Аппаратура, методы и результаты радиофизических исследований атмосферного озона

В работе представлены результаты создания высокочувствительной спектральной аппаратуры и эффективных методов дистанционного зондирования озоносферы в сверхвысокочастотном диапазоне (СВЧ) диапазоне, на миллиметровых (ММ) волнах, а также представлены результаты мониторинга вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере этими методами, показывающие эффективность дистанционного зондирования озоносферы на ММ-волнах с поверхности Земли.

Миллиметровые волны — это область спектра длин волн между 1 мм и 10 мм, соответствующая частотам колебаний от 30 ГГц до 300 ГГц. Рассмотренные в работе радиофизические спектральные методы изучения земной атмосферы основаны на регистрации спектров теплового радиоизлучения атмосферных газов в указанной области длин волн. Эти методы называют также радиоастрономическими, поскольку они широко используются для решения задач радиоастрономии [1−5] с применением радиометров и крупных радиотелескопов. Для подчеркивания их отличия от традиционных оптических методов дистанционного зондирования атмосферы рассматриваемые ниже радиофизические методы нередко называют также микроволновыми.

Актуальность работы обусловлена важностью рассмотренной в работе проблемы происходящих в атмосфере глобальных изменений концентрации важнейших малых газовых составляющих атмосферы, наметившейся убылью содержания озона, возникновением таких аномалий, как озонные «дыры». Озабоченность по поводу надежности атмосферной системы как основы биосферы неоднократно высказывалась на представительных научных форумах. При этом отмечался значительный уровень неопределенности в решении проблемы глобальных изменений в атмосфере, в ее защитном озонном слое из-за отсутствия необходимой информации об эволюции окружающей среды под влиянием естественных причин и антропогенных факторов [6−23].

Как показывает опыт проводимых исследований, в решении этой проблемы важную роль играет дистанционное зондирование атмосферы Земли, использующее бортовые и наземные методы наблюдения в различных участках спектра электромагнитных волн [4−6,11−18, 21−43, 48, 49]. Одним из наиболее эффективных способов получения ценной информации об атмосферных параметрах и происходящих в атмосфере изменениях является дистанционное зондирование атмосферы упомянутыми выше радиофизическими методами.

Дистанционное зондирование в этой области спектра имеет ряд достоинств. В диапазоне ММ-волн сосредоточены многочисленные спектральные линии озона, водяного пара, окиси хлора и ряда других газов, играющих ключевую роль в атмосферных процессах. Радиофизические методы позволяют проводить круглосуточные наблюдения атмосферы по ее собственному тепловому радиоизлучению при различных погодных условиях, поскольку ослабление излучения в облаках и слоях аэрозоля в радиодиапазоне существенно меньше, чем в оптической области спектра. Эти методы, позволяя наблюдать содержание озона в верхних слоях атмосферы, в ее мезосфере, по предельным высотам существенно превосходят традиционные наземные оптические методы, шары-озонозонды и лидары.

Ниже отмечен вклад ведущих отечественных и зарубежных организаций в развитие этих методов, а также сформулированы актуальные задачи радиофизических исследований, стоявшие перед данной работой и решённые в ходе её выполнения.

Еще в 50-х и начале 60-х годов в Физическом институте им. П. Н. Лебедева были выполнены пионерские работы по радиоастрономии и аэрономии в ММ диапазоне волн [3−5]. Обзор по результатам радиоастрономических исследований в ФИАН содержится в сборнике под редакцией Р. Д. Дагкесаманского [5], выпущенном к 50-летнему юбилею Пущинской радиоастрономической обсерватории Астрокосмического центра Физического института.

Помимо работ Физического института, в котором осуществлялась также координация отечественных исследований по этой тематике, важный вклад в развитие радиофизических методов был внесён рядом других ведущих организаций нашей страны: ИРЭ РАН, НИРФИ, ИПФ РАН, ИКИ, ИФА РАН, ГГО, ЦАО и др.

Радиофизические методы широко используются для исследований условий распространения радиоволн в атмосфере Земли. Анализ возможностей радиофизических исследований земной атмосферы, проведенный к началу этих работ в 1970;х годах, показал необходимость развития аппаратуры и методов в коротковолновых участках радиодиапазона [4]. Радиофизические наблюдения земной атмосферы, основанные на измерении собственного теплового радиоизлучения атмосферных газов, открыли новые возможности в изучении атмосферы и ее озонного слоя [4, 24−48, 50−54]. Эти методы развиваются в нашей стране, а также и за рубежом — в США, Франции, Швеции, Германии, Японии и в ряде других стран.

Фундаментальные исследования в области радиофизических исследований атмосферы были выполнены под руководством В. С. Троицкого, С. А. Жевакина в НИРФИ, под руководством Н. А. Арманда, М. А. Колосова, А. В. Соколова в ИРЭ РАН. Ряд важных вопросов изучения теплового радиоизлучения атмосферы освещен в монографиях К. Я. Кондратьева и Ю. М. Тимофеева. Получили заслуженное мировое признание работы в этой области, выполненные под руководством А. Е. Башаринова, А. С. Гурвича,.

А.Ю.Зражевского, А. Г. Кислякова, Б. Г. Кугузы, А. П. Наумова, Б. А. Розанова, А. Е. Саломоновича, К. С. Станкевича, Е. В. Суворова, Г. М. Стрелкова, Н. М. Цейтлина, Г. Г. Щукина и др. Новые интересные результаты радиофизических исследований атмосферы на миллиметровых волнах получены К. П. Гайковичем, Е. Н. Кадыгровым, И. В. Кузнецовым, Ю. Ю. Куликовым, В. Г. Рыскиным, А. В. Троицким, Л. И. Федосеевым, А. М. Фейгиным, А. А. Швецовым и др.

В связи с рассматриваемой темой необходимо отметить также работы по дистанционному зондированию атмосферы в СВЧ диапазоне, выполняемые в зарубежных обсерваториях США, Франции, Германии, Швеции, Японии и др. стран (см., например, [48, 52−54]). Как известно, результаты первых измерений атмосферного поглощения в радиодиапазоне с помощью радиотелескопа были получены Дикки с сотрудниками [55].

Практические шаги к освоению рассматриваемой области радиоволн с целью проведения исследований с борта высотных аэростатов и спутников и для изучения верхних слоев атмосферы были начаты в ФИ АН во второй половине 60-х гг. [4,5,31,50]. Эта работа проводилась по инициативе и под руководством основоположника данного направления профессора А. Е. Саломоновича (1916;1989 гг.). Большой вклад в развитие этого направления был внесен А. С. Хайкиным (1937;1977 гг.).

Эффективность радиофизических методов исследования состава атмосферы с поверхности Земли проиллюстрирована в данной работе результатами дистанционного зондирования атмосферного озона на миллиметровых волнах в стратосфере и мезосфере, где молекулы озона играют ключевую роль в атмосферных процессах.

Объектом исследований в данной работе является наблюдаемая по собственному тепловому радиоизлучению земная атмосфера, предметом изучения — радиофизические методы и исследуемые этими методами изменения вертикального распределения атмосферного озона.

Как отмечалось выше, происходящие изменения в атмосфере, в ее защитном озонном слое являются предметом широкого обсуждения на представительных международных научных форумах и рассматриваются в качестве одной из важнейших проблем, с которой столкнулось человечество. Помимо работ в ФИАН, большой вклад в изучение изменений в атмосфере, в защитном слое атмосферного озона внесен коллективами ведущих отечественных организаций ИФА РАН, ИРЭ РАН, ИЭПХФ РАН, ИПФ РАН, ИПМ РАН, ИЗМИРАН, ИОФ РАН, ИГКЭ, МГУ, СПбГУ, ИОА СО РАН, ЦАО, ГГО, ИПГ и др., а также зарубежными исследователями [6−23].

Важный вклад в рассматриваемую проблему сделан в работе А. В. Гуревича, А. Г. Литвака, А. Л. Вихарева, О. А. Иванова, Н. Д. Борисова, К. Ф. Сергеичева [6], где представлен цикл теоретических исследований .и лабораторных экспериментов, в котором продемонстрирована принципиальная возможность генерации озона в стратосфере с помощью локального СВЧ-пробоя воздуха стратосферы.

Важные аспекты математического моделирования в проблемах окружающей среды рассмотрены в работах Г. И. Марчука (см., например, [8, 9]). Большой цикл трудов Г. И. Марчука посвящен моделированию климата и его изменений, исследованию проблем теории крупномасштабных атмосферных процессов и разработке численных методов решения прогностических задач. Исследования по диагностике климатических изменений выполнены И. И. Моховым.

В исследованиях по проблемам дистанционного зондирования атмосферы нашла широкое применение теория решения обратных задач, основанная на фундаментальных работах А. Н. Тихонова.

Исследованиям излучения верхней’атмосферы посвящена книга Н. Н. Шефова, А. И. Семенова, В. Ю. Хомича «Излучение верхней атмосферы — индикатор ее структуры и динамики», М. ГЕОС, 2006.

Широкую известность получили ставшие классическими книги А. Х. Хргиана и Г. И. Кузнецова [16] и С. П. Перова и А. Х. Хргиана [17].

В книге С. П. Перова и А. Х. Хргиана [17], вышедшей в 1980 г., дано, в частности, подробное описание различных методов наблюдений озоносферы: контактных и дистанционных, бортовых и наземных, и прозорливо отмечена перспективность наблюдений вертикального распределения озона радиоастрономическими методами на миллиметровых радиоволнах, выполненных за рубежом с поверхности Земли в конце 60-х гг.

Проблеме атмосферного озона и возможного разрушения озонного слоя посвящены известные книги А. Д. Данилова [19] и Э. Л. Александрова, Ю. А. Израэля, И. Л. Кароля, А. Х. Хргиана [20].

В последние годы достигнуты значительные успехи в развитии отечественной системы мониторинга атмосферы и ее озонного слоя. Под руководством Г. С. Голицина и Н. Ф. Еланского создана уникальная передвижная лаборатория в рамках проекта «TROICA». Под руководством В.В.Зуева1 проводится комплексный мониторинг озоносферы на Сибирской лидарной станции. Создана лидарная сеть CIS-LiNet на пространстве СНГ. Под руководством И. Л. Кароля и А. М. Шаломянского исследуются вариации общего содержания озона по данным наземной озонометрической сети России. Новые результаты по мониторингу озонного слоя контактными и дистанционными методами получены В. У. Хаттатовым и В. А. Юшковым с помощью высотного самолета М-55 «Геофизика». Под руководством Ю. М. Тимофеева разрабатываются и совершенствуются спутниковые методы мониторинга газового состава атмосферы. Важный вклад в исследования озона и других атмосферных газов сделан ЮЛ. Борисовым, Б. Ф. Гордиецом, А. Н. Груздевым, Б. В. Дементьевым, Н. Ф. Еланским, Е. А. Жадиным, В. В. Ивановым, В. С. Косцовым, А. М. Кручсницким, И. К. Лариным, А. В. Поляковым, А. И. Семёновым, В. А. Юшковым и др.

Большое значение в системе мониторинга озоносферы Земли и исследовании климата имеют численные фотохимические модели — работы И. Л. Кароля, А. А. Криволуцкого, И. И. Мохова, А. М. Фейгина и др.

Вместе с тем, как отмечалось, например, в материалах Всероссийской конференции «Развитие системы мониторинга состава атмосферы (РСМА)», состоявшейся в Москве 16−18 октября 2007 г., в России отсутствует наблюдательная база, необходимая для создания системы мониторинга высотного распределения озона и других малых газовых составляющих в средней атмосфере, также как отсутствует отечественная система глобальных спутниковых наблюдений вертикальных распределений озона и других МГС. В докладах, представленных автором данной диссертации на этой конференции, изложены результаты работ в ФИАН по развитию актуального направления — мониторингу озоносферы радиофизическими методами на ММ-волнах, и сделан вывод о необходимости создания отечественной наземной сети для мониторинга озоносферы этими высокоэффективными методами.

Результаты работ ФИАН по развитию радиофизических методов и первых шагов к созданию отечественной сети мониторинга озоносферы на ММ-волнах были доложены автором диссертации на ХХП Всероссийской конференции «Распространение радиоволн» в сентябре 2008 г. и поддержаны Решением этой конференции.

Развитию этого актуального научного направления посвящена данная диссертационная работа.

Цели и задачи работы Целью данной работы является развитие радиофизических методов исследования озоносферы по ее тепловому излучению на ММ-волнах, создание отвечающей современным требованиям чувствительной спектральной аппаратуры, мониторинг вертикального распределения озона, изучение методами радиофизики физических явлений в земной атмосфере, в ее озонном слое.

Целью первого этапа работы было теоретическое исследование спектров теплового радиоизлучения атмосферы. На основе численных экспериментов были сформулированы задачи наблюдений атмосферы и ее озонного слоя радиофизическими методами, сформулированы требования к спектральной аппаратуре. Целью следующих этапов было создание отвечающих этим требованиям спектрорадиометров, проведение наблюдений вертикального распределения озона (ВРО) и анализ полученных результатов [32,33, 3847].

В' задачи наблюдений вошло изучение происходящих в озоносфере изменений в широком диапазоне высот (от нижней стратосферы и до мезосферы), включая высоты, наиболее чувствительные к техногенным загрязнениям, и в широком диапазоне характерных времен (короткопериодных, сезонных, межгодовых и более долговременных изменений).

Среди рассмотренных важнейших задач были задачи, связанные с участием в комплексных исследованиях атмосферы по международным программам [56−58,59,60], с подспутниковыми наблюдениями озоносферы, а также с выработкой практических рекомендаций по результатам работы.

Уникальные возможности радиофизических методов рассмотрены в данной работе на примере исследований высотно-временного распределения содержания озона, полученного в результате многолетних наблюдений озоносферы на миллиметровых волнах с помощью разработанных высокочувствительных спектрорадиометров.

К началу данной работы над созданием методов и апаратуры для мониторинга озоносферы на ММ волнах в нашей стране уже были достигнуты успехи в изучении условий распространения радиоволн этого диапазона, были выполнены первые в нашей стране исследования оптической толщины атмосферы в ММ диапазоне волн и в том числе на частотах спектральных линий молекул озона с помощью транспортабельных радиометров (работы НИРФИ, ИПФ РАН) [25]. В последние годы наблюдения атмосферного озона на миллиметровых волнах в России проводятся также и в Госуниверситете Н.Новгорода.

За рубежом первые наблюдения спектров атмосферного озона были выполнены с помощью радиотелескопов США [52−54] на частотах 101,7 ГГц и 110,8 ГГЦ в 60−70-х гг. Позднее наблюдения атмосферного озона с помощью крупных радиотелескопов проводились также на ММ волнах во Франции, Японии и Швеции. При этом наблюдения озоносферы на ММ волнах в этих работах имели эпизодический характер в перерывах между проводимыми астрофизическими наблюдениями.

В зарубежных организациях, где была позднее создана автономная аппаратура для исследований озоносферы на ММ волнах (в США, Франции, Германии, Швейцарии, Японии), проводились относительно непродолжительные наблюдения, как правило, в периоды международных геофизических кампаний. Лишь в последние годы (значительно позднее начала проведения в ФИАН мониторинга озоносферы) вступили в строй озонометрические комплексы диапазона ММ волн в составе зарубежной наземной сети NDSC (NDACC), размещенные во Франции, на Шпицбергене, в Антарктиде и в др. обсерваториях.

Вместе с тем, к началу выполнения исследований по теме данной работы отсутствовали регулярно проводимые продолжительные (многолетние) наблюдения на ММ волнах вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере и существовал соответственно пробел в знаниях о состоянии озоносферы, о вариациях содержания озона в этих труднодоступных слоях атмосферы. В том числе отсутствовали полученные на основе таких наблюдений данные об особенностях высотно-временного распределения озона и изменениях в озоносфере (защитном озонном слое) над такой густонаселенной областью, как Московский регион. Не было однозначных ответов на вопрос, что происходит с вертикальным распределением озона в условиях естественных возмущений атмосферы и при неконтролируемых антропогенных нагрузках на нее. Не ясна была степень влияния. процессов в полярном стратосферном вихре Северного полушария, где, как теперь хорошо известно, происходит разрушение озона, на высотное распределение озона средних широт.

Необходима была экспериментальная проверка гипотез:

— О влиянии крупномасштабных атмосферных процессов на вертикальное распределение озона в средних и верхних слоях стратосферы и в мезосфере .

— О начальных стадиях прогнозируемого разрушения озона в чувствительной к техногенным воздействиям области озоносферы (высоты около 40 км) над средними широтами.

— О связи изменений в озоносфере над средними широтами в холодное полугодие с развитием полярного вихря.

— Об изолированности бедного озоном воздуха в полярном вихре.

Известная справочная модель озоносферы и ее улучшенный вариант, опубликованный в 1996 г. и вошедший в справочную атмосферу COSPAR [61], были построены по данным спутниковых наблюдений озонного слоя в 1978;1983 гг., т. е. до обнаружения аномальных явлений в озонном слое (озонные «дыры» и др.). Данные этой модели не отражают происшедшие с тех пор изменения и не содержат сведения о региональных особенностях этих изменений.

Дистанционное зондирование озона и ряда других малых газовых составляющих в последние годы выполнялось не только оптическими методами, но также и на миллиметровых и субмиллиметровых волнах со спутников UARS, ODIN, EOS AURA.

Спутниковые методы, основанные на наблюдениях у горизонта, при относительно высоком вертикальном разрешении дают низкое пространственное разрешение вдоль луча зрения, которое составляет несколько сотен километров (например, телескопы в эксперименте CRISTA характеризовались разрешением вдоль луча от 300 до 500 км [56]). Действующие и готовящиеся к запуску спутники (ERS-2, ENVISAT-1, AURA и др.), к сожалению, не могут дать достаточно плотные ряды данных для детального изучения вариаций вертикальных распределений малых газовых составляющих над выбранным районом и должны быть дополнены данными с наземных станций. Кроме того, спутниковая аппаратура нуждается в постоянном контроле путем регулярного сопоставления результатов наблюдений из космоса с данными подспутниковых измерений на наземных станциях, в том числе с использованием наземных радиофизических методов дистанционного зондирования на миллиметровых волнах (см., например, [56]).

Радиофизические исследования в данной работе как раз и были направлены на то, чтобы внести вклад в заполнение упомянутого выше пробела в знаниях о состоянии озоносферы.

Решение указанных выше задач, включая создание аппаратуры и развитие методов изучения земной атмосферы, ее озонного слоя радиофизическими методами, составляют основу данной работы.

Характерной чертой данной работы является выполнение теоретических исследований по оптимизации условий эксперимента и характеристик экспериментальной аппаратуры с последующим созданием такой аппаратуры и методик, а также проведением экспериментов с помощью этой аппаратуры, с последующей обработкой, анализом и интерпретацией полученных результатов наблюдений и выработкой соответствующих практических рекомендаций для их внедрения.

Касаясь научной новизны данной работы, необходимо отметить, недостаточную освоенность в научном и практическом плане рассматриваемого участка спектра. Так, например, к началу работы по рассматриваемой проблематике отсутствовали возможности проведения многолетнего мониторинга на миллиметровых волнах вертикального распределения атмосферного озона в стратосфере и мезосфере, с целью изучения изменений различного масштаба времени в труднодоступных для традиционных методов слоях озоносферы.

Новыми являются созданные аппаратура, методы и полученные, результаты исследований, иллюстрирующие эффективность радиофизических методов, примененных для решения рассматриваемых проблем. К новым результатам относятся следующие положения:

1. Сформулированы требования к спектральной аппаратуре и к условиям проведения наземных экспериментов на ММ волнах. Сделаны оценки ожидаемых при таких наблюдениях эффектов. Созданная радиометрическая аппаратура удовлетворяет предъявленным к ней требованиям.

2. Разработаны оригинальные методы наблюдений атмосферного озона и обработки получаемой информации, включающие оригинальную методику решения обратной задачи* - восстановления вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере из измеренных спектров. Созданные высокочувствительные супергетеродинные спектрорадиометры 2-х миллиметрового диапазона волн, характеризуются" оригинальной конструкцией и оптимизированными спектральными характеристиками.

3. С помощью наземных спектрорадиометров впервые выполнены многолетние (с 1987 г. по настоящее время) регулярные наблюдения атмосферного озона над Московским регионом на ММ волнах.

4. Построено' высотно-временное распределение содержания, озона. Получены новые данные о-вертикальном распределении озона и его особенностях в стратосфере и в мезосфере.

5: Впервые осуществлены совместно с ИФА РАН (на Звенигородской’научной базе) исследования верхней атмосферы методом* одновременных наблюдений спектров излучения озона на ММ волнах и гидроксила в ближнем ИК диапазоне из одной и той же области мезосферы.

6. В результате впервые проведенных (начиная с 1988 г.) одновременных наблюдений вертикального распределения озона на ММ волнах в ФИАН и в зарубежных обсерваториях получены новые данные об особенностях пространственного распределения озона.

Достоверность полученных результатов обусловлена применением в исследованиях созданных высокочувствительных радиометров, а также разработанных эффективных методик наблюдений-и обработки результатов эксперимента, адекватных требованиям-поставленных задач. Достоверность результатов подтверждена их хорошим согласием с данными независимых измерений (озонозондовые и спутниковые данные).

Выполненные автором исследования [32, 33, 37−47, 62−76] отличаются от предыдущих работ следующими положениями:

1. На основе результатов численных экспериментов сформулированы требования к условиям проведения экспериментов и к параметрам спектральной аппаратуры для исследований атмосферы в миллиметровой области спектра. Созданы удовлетворяющие этим требованиям супергетеродинные спектрорадиометры оригинальной конструкции с оптимизированными характеристиками диапазона миллиметровых волн для’атмосферных исследований с поверхности Земли. Разработана новаяметодика спектральных наблюдений атмосферного озона на миллиметровых волнах с помощью спектральной аппаратуры с оптимизированными характеристиками и создана оригинальная методика обработки полученных результатов, включающая применение алгоритмов решения обратной задачи с использованием метода регуляризации Тихонова.

2. Впервые проведены многолетние регулярные наблюдения вертикального распределения атмосферного озона в средних широтах над Московским регионом (начиная с* 1987 г. по настоящее время). Построено высотно-временное распределение содержания этого газа в широком диапазоне высот в стратосфере и мезосферевключая верхние слои атмосферы, недоступные для традиционных наземных оптических методов, лидаров, а также шаров-озонозондов.

3. В' результате осуществления практического многолетнего мониторинга вертикального распределения*озона в средних широтах (над Москвой) радиофизическими методами на ММ волнах получены важные данные о короткопериодных, сезонных межгодовых и более долговременных изменениях в озоносфере средних широт, что важно для решения актуальных задач радиофизики, аэрономии, экологии и ряда смежных областей науки и техники.

4. Разработана методика и впервые проведены (совместно с ИФА РАН) одновременные наблюдения озона на ММ волнах и гидроксила в ИЮдиапазоне из одной и той же области мезосферы. Данные о температуре на высотах мезопаузы, полученные в ИФА РАН по спектрам гидроксила, позволили повысить точность определения содержания озона в районе мезопаузы из измеренных в ФИАН на ММ волнах вращательных спектров излучения молекул озона.

5. Впервые методом одновременных наблюдений вертикального распределения атмосферного озона на миллиметровых волнах из удаленных друг от друга обсерваторий исследованы изменения в озоносфере Северного полушария, получены новые данные об особенностях влияния крупномасштабных атмосферных процессов на пространственно-временное распределение озона. Эти' данные получены в результате первых одновременных наблюдений на миллиметровых волнах в ФИАН в содружестве с обсерваториями Франции и Швеции в конце 80-х годов, а также в результате проведения комплексных исследований атмосферы по международным программам с участием ФИАН, выполненных в последующие годы. Сделан вывод о необходимости создания наземной озонометрической сети диапазона миллиметровых волн, включающей отечественные обсерватории.

При решении поставленных задач был преодолен ряд трудностей, связанных с созданием новых методик эксперимента и разработкой новой надежной и высокочувствительной аппаратуры, поскольку к началу исследований не существовало серийно освоенной промышленностью спектральной приемной аппаратуры и необходимой элементной базы для ее создания в коротковолновой части ММ' области спектра. Были преодолены также трудности, связанные с созданием высокоэффективных методик обработки информации.

Одна из задач, которая-была решена при создании новой аппаратуры и методик исследования, заключалась в математическом моделировании процессов излучения молекул атмосферных газов, в выполнении расчетов ожидаемых при наблюдениях эффектов и формулировке адекватных требований к аппаратуре и условиям экспериментов. При этом была учтена специфика задач дистанционного зондирования атмосферы, при решении которых недостаточно ограничиться только лишь определением каких-либо средних значений физических параметров, важны данные об их временных и пространственных вариациях. Регистрация этих вариаций предъявляет достаточно жесткие требования! к точности измерений соответствующих характеристик излучения. Поскольку дистанционное зондирование атмосферы приводит к решению обратных задач вида Az=u [77−89], то были предъявлены повышенные требованияк чувствительности аппаратуры и к методике решения этих задач (см. раздел 1.6.2). Сложности при решении этих задач усугубляются еще и тем, что в земной атмосфере происходят разнообразные трудно прогнозируемые, а подчас и совсем неожиданные явления, к которым, например, относятся обнаруженные нами аномальные изменения в озоносфере при появлении воздуха полярного стратосферного вихря, возникновение деформированных профилей вертикального распределения озона. Поэтому при исследовании вертикального распределения озона на ММ волнах в труднодоступных для других методов слоях стратосферы и мезосферы не приходилось рассчитывать на достоверную априорную информацию в виде статистических характеристик вертикальной и пространственной структуры полей озона во всей толще атмосферы.

Попытки решения обратных задач в силу их большой важности предпринимались достаточно давно. В то же время лишь благодаря появлению фундаментальных работ А. Н. Тихонова [79,80] была создана современная теория решения обратных задач. В основе математической постановки некорректных задач лежит понятие регуляризирующего алгоритма. В данной диссертационной работе решение основано на итерационном алгоритме [43], в котором на каждом шаге применяется метод регуляризации Тихонова, использующий весьма общую информацию о гладкости точного решения.

Научное и практическое4значение работы определяется её актуальностью. В результате проведённых наблюдений зарегистрированы и исследованы короткойериодные, сезонные и межгодовые изменения содержания озона. Обнаружены и. исследованы явления, характеризуемые значительной деформацией профилей вертикального распределения озона. Установлена связь этих явлений с крупномасштабными атмосферными процессами, с влиянием процессов в стратосферном полярном вихре. Обнаружены пониженные среднемесячные значения содержания озона в наиболее чувствительных к загрязнениям верхних слоях стратосферы.

Характеризуя значение работы, необходимо подчеркнуть следующее:

1. Созданная математическая1 модель радиоизлучения атмосферы необходима для формулировки требований к создаваемой аппаратуре и для прогнозирования результатов планируемых экспериментов по' дистанционному зондированию озона и других малых газовых составляющих атмосферы.

2. Разработанная’спектральная аппаратура и методы, включающие эффективную методику решения обратной задачи, необходимы для продолжения проводимого в ФИАН. многолетнего мониторинга озоносферы, результаты которого. получены наземными методами дистанционного зондирования, т. е. существенно более простыми средствами, чем в случае экспериментов с дорогостоящим спутниковым оборудованием.

3. В результате многолетних наблюдений зарегистрированы межгодовые, сезонные и более короткопериодные изменения ВРО.' Обнаружены явления, характеризующиеся возникновением пониженного содержания озона в чувствительных к техногенным загрязнениям верхних слоях стратосферы, а также образованием значительной деформации профилей ВРО в средних слоях стратосферы.

4. Показана эффективность созданных методов и аппаратуры для решения задач исследований озоносферы в рамках международных программ, в ходе выполнения которых получены новые данные о крупномасштабных процессах в озоносфере. На основании накопленного опыта участия в* таких комплексных программах сделан вывод о необходимости создания" отечественной наземной озонометрической сети, работающей на ММ-волнах, и ее последующее включение в состав глобальной сети обсерваторий.

5. Выполнены синхронные подспутниковые измерения вертикального распределения озона на ММ волнах, необходимые для проверки результатов наблюдений из космоса.

6. На основе результатов работы были сформулированы практические рекомендации:

Для изучения изменений в атмосфере необходимо создание наземной сети мониторинга атмосферных газов на ММ-волнах на территории нашей страны и ближнего зарубежья с последующей ее интеграцией в международную глобальную сеть. Создания этой сети приобретает особую актуальность в настоящее время, когда происходят трудно прогнозируемые изменения состояния атмосферы. В состав отечественной сети может быть включен действующий озонометрический комплекс ФИАН, а также создаваемые в ФИАН на основе современной элементной базы транспортабельные озонометры нового поколения. Важны комплексные наблюдения на ММ волнах озона, окиси хлора, азотных окислов и других газовых составляющих.

При создании новой спектральной аппаратуры и методик исследований может быть использован многолетний опыт, накопленный в ФИАН в ходе выполнения данной работы, включающей создание высокочувствительных спектрорадиометров с оптимизированными спектральными характеристиками, методов наблюдений, накопления и обработки информации и методики решения обратной задачи, а также опыт, полученный в ходе комплексных исследований атмосферы с участием отечественных и зарубежных организаций.

Перспективным для изучения мезосферных процессов являются одновременные наблюдения озона на ММ-волнах и гидроксила в ИК-области спектра из одной и той же области мезосферы по методикам, созданным в ФИАН и ИФА РАН.

Применение созданной методики наземных радиофизических исследований атмосферы весьма перспективно в целях подспутникового мониторинга атмосферы, для контроля работы и калибровки бортовой аппаратуры.

Рассмотренные в данной работе радиофизические методы необходимы для решения актуальных фундаментальных и прикладных задач, сформулированных в диссертации, для изучения изменений в атмосфере под влиянием естественных и техногенных факторов.

Результаты выполненных исследований и практических шагов к созданию отечественной сети наблюдений озоносферы на ММ-волнах показывают важность внедрения разработанных в данной работе методов в народное хозяйство, в службы экологического мониторинга с целью дальнейших наблюдений изменяющейся атмосферы на ММ-волнах, для оперативного выявления аномальных явлений на ранних стадиях их развития и наблюдения за их эволюцией.

7. Реализация полученных автором результатов исследований выполнялась по следующим направлениям:

Создание методики одновременных наблюдений озоносферы на ММ-волнах в ФИАН и в зарубежных обсерваториях и единой методики обработки и анализа полученных данных [40].

Проведение в ФИАН в содружестве с ИПФ РАН исследования пространственного распределения озона на ММ волнах методом одновременных наблюдений озоносферы из двух пунктов нашей страны (Москва, Апатиты) [63,73]. Эти наблюдения явились практическими шагами к созданию отечественной наземной сети для наблюдения озоносферы на ММ' волнах. Показана, реальная возможность осуществления отечественной озонометрической сети, работающей на ММ волнах.

Разработка оригинальной методики синхронных наблюдений верхней атмосферы в ФИАН в содружестве с отделом физики верхней атмосферы ИФА РАН [64].

Внедрение созданных в ФИАН озонометрической аппаратуры с и методик наблюдения* в комплексные исследования' атмосферы в составе глобальной, озонометрической сети [57, 58, 59, 60, 69]. Полученные нами новые данные о •ВРО'были вкладом ФИАН в решение задач указанных международных программ. ;

Передача результатов исследований и научных разработок ФИАН в другие заинтересованные организации [66, 67, 69, 81]. ,.

Подспутниковый мониторинг вертикального распределения озона [82] .

Развитие методов и создание аппаратуры нового поколения на основе накопленного в ФИАН опыта спектральных исследований озоносферы на ММ волнах (в кооперации с академическими, промышленными организациями и университетами) [75].

Личный вклад автора.

Вклад автора в проведённые исследования заключался в постановке задач исследований, в формулировке требований к аппаратуре и в её создании, в разработке методов наблюдения и обработки информации, в проведении мониторинга озоносферы, анализе полученных результатов исследований и рекомендации по их внедрению.

Разработка спектральной аппаратуры, новых методов наблюдений^ и обработки информации1 выполнялась автором в руководимой им группе спектроскопии миллиметровых волн в отделе спектроскопии Отделения, оптики ФИАН (к.ф.-м.н. С. Б. Розанов, к.ф.-м.н. Е. П. Кропоткина, А. Н. Лукин, к.ф.-м.н. А.Н.Игнатьев).

Криостаты разработаны В. Ф. Троицким в криогенном отделе ФИАН. Анализаторы спектра разработаны в ИПФ РАН с участием ФИАН.

Автором исследованы свойства сходимости предложенного К. П. Гайковичем итерационного алгоритма с применением метода регуляризации Тихонова и выполнен анализ точности решения обратной задачи с помощью этого алгоритма.

Автор являлся инициатором и участником проведения в период с 1988 по 1990 гг. первых одновременных наблюдений озоносферы на ММ-волнах в 2-х и 3-х миллиметровых окнах прозрачности атмосферы из удаленных друг от друга обсерваторий (в ФИАН) на 142,2 ГГЦ, в обсерваториях Франции (Bordeaux Observatory, France-) и Швеции (Onsala. Space Observatory, Sweden) на 110,8 ГГц с целью, изучения влияния крупномасштабных атмосферных процессов на пространственно-временное распределение озона.

Автором с сотрудниками успешно выполнена' программа подспутниковых наблюдений вертикального распределения, озона над Москвой на ММ-волнах, а также проведены исследования (вчасти ФИАН) по международным программам' DYANA, CRISTA/MAHRSI, SOLVE 2000.

Совместно с А. И. Семеновым,(ИФА РАН) и Е. П. Кропоткиной, автором проведены исследования верхней атмосферы путем одновременных, наблюдений на ММ волнах мезосферного озона (ФИАН) и гидроксила в ИК диапазоне (ИФА РАН). (.

Результаты совместных наблюдений, озоносферы, выполненных автором с сотрудниками в ФИАН в содружестве, с ИПФ РАН, показали реальную возможность осуществления отечественной озонометрической сети, работающей на ММ-волнах.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований автора составили основу проектов, выполненных в ФИАН в рамках отечественных и международных научных программ исследований атмосферного озона. К ним относятся выполнявшиеся под руководством автора (в части ФИАН) научные проекты по программам: «Интеграция» (проект ИО 679/908), Федеральная целевая научно-техническая программа (госконтракт № 43.044.11.2642 от 31.01.2002 г.), Программа фундаментальных исследований ОФН РАН1 «Проблемы радиофизики», поддержанные РФФИ и выполненные под руководством автора1 проекты №№ 96−02−19 093, 99−02−18 132, 03−217 436, поддержанные ISF проект № NAJ000, поддержанный ISF и Правительством РФ проект № NA1300, а также исследования по программам международного сотрудничества с обсерваториями Франции, Швеции и Южной Кореи.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Разработанные радиофизические методы и аппаратура для мониторинга озоносферы обеспечивают надежную регистрацию с поверхности Земли вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере. С помощью этих методов и аппаратуры выполнен многолетний мониторинг атмосферного озона, включая наблюдения озоносферы в составе глобальной озонометрической сети по международным программам и подспутниковые наблюдения.

2. Созданная спектральная аппаратура для мониторинга вертикального распределения озона на миллиметровых волнах удовлетворяет требованиям, сформулированным на основании численных экспериментов, и характеризуется следующими параметрами:

Центральная рабочая частота — 142,175 ГГц.

Ширина диаграммы направленности антенной системы — 1,5°.

Ширина полосы анализируемых частот составляет 475 МГц.

Количество спектральных каналов — 96.

3. Частоты и полосы пропускания спектральных каналов оптимизированы для надежной регистрации спектров озона, частотное разрешение спектрорадиометра меняется от 0,1 МГц в центре полосы анализа (в центре линии) до 20 МГц на её краях.

4. Полученное в результате мониторинга высотное распределение озона в стратосфере и мезосфере над Москвой характеризуется изменениями различного масштаба времени, которые отражают особенности эволюции озоносферы: зарегистрированы межгодовые, сезонные и более короткопериодные изменения вертикального распределения стратосферного озона, обнаружена значительная деформация профилей озона в отдельные периоды холодного полугодия установлена связь вариаций содержания озона с крупномасштабными атмосферными процессами, с влиянием процессов в полярном стратосферном вихре на озоносферу умеренных широт обнаружены межсуточные и более короткопериодные вариации излучения мезосферного озона зарегистрировано пониженное содержание озона в наиболее чувствительных к техногенным воздействиям слоях верхней стратосферы.

Апробация результатов работы.

Результаты работы, положенные в основу диссертации, опубликованы в рецензируемых журналах, неоднократно были представлены на отечественных и международных конференциях:

2-й, 3-й, 4-й Всес. школах-симп. по распространению ММи субМ-волн в атмосфере (Фрунзе, 1986, Харьков, 1989 г., Н. Новгород, 1991 г.), 2-м и 4-м Всес. симп. по ММи субММ-волнам (Харьков, 1984, 1987, гг.), XX, XXI, XXIII съездах по спектроскопии (Киев, 1988 г., Звенигород, 1995 г., Звенигород, 2005 г.), 14-й, 16-й Всес. Конференциях по распространению радиоволн (Ленинград, 1984 г., Харьков, 1990 г.), 17-й, 18-й, 19-й, 20-й, 21-й, 22-й Всеросс. научн. конф. по распространению радиоволн (Ульяновск, 1993 г., С. Петербург, 1996 г., Казань, 1999 г., Н. Новгород, 2002 г., Йошкар-Ола, 2005 г., п. Лоо, 2008 г.), Всес. конференции по атмосферному озону (Суздаль, 1988 г.), 21 Всес. конференции Радиоастрономическая аппаратура (Ереван, 1989 г.), Всес. симпозиуме «Геофизические аспекты переноса примесей в верхней атмосфере» (Обнинск, 1990 г.), XVI General Assembly of the European Geophysical Society (Wiesbaden 1991), Научн. конф. «Применение дистанционных радиофизических методов в исследовании природной среды» (Муром, 1992 г.), XVII General Assembly of the European Geophysical Society (Edinburg, 1992), International Workshop on Electrodynemics and composition of mesosphere (N. Novgorod, 1992), 2-th, 3-rd, 4-th Int. Symp. Phys. and Eng. of MM and submillimeter waves (Kharkov, 1994, 1998, 2001), 1-й, 2-й, 3-й, 4-й Всеросс. научной конф. «Физические проблемы экологии» (Москва, 1997 г., 1999' г., 2001 г., 2004 г.), Всеросс. научн. конф. «Применение дистанционных радиофизических методов» (Муром, 1999 г.), Int. Radiat. Symp. «Current Problems in atmospheric Radiation» (St.-Petersburg, 2000), Юбилейной Всеросс. научной конференции «Фундаментальные исследования взаимодействия суши океана и атмосферы» (Москва 2002 г.), Международной конференции «Ломоносов 2004» (Москва, 2004 г.), Международных симпозиумах стран СНГ «Атмосферная радиация» МСАР-99, -МСАР-2002, МСАР-2006 (С.-Петербург, 1999, 2002, 2006гг.), 9-й Всеросс. школе-семинаре «Волны 2004» (Звенигород, 2004г), SPIE’s Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere XI Conference (Stockholm, Sweden, 2006), 1-й, 2-й, 3-й, 4-й Всеросс. научных конференциях «Необратимые процессы в природе и технике» (Москва, 2001 г., 2003 г., 2005 г., 2007 г.), Всеросс. семинарах по радиофизике ММи субММ-диапазонов (Н.Новгород, 2005 г., 2007 г.).

По результатам работы сделано свыше 100 публикаций.

Общая структура работы.

Работа состоит из введения, 6 глав и заключения, содержит 289 страниц текста и 104 рисунка.

Содержание работы.

В главе 1 сформулированы актуальные задачи радиофизических исследований озоносферы. Отмечается важная роль математического моделирования для прогнозирования результатов экспериментов и выработки требований к создаваемой спектральной аппаратуре. Представлены примеры результатов выполненных расчетов спектров теплового излучения атмосферы на ММ-волнах. Сформулирована задача создания высокочувствительной спектральной аппаратуры и эффективных методов дистанционного зондирования озоносферы на миллиметровых волнах, выполнения многолетнего мониторинга вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере.

В главе 2 представлены результаты математического моделирования радиоизлучения атмосферы для различных условий наблюдения.

Расчеты спектрального состава излучения выполнялись с учетом спектральных линий Оз, Оз, HzO, СЮ, N2O, NO, NO2, и других малых газовых составляющих (МГС) атмосферы* дляразличных условий наблюдения. Результаты выполненных расчетов интенсивности излучения и значений оптических толщин на. частотах спектральных линий озона, окиси хлоразакиси-азота и др. газов-важны.для оптимизации планируемых экспериментов. по изучению содержания этих малых газовых составляющих в различных слоях атмосферы спектральными радиофизическими методами. ,.

Педставлены результаты расчетов1 спектров излучения1 атмосферыначастотах выбранной' спектральной линии озона с центром на 142,175v ГГц при наблюдениях с поверхности Земли. Рассчитан вклад молекул озона в излучение атмосферы в зависимости от зенитного' угла наблюдения и от влагосодержания тропосферы. Выполнены оценки чувствительности формы результирующей спектральной" линии к изменениям вертикального распределения содержания озона в стратосфере и мезосфере. Показана реальность обнаружения радиофизическими методами изменений в озоносфере, вызванных естественными причинами (сезонными вариациями, влиянием атмосферной динамики, фотохимическими явлениями и др.), а также техногенными загрязнениями атмосферы. Выполнены расчеты ожидаемых эффектов при наблюдениях мезосферного озона с поверхности Земли. Описан алгоритм решения обратной задачи, основанный на методе регуляризации Тихонова.

Представлены результаты расчетов по оптимизации характеристик спектрорадиометра для наблюдений вертикального распределения озона на ММ-волнах с поверхности Земли. На основании, результатов численных экспериментов сформулированы требования к основным параметрам спектрорадиометра.

На основе численных экспериментов1 исследована точность восстановления различного вида профилей ВРО с учетом выбранных значений параметров спектрорадиометра. Получено, что по точности восстановленных профилей ВРО разработанная методика не уступает известным аналогам в зарубежных обсерваториях.

В главе 3 изложены принципы построения радиометрической аппаратуры для атмосферных исследований на ММволнах. Рассмотрены основные соотношения, описывающие чувствительность радиометра, характеристики антенной системы, соотношения, используемые при калибровке аппаратуры. Приведен обзор характеристик известных спектрорадиометров для дистанционного зондирования атмосферного озона на ММ-волнах, представлены характеристики спектрорадиометра ФИАН. По чувствительности спектрорадиометр ФИАН превосходит работающие на той же частоте зарубежные аналоги — озонометрические комплексы университетов Берна и Бремена.

В’главе 4 представлено описание размещенного в Москве спектрорадиометра, для наблюдений вертикального распределения озона.

Рассмотрены основные узлы действующего спектрорадиометра и их характеристики, описаныметодики исследования и результаты измерений основных характеристик созданной аппаратуры. Сопоставление шумовых параметров* спектрорадиометра ФИАН и характеристик входящего в его состав смесителя с соответствующими параметрами,. известных аналогов, показало, что спектральная аппаратура ФИАН соответствует уровнюлучших отечественных и зарубежных аналогов, использующих смесители на планарных диодах с барьером Шоттки.

Рассмотрены разработанные методики настройки и регламентных проверок спектрорадиометра ФИАН.

Описана методика спектральных наблюдений атмосферного озона на ММ волнах, позволившая получать в течение многих лет наблюдений ряды надежных экспериментальных данных с информацией о вертикальном распределении содержания озона и его вариациях.

В главе 5 представлены результаты наблюдений атмосферного озона на миллиметровых волнах в ФИАН, полученные в период с 1987 по 2008 гг.

Дана общая характеристика программы наблюдений, соответствующей задачам, сформулированным в главе 1.

Представлены результаты наблюдений вертикального распределения озона над Московским регионом, выполненных по международным программам. Представлены результаты, выполненных впервые на ММ-волнах одновременных наблюдений вертикального распределения озона из удаленных друг от друга наземных обсерваторий: на 142,175 ГГц над Московским регионом, на 110,8 ГГц над Швецией в Космической обсерваторией Онсала и над Францией в обсерватории университета г. Бордо в период.

1988 -1990 гг. Были проанализированы также результаты проведенных в более поздний период, в 1997;2003 гг., одновременных наблюдений озоносферы на 142,175 ГГц в ФИАН и на Шпицбергене. Отмечена важность создания отечественной наземной сети мониторинга озоносферы на миллиметровых волнах.

Представлены результаты наблюдения на ММ волнах высотно-временного распределения озона в стратосфере и мезосфере над Москвой в 1996;2008 гг., подробно" рассмотрены его особенности. Зарегистрированы деформированные профили вертикального распределения отношения смеси озона С03, установлена связь этого явления с особенностями атмосферных процессов. Обнаружены эффекты образования мелкомасштабной структуры на вертикальных профилях С03 на высотах около 30 км.

Приведены результаты сопоставления со спутниковыми данными. Получено их хорошее соответствие.

Впервые осуществлены одновременные наблюдения излучения из одного и того же участка неба ночного мезосферного озона на ММ волнах (ФИАН) и гидроксила в инфракрасной области спектра (ИФА РАН). Зарегистрирован суточный ход мезосферного озона. Обнаружены значительные межсуточные и более короткопериодные вариации ночного мезосферного озона.

В главе 6 рассмотрены" закономерности высотно-временного распределения озона над Москвой • и приведено обсуждение результатов наблюдений. Представлены данные, иллюстрирующие изменчивость вертикального распределения озона различного масштаба времени. Обсуждаются особенности сезонного хода стратосферного озона, на фоне которого происходят более короткопериодные вариации.

Представлены результаты анализа корреляционных связей между содержанием озона на разных высотных уровнях стратосферы и другими параметрами атмосферы. Рассчитаны средние значения и среднеквадратические отклонения содержания озона для разных высотных уровней и сезонов, построены гистограммы для отклонений содержания озона от средних значений.

Сделан вывод, что изменчивость озона, наблюдаемая на фоне сезонного хода, обусловлена процессами атмосферной динамики, а обнаруженные межгодовые изменения в высотно-временном распределении озона отражают происходящие год от года изменения крупномасштабных атмосферных процессов.

Проанализированы результаты наблюдений на ММ-волнах содержания озона в верхних слоях стратосферы. Сделан вывод о важности радиофизических методов для исследования эволюции озоносферы.

Заключение

содержит основные результаты работы и выводы.

6.8. Выводы к главе 6.

Анализ полученных на миллиметровых волнах данных о высотно-временном распределении озона показал следующее:

1. Наблюдающиеся сезонные изменения содержания озона, его годовой ход, качественно соответствуют данным справочной модели озоносферы CIRA86 (COSPAR).

Вместе с тем обнаружено заметное систематическое отклонение результатов измерений на ММ волнах от этой модели, наиболее существенное в холодные полугодия: В отдельные периоды содержание озона на высотах средней и верхней стратосферы-(25−45 км) уменьшалось на 40−50% от значений модели. Такие явления, зарегистрированные на высотах, как правило, совпадали по времени с некоторым уменьшением (обычно на 1015%) общего содержания озона, измеренного над Московским регионом оптическими методами в Центральной аэрологической обсерватории. Анализ результатов наблюдений ВРО над Москвой показал заметную межгодовую измёнчивость характеристик высотного распределения озона, которая оказалась связанной с. изменением год от года характера крупномасштабных атмосферных процессов.

2. Помимо годового хода имеется также более быстропротекающие изменения^ озона, образующие «шум» озоносферы* с характерными временами вариаций от нескольких дней до: нескольких недель. Обнаруженной закономерностью явилось увеличение амплитуды короткопериодных колебаний содержания озона при: переходе от лета к зиме:

3: Анализ показал, что обнаруженные короткопериодные колебания^ содержания озона связаны с, изменениями и других параметров: стратосферы: высотыизобарических поверхностейпотенциальной* завихренности, температуры и общего содержания^ озона (ОСО). Получено, что* изменения содержаниястратосферного озонаблизки по фазе к изменениям высоты изобарической поверхности: и происходят в противофазе. с изменениями потенциальной завихренности.

4. Исследованы корреляционные связимежду содержанием озона: наразных. высотах и другими характеристиками* стратосферы (включая общее содержание озона). Были получены, значения" коэффициентов? корреляциидля ОСО1 и содержания озонана различных. высотных уровнях стратосферы, которые, например, на высотных: уровнях- 10 мбар и 2,5 мбар составили 0,78*0,05 и, 0,66*0,07 соответственноЭти. результаты' показывают,.что полояштельная^корреляционная зависимость ВРО и ОСО’существует до верхних слоев стратосферы, причем выше 45 км эта зависимость ослабевает. Подобный же вывод сделан и при рассмотрении корреляционных связей между содержанием озона на разных высотных уровнях и потенциальной завихренностью^ а также между озоном и высотами соответствующих изобарических поверхностей. Полученные высокие значения (по модулю) коэффициентов корреляции между содержанием озона и PV в, средних слоях стратосферы примерно до 45 км таюке свидетельствуют о существовании связи между слоями стратосферы и о значительном влиянии крупномасштабных циркуляционных процессов на содержание озона в этих слоях над Москвой в зимний период.

Установленные корреляционные: связимежду содержанием озона и другими параметрами, атмосферы могут быть использованыдля прогнозирования изменений в озоносфере. '.

5. Наблюдения показали, что" географическое расположение пункта наблюдений в Москве оказывается удобным для изучения вертикального распределения озона не только в. воздухе, характерном для умеренных широт, но и в арктическом воздухе при часто возникающей смене воздушных масс в стратосфере над Москвой в холодное полугодие. Арктический воздух с. пониженным содержанием озона может сохраняться над Москвой в холодные полугодия продолжительное время. Такое состояние озоносферы в полярном вихре первоначальнохарактеризуется содержанием озона, составляющим всего около 3-Ю" 6 + 4-Ю'6 в слоях между 25 и 45 км, что в 1,5−2 раз ниже содержания озона вне вихря и данных справочной модели [12]. Показано, что под влиянием динамических и фотохимических процессов в зимние периоды происходит значительная деформация-вертикального распределения озона. В зимние периоды нередко наблюдаются профили вертикального распределения озона с локальным минимумом, расположенным в области высот примерно на 30 км, что согласуется с данными других измерений и результатами численного моделирования.

Как показали одновременные наблюдения озоносферы в ФИАН и в других обсерваториях (см. главу 5), явления значительного уменьшения содержания озона’на рассмотренных высотах охватывают большую часть стратосферы, включающую высокие широты и те области средних широт, куда смещается воздух полярного вихря.

6. Анализ результатовнаблюдений над Москвой, в холодные полугодия, показал, что минимальное содержание озона было зарегистрировано в воздухе полярного1 вихря, а максимальное — вне полярного вихря. Полученные в ФИАН, данные-свидетельствуют о ¦ постепенном увеличении содержания озона в средней и верхней стратосфере внутри полярного вихря и о тенденции к постепенному уменьшению контраста между содержанием озона внутри вихря и вне его к концу холодного полугодия. Полученные в ФИАН результаты наблюдений согласуются с данными других экспериментов по исследованиям озона в воздухе полярного вихря. В предположении, что эффекты заполнения вихря озоном обусловлены в основном постепенным перемешиванием воздуха вихря с воздухом средних широт, как это считается в ряде последних зарубежных работ, то в этом случае можнополагать, что степень изоляции воздуха вихря уменьшается во время активизации планетарных волновых процессов, при стратосферных потеплениях, что и приводит к постепенному проникновению богатого озоном воздуха средних широт внутрь полярного вихря через его границу. Причем скорость такого проникновения определяется как раз степенью изоляции воздуха вихря. Таким образом изолированность воздуха внутри вихря не является абсолютной и зависит от интенсивности крупномасштабных волновых процессов. Рост этой интенсивности приводит к снижению степени изолированностивихря и к постепенному увеличению содержания озона внутри полярного вихря- - примерно до 2 раз к конце холодного периода. Обнаружена значительная межгодовая изменчивость скорости увеличения озона в вихре.

7. Обнаружены колебания содержания озона в стратосфере с периодами, характерными для планетарных волн. Полученные результаты наблюдений показывают связь обнаруженных колебаний в озоносфере над Москвой со смещениями полярного вихря и с изменениями его формы. Область высот, на которых эти колебания содержания озона имеют заметную амплитуду, простирается до верхних слоев стратосферы, ослабевая в районе стратопаузы (область фотохимичнеского равновесия озона).

8. Сопоставляя полученные в ФИАН данные о вертикальном профиле озона в мезосфере и нижней термосфере над Московским регионом с данными спутниковых экспериментов (см. раздел 5.6) в других регионах Земного шара, включая и Южное полушарие, можно сделать вывод о том, что наблюдаемая структура озоносферы характерна для верхней атмосферы высоких широт обоих полушарий Земли.

Полученные на ММ волнах в ФИАН новые результаты, свидетельствуют о мсжсугочных и более короткопериодных вариациях мезосферного озона, которые сложно зарегистрировать с искусственного спутника Земли. Получаемая при таких наблюдениях информация обеспечивается более простыми средствами, чем в случае дорогостоящих спутниковых экспериментов.

9. Зарегистрированные в последние годы на ММ волнах более низкие (по сравнению сданными справочной модели озоносферы) среднемесячные значения содержания озона в наиболее чувствительных к техногенным воздействиям слоях атмосферы, могут быть связаны с долговременным уменьшением содержания озона. Это уменьшение содержания озона согласуется с результатами других экспериментов и с известными теоретическими данными. Данные о высотно-временном распределении озона над Москвой являются частью более общей глобальной картины эволюции озоносферы в условиях естественных и техногенных возмущений. Для исследования долговременных изменений в озонном слое необходимо продолжение мониторинга озоносферы.

10. Результаты выполненных нами наблюдений свидетельствуют о том, что под влиянием атмосферных процессов происходят значительные изменения условий распространенияММ и субММ радиоволн в стратосфере и мезосфере на частотах спектральных линий озона. Эти изменения' обусловлены значительными вариациями содержания озона.

11. Полученные результаты исследований свидетельствуют о важности изучения эволюции озоносферы радиофизическими методами.

12. На основе накопленного опыта исследований атмосферы в лаборатории спектроскопии ФИАН проводятся работы в кооперации с академическими, отраслевыми организациями и университетами по созданию аппаратуры нового поколения на основе современной элементной базы (твердотельных гетеродинов, НЕМТ-усилителей, микрокриогенной техники, цифровых и акустооптических анализаторов спектра и др.) для дистанционного зондирования на ММ волнах атмосферного озона, окиси хлора и др. малых газовых составляющих, для создания отечественной сети обсерваторий, работающих на ММ волнах [73,74]. Совершенствуются методы обработки информации, включая развитие методов решения обратной задачи применительно к зондированию указанных газовых составляющих [75]. ' 1.

13. Отмечены следующие перспективные направления развития аппаратуры и методов:

Развитие приемных систем, повышение чувствительности. Перспективным является применение НЕМТ-усилителей, а также сверхпроводящих СИС-переходов.

Развитие систем спектрального анализа принимаемого сигнала, развитие цифровых систем.

Развитие математических методов решения обратных задач — восстановления вертикального распределения озона и других малых газовых составляющих изизмеренных спектральных линий этих газов.

Развитие комплексных спектральных исследований озона и других газовых составляющих атмосферы в миллиметровой и субмиллиметровой областях спектра с помощью наземной и бортовой радиометрической аппаратуры (на самолетах, аэростатах, ракетах и спутниках).

Результаты проводимых в ФИАН радиофизических исследований иллюстрируют новые возможности в изучении структуры озоносферы и ее эволюции в условиях происходящих климатических изменений и техногенных возмущений. Важны комплексные наблюдения озона, окиси хлора и других газовых составляющих.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной работе получены следующие основные результаты:

1. Разработанаматематическая модель радиоизлучения атмосферных газов в субмиллиметровом и миллиметровом диапазонах волн. Выполнено теоретическое исследование спектров теплового излучения атмосферы, включающих линии озонаа также линии водяного пара, окиси хлора, окислов азота и др. малых газовых составляющих атмосферы,. влияющих на общий баланс озона, для различных условий наблюдения: с поверхности Земли, с борта, аэростата и с ИСЗ: Рассмотрены: особенности этих спектров, исследована их структура. Измеренияспектров: радиоизлучения атмосферы необходимы для получения информации о пространственно-временном распределении указанных газовчто является важной задачей радиофизических1 исследований атмосферы;

2. Показана эффективность, дистанционного зондирования^ малых газовых составляющих атмосферы на миллиметровых волнах. с поверхности: Земли на — примере мониторинга, атмосферного озона: Зависимость, ширины спектральной-.линииозона от давления^- и чувствительность формы контура выбранной спектральнойлинииозона* к распределению, молекул этого газа вдоль луча зренияпроиллюстрированная— результатами? расчетов, являются физической основой) постановки, обратной задачи! — восстановления вертикального профиля озона из измереннойс: поверхности Земли спектральной" линииСформулированы актуальные задачи радиофизических исследованийатмосферы, ее защитного озонного слояв условияхвлияния — возмущений естественного и антропогенного: происхождения. Сформулирована задача создания высокочувствительной спектральной аппаратуры и эффективных методов дистанционного зондирования озоносферы. • на миллиметровых волнах, выполнения многолетнего мониторинга вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере.

3. На основе результатов* выполненных численных экспериментов сформулированы требования к основным параметрам спектрорадиометра для мониторинга озоносферы: рабочей частоте, чувствительностиспектральному разрешению и др. Рассчитана оптимальная частотная сетка анализатора спектра спектрорадиометра для дистанционного зондирования атмосферного озона. Выполнены оценки разрешающей способности метода и точности восстановления, вертикальных профилей" озона. На основаниичисленных экспериментов показано, что спектральная приемная аппаратура с оптимизированными параметрами и разработанные, математические методы обработки информации, включая методику^{решения} обратной задачи, основанную на методе регуляризации Тихонова, позволяют с высокой точностью восстанавливать вертикальное распределение озона в стратосфере и мезосфере, что необходимо для решения важных задач экологии, физики атмосферы и других областей фундаментальных и прикладных исследований.

4. Созданы спектрорадиометры оригинальной конструкции с оптимизированными характеристиками для мониторинга атмосферного озона на миллиметровых волнах, разработана оригинальная методика спектральных наблюдений и обработки информации. Благодаря надежности этой аппаратуры и эффективности созданных методик наблюдений и обработки информации была обеспечена высокая точность регистрации спектров излучения атмосферного озона в течение многолетних наблюдений. Созданная спектральная аппаратура характеризуется совокупностью ряда схемных и конструктивных отличительных особенностей. Разработаны оригинальные методики наблюдений и обработки информации. В" состав спектрорадиометра входит оптимизированный анализатор спектра с переменным шагом и спектральным разрешением по частоте, малошумящие входные тракты и антенная система с низким уровнем боковых лепестков* диаграммы направленности, используется «квазинулевой» метод регистрации принимаемого излучения, осуществляется периодическая калибровка спектрорадиометра по тепловым излучателям, применяется автоматизированная система накопления^ и обработки информации с использованием современных математических методов, включая высокоэффективную методику решения обратной задачи, основанную на методе регуляризации Тихонова.

5. Созданная спектральная аппаратура была включена в состав глобальной озонометрической сети по ряду международных программ таких, как DYANA (1990 г.), CRISTA/MAHRSI (1994, 1997 гг.), SOLVE 2000 (1999;2000 гг.). Исследования атмосферы и ее характеристик по перечисленным программам проводились комплексно с применением наряду с наблюдениями озоносферы на ММ волнах также и других методов в различных точках земного шара. С помощью спектральной аппаратуры ФИАН зарегистрированы изменения в высотно-временном распределении озона различного масштаба под влиянием физико-химических процессов в атмосфере. Результаты проведенных в ФИАН исследований были вкладом в решение задач указанных международных программ.

С помощью спектрорадиометра ФИАН выполнены подспутниковые измерения вертикального распределения озона над Москвой для контроля работы спутниковых инфракрасных телескопов, запущенных с помощью US Space Shuttle. Сопоставление результатов наблюдений вертикального распределения озона над Московским регионом с помощью спектрорадиометра ФИАН с результатами спутниковых измерений и озонозондовыми данными показало их совпадение в пределах погрешностей измерений.

6. В результате многолетних регулярных наблюдений озоносферы на ММ волнах над Московским регионом получено высотно-временное распределение содержания озона, отражающее происходящие изменения в озоносфере.

6.1. Зарегистрированы и исследованы короткопериодные, сезонные и межгодовые изменения содержания озона. Обнаружено увеличение амплитуды короткопериодных колебаний содержания озона в холодные полугодия. Исследован новый класс явлений в озоносфере, характеризуемых значительной деформацией профилей вертикального распределения озона, возникновением аномальных снижений содержания озона в стратосфере в холодные* периоды. Установлена связь этих явлений с крупномасштабными атмосферными процессами, с влиянием процессов в стратосферном полярном вихре на озоносферу умеренных широт. Зарегистрированы профили озона, отражающие слоистую структуру озоносферы на высотах около 30 км.

Обнаружены пониженные среднемесячные значения содержания озона в наиболее чувствительных к загрязнениям верхних слоях стратосферы.

6.2. Установлено, что изменчивость озона, наблюдаемая на фоне сезонного хода, связана с циркуляционными процессами, с переносом воздушных масс различного типа в стратосфере над Москвой. Установлена связь обнаруженных колебаний в озоносфере над Москвой с периодами, характерными для планетарных волн, со смещениями полярного вихря и с изменениями его формы. Область высот, на которых эти колебания содержания озона имеют заметную амплитуду, простирается до верхних слоев стратосферы. Установлены корреляционные связи содержания озона в отдельных слоях на высотах средней и верхней стратосферы с общим содержанием озона, высотой соответствующей изобарической поверхности, потенциальной завихренностью, температурой. Установленные закономерности свидетельствуют о существовании связи между указанными слоями стратосферы и о значительном влиянии циркуляционных процессов на содержание озона в этих слоях над Москвой в зимний период. Обнаруженная межгодовая изменчивость в высотно-временном распределении озона связана с межгодовыми изменениями крупномасштабных атмосферных процессов.

6.3. Показано, что географическое расположение пункта наблюдений в Москве оказалось удобным для изучения вертикального распределения озона не только в воздухе, характерном для умеренных широт, но и в воздухе полярного вихря при часто возникающей смене воздушных масс в стратосфере над Москвой в холодное полугодие. Минимальное содержание озона было зарегистрировано в воздухе полярного вихря, а максимальное — вне полярного вихря. Воздух с пониженным содержанием озона в средней и верхней стратосфере может сохраняться над Москвой в холодные полугодия продолжительное время. Полученные данные свидетельствуют о постепенном увеличении содержания стратосферного озона в воздухе полярного вихря и о постепенном уменьшении контраста между содержанием озона внутри вихря и вне его к концу холодного полугодия. Обнаружена значительная межгодовая изменчивость скорости увеличения озона в вихре.

6.4. Зарегистрированы пониженные (по сравнению с данными справочной модели озоносферы) среднемесячные значения содержания озона в верхних слоях стратосферы, чувствительных к техногенным загрязнениям.

6.5. Проведены наблюдения мезосферного озона. Впервые осуществлены одновременные наблюдения озона на ММ волнах и гидроксила в. ближнем ИК диапазоне (совместно с Отделом физики верхней атмосферы ИФА РАН). Зарегистрирован суточный ход мезосферного озона, характеризуемый ^ значительным увеличением содержания озона ночью, что соответствует выводам фотохимической теории: Зарегистрированы значительные межсуточные и более короткопериодные вариации излучения ночного мезосферного озона.

6:6. В качестве практических шагов на пути создания наземной' сети мониторинга озоносферы, радиофизическими методами были впервые проведены — наблюдения вертикального распределения' озона на миллиметровых волнах из различных наземных пунктов: над Московским регионом в ФИАН и в зарубежных обсерваториях Франции и Швеции. Получены и проанализированы результаты одновременных наблюдений озоносферы на миллиметровых волнах над Москвой и Шпицбергеном. Получены уникальные данные о пространственном распределении озонаи особенностях влияния на него крупномасштабных атмосферных процессов. Обнаружены значительные изменения пространственного распределения стратосферного озона в периоды активизации планетарных волновых процессов, во время стратосферных потеплений. Зарегистрированные ВРО в воздухе полярного вихря, характеризовались пониженным содержанием озона в средних и верхних слоях стратосферы в умеренных и высоких широтах (по данным наблюдений над Москвой и синхронных высокоширотных наблюдений). Обнаружена значительная межгодовая изменчивость в пространственном распределении озона.

В ФИАН в содружестве с ИПФ РАН были выполнены первые одновременные наблюдения на миллиметровых волнах вертикального распределения озона над Москвой и в высоких широтах над Апатитами. Обработка спектральных данных этих совместных наблюдений, включая решение обратной задачи, и анализ полученных результатов выполнялся по единой методике, созданной в ФИАН. Показана высокая эффективность разработанных радиофизических методов исследования атмосферы, которые могут служить аппаратурно-методической основой системы мониторинга озоносферы на ММ-волнах.

Показана важность и реальность создания отечественной наземной сети мониторинга озоносферы радиофизическими методами с последующей интеграцией ее в глобальную озонометрическую сеть.

Результаты выполненных исследований показывают важность внедрения развитых в данной работе методов в народное хозяйство, в службы экологического мониторинга для оперативного обнаружения аномальных явлений на ранних стадиях их развития и наблюдения за их эволюцией. Результаты мониторинга крайне важны для рационального природопользования, для принятия решений по защите биосферы в интересах экологической безопасности страны и её устойчивого развития.

Перспективами работы являются следующие направления: продолжение мониторинга вертикального распределения озона на ММ-волнах с целью исследования эволюции озоносферы в условиях влияния естественных и техногенных факторов (в содружестве с отечественными и зарубежными обсерваториями) участие в создании отечественной наземной озонометрической сети, работающей на миллиметровых волнах, с последующим включением ее в глобальную сеть развитие мониторинга радиофизическими методами пространственно-временного' распределения озона, окиси хлора и других важнейших малых газовых составляющих атмосферы, играющих ключевую роль в атмосферных процессах.

Таким образом, в диссертационной работе выполнены исследования по развитию нового перспективного направления — созданию отвечающей современным требованиям аппаратурно-методической основы наземной системы мониторинга газового состава атмосферы, ее озонного слоя радиофизическими методами, выполнению мониторинга озоносферы на миллиметровых волнах. В рамках этого направления в данной работе создана высокочувствительная спектральная аппаратура и эффективные методы дистанционного зондирования озоносферы на миллиметровых волнах, выполнен многолетний мониторинг вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере. Результаты первых одновременных наблюдений на миллиметровых волнах вертикального распределения озона, выполненных в ФИАН в содружестве с другими обсерваториями в умеренных и в высоких широтах, показали актуальность и реальность создания отечественной наземной сети мониторинга озоносферы радиофизическими методами с последующей интеграцией ее в глобальную озонометрическую сеть.

В заключении необходимо отметить важную роль безвременно ушедших чл.корр. РАН И. И. Собельмана, проф. А. Е. Саломоновича и А. С. Хайкина в поддержке данного научного направления.

Автор выражает глубокую благодарность руководителям отдела спектроскопии и Отделения оптики ФИАН проф. В. Н. Сорокину, к.ф.-м.н. М. А. Мазинг, д.ф.-м.н.

A.В.Масалову, В. М. Виноградову за оказанное содействие при выполнении работы, проф. Р. Л. Сороченко за ценные советы, консультации и помощь в работе, зав. лабораторией спектроскопии миллиметровых волн С. Б. Розанову, научным сотрудникам отдела спектроскопии ФИАН ЕЛ. Кропоткиной, А. Н. Лукину, А. Н. Игнатьеву, В. Н. Леонову, руководителю мастерской В. К. Бардину, сотрудникам ФИАН В. Ф. Троицкому, Г. Т. Смирнову,.

B.А.Гусеву, С. В. Логвиненко, ГА. Павлову, В. П. Токаревой, а также П. Л. Никифорову и А. М. Штанюку за участие в работе на различных ее этапах. В работе участвовали безвременно ушедшие Г. Б. Семин, Б. Г. Волков.

Успеху работы в большой степени способствовала ее поддержка профессорами Н. А. Армандом, К. П. Гайковичсм, Н. Ф. Еланским, А. А. Семеновым, Е. В. Суворовым, ЮА. Пироговым ВА.Черепениным, а также проф. Д. Офферманном (ФРГ), проф. Дж. Делано (Франция), докторами Дж. Эльдером и А. Виннбергом (Швеция), которым автор глубоко признателен.

Работа была выполнена благодаря поддержке руководства и сотрудников ряда отечественных и зарубежных организаций, которым автор глубоко благодарен: ИРЭ РАН, ИФА РАН, ИПФ РАН, МГУ, МГГУ им. Н. Э. Баумана, ЦАО, ГМЦ, НПО «Сатурн», ИРЭ НАНУ УССР, Onsala Space Observatory (Sweden), Bordeaux Observatory (France), University of Wuppertal (Germany).