОТОМЕТРА В ЭКСПЕДИЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЯХ ХАРАКТЕРИСТИК СПЕКТРАЛЬНОЙ ПРОЗРАЧНОСТИ АТМОСФЕРЫ
|
ВВЕДЕНИЕ 4
1 АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ АЭРОЗОЛЬНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ТОЛЩИ АТМОСФЕРЫ (АОТ) 6
1.1 Методика определения АОТ атмосферы 6
1.2 Расчет функций пропускания молекулярного поглощения и рассеяния атмосферы 9
1.3 Калибровка солнечных фотометров 11
2 СОЛНЕЧНЫЕ ФОТОМЕТРЫ SPM B SP9 14
2.1 Портативный солнечный фотометр SPM 14
2.2 Многоволновой солнечный фотометр SP-9 17
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕДИЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ АОТ
АТМОСФЕРЫ В АРКТИЧЕСКИХ РАЙОНАХ 19
3.1 Характеристики изменчивости АОТ и влагосо держания атмосферы на территории НИС «Ледовая база «Мыс Баранова» 19
3.2 Характеристики изменчивости АОТ в п.Баренцбург в 2018г 22
3.3 Оценка различий АОТ в соседних районах п.Баренцбург - Ню-Олесунн 25
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 32
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1 АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ АЭРОЗОЛЬНОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ТОЛЩИ АТМОСФЕРЫ (АОТ) 6
1.1 Методика определения АОТ атмосферы 6
1.2 Расчет функций пропускания молекулярного поглощения и рассеяния атмосферы 9
1.3 Калибровка солнечных фотометров 11
2 СОЛНЕЧНЫЕ ФОТОМЕТРЫ SPM B SP9 14
2.1 Портативный солнечный фотометр SPM 14
2.2 Многоволновой солнечный фотометр SP-9 17
3 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕДИЦИОННЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ АОТ
АТМОСФЕРЫ В АРКТИЧЕСКИХ РАЙОНАХ 19
3.1 Характеристики изменчивости АОТ и влагосо держания атмосферы на территории НИС «Ледовая база «Мыс Баранова» 19
3.2 Характеристики изменчивости АОТ в п.Баренцбург в 2018г 22
3.3 Оценка различий АОТ в соседних районах п.Баренцбург - Ню-Олесунн 25
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 32
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Прозрачность земной атмосферы (ПЗА) - это способность атмосферы пропускать направленное излучение. Но применительно к атмосфере под пропусканием обычно понимают долю пропускания атмосферой только направленного излучения.
Различают спектральную и интегральную ПЗА. Под спектральной ПЗА понимают способность атмосферы пропускать направленное квазимонохроматическое излучение, т.е. излучение в сравнительно узких участках спектра. Под интегральной ПЗА понимается способность атмосферы пропускать направленное излучение в широких участках спектра.
Под атмосферным аэрозолем понимают совокупность взвешенных в атмосферном воздухе твердых или жидких частиц с характерным размером -0,01-100 мкм, которые могут находиться в атмосфере неопределенно долгое время. Атмосферные аэрозоли, могут быть образованы различными источниками, например, горящая биомасса, дым, сажа, черный углерод, минеральная пыль и морская соль, характеризуются значительной региональной изменчивостью.
Атмосферный аэрозоль вдали от мощных источников, как естественных так и антропогенных называют фоновым и выделяют три основных типа.
Континентальный - это частицы горных пород, почвы, мельчайшие песчинки, сдуваемые ветром. Они имеют размер от нескольких микрон до десятков микрон и всегда содержат кремний и алюминий, что позволяет сделать вывод об их происхождении. Так же образуется в результате химических и фотохимических реакций веществ, выделяемых растениями с некоторыми компонентами атмосферного воздуха.
Другой важнейший компонент - морской, который вносит свой вклад частиц морской соли в фоновый аэрозоль. Образуется в результате разрушения оболочки пузырьков морской пены. Рост активности исследований атмосферного аэрозоля за последние полвека [1-3] обусловлен рядом причин:
1. необходимостью разработки технических средств и методов, «работающих» через атмосферу в оптическом диапазоне спектра. (Например, коррекция изображений, получаемых со спутников, различные спец, средства оптической связи и пр. и др.)
2. осознанием роли аэрозоля (наряду с парниковыми газами), как одного из климатообразующих факторов. Особенно в последнее десятилетие в связи с изменением климата и увеличением роли антропогенного аэрозоля.
Аэрозольная оптическая толща (АОТ) - одна из наиболее применяемых в экспериментальных исследованиях оптическая характеристика аэрозоля. Для определения АОТ используются солнечные фотометры.
Цель настоящей работы - приобретение практических навыков обработки и анализа результатов экспедиционных измерений. Анализ некоторых результатов, полученных в ходе экспедиционных исследований в полярных районах
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
1) изучение методики определения АОТ атмосферы по результатам измерений солнечными фотометрами.
2) освоение принципов работы и устройства солнечных фотометров (на примере SPM и SP-9, разработанных в ИОА СО РАН).
3) определение параметров спектральных каналов солнечного фотометра SPM (серийный №17.101). А именно - выполнение расчетов зависимостей функций пропускания, обусловленных поглощением атмосферными газами и их параметризация.
4) проведение расчетов АОТ атмосферы по данным экспедиционных измерений в высокоширотных районах и участие в анализе полученных результатов:
Участие в сопоставлении результатов измерения АОТ в п. Баренцбург с соседними пунктами на Шпицбергене (Хорсунд и Ню-Олесунн).
Результаты измерений на территории НИС «Ледовая база «Мыс Баранова» и архипелага Шпицберген.
Различают спектральную и интегральную ПЗА. Под спектральной ПЗА понимают способность атмосферы пропускать направленное квазимонохроматическое излучение, т.е. излучение в сравнительно узких участках спектра. Под интегральной ПЗА понимается способность атмосферы пропускать направленное излучение в широких участках спектра.
Под атмосферным аэрозолем понимают совокупность взвешенных в атмосферном воздухе твердых или жидких частиц с характерным размером -0,01-100 мкм, которые могут находиться в атмосфере неопределенно долгое время. Атмосферные аэрозоли, могут быть образованы различными источниками, например, горящая биомасса, дым, сажа, черный углерод, минеральная пыль и морская соль, характеризуются значительной региональной изменчивостью.
Атмосферный аэрозоль вдали от мощных источников, как естественных так и антропогенных называют фоновым и выделяют три основных типа.
Континентальный - это частицы горных пород, почвы, мельчайшие песчинки, сдуваемые ветром. Они имеют размер от нескольких микрон до десятков микрон и всегда содержат кремний и алюминий, что позволяет сделать вывод об их происхождении. Так же образуется в результате химических и фотохимических реакций веществ, выделяемых растениями с некоторыми компонентами атмосферного воздуха.
Другой важнейший компонент - морской, который вносит свой вклад частиц морской соли в фоновый аэрозоль. Образуется в результате разрушения оболочки пузырьков морской пены. Рост активности исследований атмосферного аэрозоля за последние полвека [1-3] обусловлен рядом причин:
1. необходимостью разработки технических средств и методов, «работающих» через атмосферу в оптическом диапазоне спектра. (Например, коррекция изображений, получаемых со спутников, различные спец, средства оптической связи и пр. и др.)
2. осознанием роли аэрозоля (наряду с парниковыми газами), как одного из климатообразующих факторов. Особенно в последнее десятилетие в связи с изменением климата и увеличением роли антропогенного аэрозоля.
Аэрозольная оптическая толща (АОТ) - одна из наиболее применяемых в экспериментальных исследованиях оптическая характеристика аэрозоля. Для определения АОТ используются солнечные фотометры.
Цель настоящей работы - приобретение практических навыков обработки и анализа результатов экспедиционных измерений. Анализ некоторых результатов, полученных в ходе экспедиционных исследований в полярных районах
Для достижения этой цели решались следующие задачи:
1) изучение методики определения АОТ атмосферы по результатам измерений солнечными фотометрами.
2) освоение принципов работы и устройства солнечных фотометров (на примере SPM и SP-9, разработанных в ИОА СО РАН).
3) определение параметров спектральных каналов солнечного фотометра SPM (серийный №17.101). А именно - выполнение расчетов зависимостей функций пропускания, обусловленных поглощением атмосферными газами и их параметризация.
4) проведение расчетов АОТ атмосферы по данным экспедиционных измерений в высокоширотных районах и участие в анализе полученных результатов:
Участие в сопоставлении результатов измерения АОТ в п. Баренцбург с соседними пунктами на Шпицбергене (Хорсунд и Ню-Олесунн).
Результаты измерений на территории НИС «Ледовая база «Мыс Баранова» и архипелага Шпицберген.
В работе рассмотрены аппаратурно-методические основы определения АОТ атмосферы и представлены результаты измерений в полярных районах: на территории НИС «Ледовая база «Мыс Баранова» и архипелаг Шпицберген.
Описанная в работе методика позволяет определять АОТ атмосферы в спектральном диапазоне солнечных фотометров SPM и SP-9 (0,34-2,14 мкм). Погрешность восстановления АОТ составляет 0,01-0,02.
Для одного из фотометров SPM приведены результаты аппроксимации зависимостей функций пропускания, обусловленных поглощением атмосферными газами, для спектральных каналов прибора. Расчёты выполнены с использованием аппаратных функций каждого канала.
В результате обработанных измерений на территории НИС «Ледовая база «Мыс Баранова» фотометром SPM (с 4 апреля по 9 августа, получено 75 среднечасовых значения АОТ и ОВС атмосферы в течение 23 дней) и при сопоставлении их с данными прошлых лет аэрозольное замутнение атмосферы в период наблюдений варьировало в достаточно широких пределах, минимальное среднедневное значение АОТ было зафиксировано 10 мая (та0.5 =0.015), а максимальное та0.5 =0.198 - 11 июня. Основной вклад в изменчивость АОТ обусловлен колебаниями содержания в атмосфере мелкодисперсных частиц, континентального происхождения. Сопоставление с результатами, ранее полученными в соседних регионах, показывает, что т‘(Х) для всех данных хорошо согласуется с наблюдениями в Тикси (июнь 2010 г.), та(Х) по экспедициям 2013-2016 гг. в Карском море отличается от фоновых значений на м. Баранова большими значениями АОТ в ИК-диапазоне спектра (большее содержание грубодисперсного морского аэрозоля).
По результатам обработанных измерений характеристик атмосферного аэрозоля проводимых на архипелаге Шпицберген. По средним значениям аэрозольное замутнение атмосферы в 2018 году хорошо согласуется с результатами, полученными в предыдущие годы. Весной (апрель-май) заметные различия в спектральном ходе та(Х), наблюдаются лишь в 32
коротковолновой части спектра. Летом (июнь-июль) значения
та0.5[2018]=0.062±О.О27, что ниже среднего за прошлые годы
Ta0.5[2011-2017]=0- 080±О.О36. Наиболее значительные отличия 2018 г. относятся к осеннему периоду (август-сентябрь) величина та0.5[2018]=0.106±О.О95, что почти на 30% выше среднего уровня 2011-2017 гг. ( т'0.5[2011-2017]=0.076±0.023).
Во временной изменчивости наблюдаются всплески, обусловленные ростом содержания в атмосфере мелкодисперсного аэрозоля ,такое увеличение АОТ (тх) обусловлено выносом в район измерений дымов лесных пожаров с континентов, исключение же дымовых ситуаций приводит к хорошему согласию средних спектральных зависимостей АОТ для осенних периодов 2018 г. и 2011-2017 гг.
Сопоставление характеристик АОТ в Баренцбурге и Ню-Алесунне, показало, что между т'0.5 , 1'0.5 и тс в наблюдается статистически значимая (по уровню 0.05) корреляция и замутнение атмосферы в Баренцбурге несколько выше, чем Ню-Алесунне (Ат'0.5 = 0.014±0.025).
С увеличением скорости ветра Sw возрастает и нижняя граница тс .Это свидетельствует об увеличении под влиянием ветра содержания в атмосфере грубодисперсного аэрозоля, по-видимому, морского происхождения.При сопоставлении различий Атс и ASw между Барецбургом и Ню-Алесунном каких-либо закономерностей не прослеживается.
Описанная в работе методика позволяет определять АОТ атмосферы в спектральном диапазоне солнечных фотометров SPM и SP-9 (0,34-2,14 мкм). Погрешность восстановления АОТ составляет 0,01-0,02.
Для одного из фотометров SPM приведены результаты аппроксимации зависимостей функций пропускания, обусловленных поглощением атмосферными газами, для спектральных каналов прибора. Расчёты выполнены с использованием аппаратных функций каждого канала.
В результате обработанных измерений на территории НИС «Ледовая база «Мыс Баранова» фотометром SPM (с 4 апреля по 9 августа, получено 75 среднечасовых значения АОТ и ОВС атмосферы в течение 23 дней) и при сопоставлении их с данными прошлых лет аэрозольное замутнение атмосферы в период наблюдений варьировало в достаточно широких пределах, минимальное среднедневное значение АОТ было зафиксировано 10 мая (та0.5 =0.015), а максимальное та0.5 =0.198 - 11 июня. Основной вклад в изменчивость АОТ обусловлен колебаниями содержания в атмосфере мелкодисперсных частиц, континентального происхождения. Сопоставление с результатами, ранее полученными в соседних регионах, показывает, что т‘(Х) для всех данных хорошо согласуется с наблюдениями в Тикси (июнь 2010 г.), та(Х) по экспедициям 2013-2016 гг. в Карском море отличается от фоновых значений на м. Баранова большими значениями АОТ в ИК-диапазоне спектра (большее содержание грубодисперсного морского аэрозоля).
По результатам обработанных измерений характеристик атмосферного аэрозоля проводимых на архипелаге Шпицберген. По средним значениям аэрозольное замутнение атмосферы в 2018 году хорошо согласуется с результатами, полученными в предыдущие годы. Весной (апрель-май) заметные различия в спектральном ходе та(Х), наблюдаются лишь в 32
коротковолновой части спектра. Летом (июнь-июль) значения
та0.5[2018]=0.062±О.О27, что ниже среднего за прошлые годы
Ta0.5[2011-2017]=0- 080±О.О36. Наиболее значительные отличия 2018 г. относятся к осеннему периоду (август-сентябрь) величина та0.5[2018]=0.106±О.О95, что почти на 30% выше среднего уровня 2011-2017 гг. ( т'0.5[2011-2017]=0.076±0.023).
Во временной изменчивости наблюдаются всплески, обусловленные ростом содержания в атмосфере мелкодисперсного аэрозоля ,такое увеличение АОТ (тх) обусловлено выносом в район измерений дымов лесных пожаров с континентов, исключение же дымовых ситуаций приводит к хорошему согласию средних спектральных зависимостей АОТ для осенних периодов 2018 г. и 2011-2017 гг.
Сопоставление характеристик АОТ в Баренцбурге и Ню-Алесунне, показало, что между т'0.5 , 1'0.5 и тс в наблюдается статистически значимая (по уровню 0.05) корреляция и замутнение атмосферы в Баренцбурге несколько выше, чем Ню-Алесунне (Ат'0.5 = 0.014±0.025).
С увеличением скорости ветра Sw возрастает и нижняя граница тс .Это свидетельствует об увеличении под влиянием ветра содержания в атмосфере грубодисперсного аэрозоля, по-видимому, морского происхождения.При сопоставлении различий Атс и ASw между Барецбургом и Ню-Алесунном каких-либо закономерностей не прослеживается.
