CC BY
64
ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК РЕСПУБЛИКИ ТАДЖИКИСТАН ___________________________________2007, том 50, №7_____________________________
ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ
УДК 551.576, 551.521.3
Б.И.Назаров, А.Х.Шукуров, Н.А.Абдурасулова, В.А.Маслов, Х.Насруллоев,
С.Ф.Абдуллаев
ИЗМЕНЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СИЛЬНО ЗАПЫЛЕННОГО ВОЗДУХА В УСЛОВИЯХ АРИДНОЙ ЗОНЫ
(Представлено членом-корреспондентом АН Республики Таджикистан Х.Х.Муминовым 25.01.2008 г.)
Сильная запыленность атмосферы в аридной зоне возникает при пылевой буре или при пыльной мгле. При этом происходит изменение метеорологических параметров атмосферы, а также оптических параметров среды.
Для исследования оптических и микрофизических характеристик пылевого аэрозоля была создана комплексная экспериментальная установка [1]. Установка включала в себя оптическую систему на базе спектрофотометров, работающих на УФ, видимой и ИК-области спектра.
Общая схема оптической установки для определения спектрального пропускания аэрозоля приведена на рис.1. По основным параметрам она подобна той, которая использовалась для исследований спектрального пропускания дымового аэрозоля и перистых облаков [2-4]. В качестве источника излучения в установке использована лампа ДКСШ (1), расположенная в фокусе сферического зеркала (2) диаметром ё=350 мм и фокусным расстоянием ?=400 мм. Для определения величины прозрачности Р X в определенных участках спектра использовался монохроматор двойного разложения ДМР-4 (13), два однотипных монохроматора МДР-2 (14 и 15), двухлучевой спектрофотометр ГО.-75 (12), настроенные соответственно на длины волн излучения X =0.37; 0.55; 1.0; 10.2 мкм.
Рис. 1. Общая схема экспериментальной установки для регистрации спектров
в оптическом диапазоне.
Световой поток от источника зеркала (2) направляется в аэрозольную камеру (на рис.1 не указана), внутри которой расположено отражающее плоское зеркало диаметром d=500 мм. Отраженный световой поток при помощи системы зеркал и линз (3-11) направлялся на входные щели спектральных приборов, на выходных щелях которых были смонтированы соответствующие приемники излучения. Относительные значения интенсивности светового потока регистрировались синхронно на четырех электронных потенциометрах типа КСП-4 (1619). Время пробега пера всей шкалы каждого потенциометра устанавливалось примерно одинаковым 5 с. Величины IX регистрировались со спектральными разрешениями АЛ ~5 А0 вблизи X =0.37 мкм, АЛ =3 А0 вблизи X =0.55 мкм, АЛ =5 А0 вблизи X =1.0 мкм и АЛ =0.4 А0 вблизи X =10.2 мкм.
Для исследования оптических и микрофизических характеристик сильно запыленного воздуха была создана аэрозольная камера. Аэрозольная камера представляла собой плотно закрываемое помещение (с боковыми окнами) объемом около 60 м . (длина - 8 м, ширина -3 м, высота - 2.5 м); расстояние между входным люком камеры и отражающим зеркалом
7.2 м (длина двойного пути света в камере L=15.2 м). Камера расположена на расстоянии около 20 м от комплексной оптической установки. Для наполнения камеры аэрозолем и удаления аэрозоля из нее использовался мощный компрессор, расположенный рядом с камерой.
В реальной атмосфере даже при слабой пылевой мгле невозможно проводить измерения интенсивности солнца, поскольку пылевая мгла, достигая уровня 3.5 км по вертикали, полностью поглощает солнечный свет. Такие измерения возможны только при просветлении атмосферы до горизонтальной дальности видимости более 10 км.
В аэрозольной камере можно получить такое же состояние пылевой мглы, которое возникает в реальной атмосфере. В частности, можно создать условия, соответствующие предельно малой для данной установки дальности видимости 10-15 м, и проводить измерения оптических параметров среды с помощью автономного источника света.
При генерации пылевой мглы или пылевой бури в аэрозольной камере величина Р, и оптическая толщина пылевого аэрозоля т, определялись из соотношений
Р, = I/I0 , XX = - ln(P,) ,
где I,
I0
- регистрируемые на установке относительные значение интенсивности светового потока соответственно до и после наполнения камеры аэрозолем. Для определения величины Р, и ее изменения во времени величины I, I0 регистрировались при полном удалении аэрозоля в камере. Затем с помощью компрессора выбранный образец пыли вместе с воздухом нагнетался в камеру до достижения в ней желаемой концентрации пылевого аэрозоля. Величину I, для одного и того же образца можно было измерять несколько раз, поднимая пыль, осевшую на полиэтиленовой пленке на внутренней поверхности камеры, с помощью отдельного пылесоса. После равномерного перемешивания аэрозоля в камере ее световой люк открывался, и
на установке синхронно регистрировались величины IX в указанных выше участках спектра до достижения значений, близких к Ь^, то есть до практически полного удаления или оседания аэрозоля в камере. Величина Рх определялась с относительными погрешностями ~5% при X =0.37; 0.55; 1.0 мкм и ~10% при X =10.2 мкм.
Для определения оптической толщины тх нами были собраны образцы пыли в различных пунктах, расположенных по вероятному пути распространения пылевой мглы.
Измерения Рх сопровождались синхронным измерением массовой концентрации пылевого аэрозоля, измерением коэффициента аэрозольного ослабления, измерением функции распределением частиц по размерам, а также осаждением проб аэрозольных частиц на подложки из Gе при помощи пятикаскадного импактора, разработанного и изготовленного в Физико-техническом институте им. С.У.Умарова АН Республики Таджикистан.
Объектом исследования являлся пылевой аэрозоль, образующийся в результате пылевых бурь (пылевой мглы). Исследовались:
1) пылевой аэрозоль в натурных условиях (аэрозольные составляющие оптической толщины пылевого аэрозоля, коэффициент аэрозольного ослабления, сбор проб пылевого аэрозоля в период пылевой мглы);
2) пробы пылевого аэрозоля, осажденного из пылевой мглы на полиэтиленовую пленку, в окрестностях г. Душанбе и обсерватории Санглох;
3) пробы образцов почвы, собранные по пути распространения пылевой мглы, там, где высока вероятность обогащения её частицами местного происхождения с различным минералогическим составом:
- на восточных холмах г. Душанбе,
- у поселка Охтог северо-восточнее г. Душанбе («белая» пыль),
- в пустыне Шаартузского района (под верблюжьей колючкой),
- вблизи источника в пустыне Шаартуза,
- на красных холмах Кабодиенского района ("розовая" пыль),
- на ровной местности в пустыне (Шаартуз),
- пыль, принесенная пылевой мглой 13.11.2007 г, после естественного осаждения.
Для пробы, собранной в окрестности Шаартуза, временной ход изменения прозрачности для различных длин волн показан на рис.2. Для всех длин волн наблюдается нелинейный ход увеличения прозрачности атмосферы. Особенно сильно выявляется это для длины волны
10.2 мкм. Это говорит о том, что пылевой поток более прозрачен в ИК-области, чем в УФ и видимой области спектра.
На рис.3 представлен временной ход оптической толщины этой пробы. Как видно на рисунке, соотношение оптических толщин отличается друг от друга. Нелинейный ход изме-
нения оптических толщин для ИК-области спектра явно различен. Аэрозольный поток имеет меньшую оптическую плотность для ИК-области, и это играет существенную роль для создания антипарниковых свойств сильно запыленного аэрозольного слоя при климатообразующих процессах в атмосфере.
О 10 20 30 40 50 60 70
Время, пи
Рис.2. Временной ход зависимости прозрачности для пробы, собранной в окрестностях Шаартуза, для различных длин волн (1-10.2 мкм; 2- 1.0 мкм; 3-0.55 мкм; 4-0.37мкм).
О и-------------1------------1------------1-----------1------------1------------1------------1-------
О 10 20 30 40 50 60 70
Б)>емя, мин
Рис. 3. Временной ход оптической плотности для пробы, собранной в окрестностях Шаартуза, для различных длин волн (1-10.2 мкм; 2- 1.0 мкм; 3-0.55 мкм; 4-0.37мкм).
Для данной пробы был определен показатель Ангстрема по соотношению:
а = - 1п(тх/тх0)/ 1п(Х/Хо) , где Х0 = 0.55 мкм. Результаты представлены на рис.4.
0.9
0.8
0.7
= 06 ф ии
0
X 0.5 <
1 0.4 І
1 03 с
0.2 0.1 0
0 10 20 30 40 50 60 70
Время, мин
Рис. 4. Временной ход изменения показателя Ангстрема для пробы, собранной в окрестностях Шаартуза, для различных длин волн (1-10.2 мкм; 2- 1.0 мкм; 4-0.37мкм).
Ангстремовская экспонента описывает зависимость аэрозольной оптической толщины от длины волны излучения. В принципе, если известна оптическая плотность для одной длины волны и известен показатель Ангстрема, то можно проводить расчет и определить оптическую плотность для различных длин волн:
тх/тхо =(Х/Хо ) а
Уникальность проведенных в аэрозольной камере измерений состоит в том, что одновременно можно экспериментально определить оптическую плотность и показатель Ангстрема для трех длин волн и потом произвести расчет для других длин волн в оптическом диапазоне спектра.
Далее были проведены расчеты коэффициента аэрозольного поглощения вида:
ааэрозоль“ = тх/Ъ
и горизонтальная дальность видимости Б по эмпирической формуле [5-6 ]:
( 3.91 У 0.55 ^ °'58^
ааего.о1 X J ’
где Б - горизонтальная дальность видимости, X - длина волны.
Типичные спектральные зависимости т а( X ) для четырех типов пыли приведены на рис.5. Для размещения графиков на одном рисунке и выделения типов спектральных зависимостей т а( X ) значения т а( X ) для каждого образца отдельно приводились относительно значений т а(X ) при X =0.55 мкм.
Рис. 5. Спектральная зависимость аэрозольной оптической толщи т^ для четырех типов пыли.
Тип а. Пыль, принесенная пылевой мглой. Для ее сбора боковые окна камеры оставались открытыми до завершения пылевого эпизода, чтобы как можно больше пыли осело на внутренней поверхности камеры. Затем регистрировались значения IX 0 , камера наглухо закрывалась и с помощью пылесоса пыль вновь перемешивалась с воздухом. После равномерного перемешивания пылевого аэрозоля открывался световой люк камеры для регистрации величин. Для полученного таким образом аэрозоля максимальные значения т а( X ) составляли -0.3 при X =10.2 мкм и -0.65 при X =0.55 мкм). Как видно из рис.5, спектральная зависи-
мость т а( Л ) для данного типа аэрозоля имеет слабо выраженный максимум в области спектра 0.55-1.0 мкм.
Тип б. Смесь трех образцов пыли, собранных в окрестностях Шаартуза, Кабадиана (“розовая пыль”) и г. Душанбе. Обнаруживается четко выраженный максимум т а( Л) при Л =0.55 мкм . Это, видимо, связано с наличием такого же максимума в зависимостях т а( Л ) для пыли, собранной на наблюдательной площадке в окрестности Шаартуза.
Тип в. Образец пыли собран на наблюдательной площадке в окрестности г. Душанбе. Максимум т а( Л ) регулярно обнаруживается при Л =1.0 мкм).
Тип г. Пыль характерного белого цвета, собрана северо-восточнее г. Душанбе у поселка Охтог ( Белый холм ). Спектральные зависимости т а( Л ) не имеют максимума в области спектра Л =0.37 и 10.2 мкм). Величины т а(Л ) растут с уменьшением Л . Это единственный тип спектральной зависимости из исследовавшегося набора образцов пыли без максимума в зависимости т а( Л ).
В целом, было получено около 50 спектральных зависимостей -т а( Л ). Наиболее характерными являются типы а и в с максимумом в области спектра Л =0.55-1.0 мкм), что предс-товляется важным при исследовании температурных эффектов пылевого аэрозоля, которые должны определяться, в частности, соотношением - т а( Л ) в видимом и ИК-диапазонах спектра. Это соотношение можно оценить по величинам (К=т а(0.55)/т а(10.2)), значения которых приведены в табл.1.
Таблица 1
Значение величены К=т а(0.55)/т а(10.2) для четырех типов пыли
Аэрозоль К
Тип а 1.75-2.65
Тип б 1.80-3.15
Тип в 1.40-3.20
Тип г 2.40-3.20
Из этих данных видно, что для приведенных типов пылевого аэрозоля К>1, а для аэрозоля типов в величины К перекрывают весь диапазон значений величин для других типов аэрозолей. Для сопоставления в табл. 2 приведены результаты натурных измерений в морских и аридной зонах.
Таблица 2
Значения величины К=та(0.55)/та( 10.2) по данным натурных измерений в морской и аридной зонах
Дата тДА,), ^=0.50мкм тДА,), ^=10.4мкм K Примечание
30^ 174 0.15 0.05 3.0 Океан, слабая дымка
31/Ю 174 0.30 0.25 1.2 Океан, пылевая дымка
211 X.89 0.40 0.20 2.0 Душанбе, пылевая мгла
13.XI.07 0.48 0.23 2.1 Душанбе, пылевая мгла
Измерения в морских условиях проводились в 1974 г. в период ТРОПЭКС-74 [7] в центральной тропической части Атлантического океана, в аридных условиях - в 1981 г. в период аэрозольного эксперимента АРАЭКС-81 [8] в окрестности Душанбе. Величины т а( Я ), полученные в морских условиях по данным измерений прямой солнечной радиации актинометром, отнесены к Я =0.55 мкм. Для их определения использованы фактические результаты
[9].
Сравнение данных табл. 1 и 2 показывает, что как при выносе пыли из Сахары, так и из пустынь юга Средней Азии величины близки друг к другу, что должно упростить расчеты климатообразующих свойств пылевого аэрозоля. Сами значения К не велики - 1.2...3.2. Иначе обстоит дело с дымовым аэрозолем (см. в частности, в [10]), для которого величины К почти на порядок выше, чем для пыли. Кроме того, данные существенно отличаются для дымов различного происхождения.
Полученные результаты могут быть использованы для решения задач по прогнозу изменения климата в условиях пылевой мглы (пылевых бурь) и других климатообразующих процессов в атмосфере.
Физико-технический институт им. С. У. Умарова Поступило25.01.2008г.
АН Республики Таджикистан
ЛИТЕРАТУРА
1. Шукуров А.Х., Абдуллаев С.Ф., Назаров Б.И., Пирогов С.М. - Советско-американский эксперимент по изучению аэрозоля. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992, с.70-76.
2. Голицын Г.С., Шукуров А.Х., Гинзбург А.С. и др. - Изв. АН СССР. ФАО. 1988, т. 24, № 3, с.227-234.
3. Георгиевский Ю.С., Шукуров А.Х., Чавро А.И. - Изв. АН СССР. ФАО, 1972, т.8, №4.
4. Аникин П.П., Чавро А.И., Шукуров А.Х. - Физические аспекты дистанционного зонирования системы океан-атмосфера. - М.:Наука, 1981, с. 200-211.
5. Дьюли У. Лазерная технология и анализ материалов. М.:Мир, 1986, 502 с
6. Межес Р. Аналитическая лазерная спектроскопия. М.: Мир, 1982, 606 с.
7. Шукуров А.Х., Георгиевский Ю.С., Марченко А.М. Прохоров Е.И. - «ТРОПЭКС-7», Гидрометеоиздат, 1976.
8. Аникин П.П. - Изв. АН СССР. ФАО, 1991, т.27, №9, с.937-946.
9. Шукуров А.Х. - Изв. АН СССР. ФАО, 1986, т.22, №10, с.1034-1041.
10. Исаков А.А., Лушин В.В., Свириденков М.А. - Изв. АН СССР. ФАО, 1988, т.24. №3.
Б.И.Назаров, А.Х.Шукуров, Н.А.Абдурасулова, В.А.Маслов, Х,.Насруллоев,
С.Ф.Абдуллоев
ТАГИРЁБИИ ХУСУСИЯТ^ОИ ОПТИКИИ МУСИТИ СЕЛИ ЗАРРА^ОИ ЧАНГЙ ДАР МИНТАЦАИ ХУШК
Хусусиятх,ои мусити гуногунтаркиб дар камераи махсуси аэрозолй омухта шуда-аст. Барои хдмаи намудх,ои чангу хок шаффофият, гафсии оптикй, нишондихдндаи Ангстрем, коэффициенти фурубарй ва дурии биниш х,исоб карда шудааст. Хусусиятх,ои оп-тикии мусити гуногунтаркиб вобаста ба вак;т ва спектр омухта шудааст.
B.I.Nazarov,
A.Kh.Shukurov
, N.A.Abdurasulova, V.A.Maslov, Kh.Nasrulloev, S.F.Abdullaev CHANGE OF OPTICAL PARAMETERS OF STRONGLY DUSTY AIR IN CONDITIONS OF ARID ZONES
Parameters of strongly non-uniform environment in the aerosol chamber are studied. For all above-stated tests a transparency, optical density, parameter Angstrom, factor of aerosol absorption and visibility range were calculated. Time and spectral dependences of the above-stated optical parameters of strongly non-uniform aerosol streams have been studied.
