CC BY
8НА УЧНЫЕ СТА ТЬИ
Гидрометеорология и экология № 1 2011
УДК 551.501: 629.195.1
МОДЕЛИРОВАНИЕ СВОЙСТВ ПОГЛОЩЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ПАРНИКОВЫМИ ГАЗАМИ АТМОСФЕРЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПУТНИКОВЫХ ДАННЫХ
Доктор техн. наук А.Х. Ахмеджанов АН. Искаков
Показана возможность моделирования процессов поглощения излучения молекулами газа. Оно может быть основано на использовании лабораторных спектров высокого разрешения изучаемых газов, зависимости спектра поглощения газов от температуры, давления, объемной концентрации газа в смеси.
Термическое зондирование атмосферы в надир основывается на данных, получаемых многоканальными спектрорадиометрами высокого разрешения (~0,001 см-1), регистрирующими тепловое излучение атмосферы в различных спектральных диапазонах, позволяющее восстанавливать температурный профиль атмосферы с большей точностью и более точным высотным разрешением без использования априорной информации. Это дает возможность для численного моделирования физических параметров атмосферы с использованием температурных профилей для реальных экосистем.
Успехи экспериментальной и теоретической молекулярной спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения позволили создать компьютерные базы (атласы) параметров спектральных линий атмосферных и примесных газов (HIT RAN, GEISA) [9]. Появились теоретические методики и комплексы программ для количественного моделирования сложных многофакторных задач спектроскопии атмосферы (например, программы LOWTRAN, MODTRAN, FASCODE, различные информационные системы) [7, 8].
При наблюдении атмосферы со спутника в надир, выражение для спектральной плотности яркости атмосферы в общем случае в условиях чистого неба имеет вид [3, 4]:
ll=evBv TOexpf- jk?sdh + (1 -ev )Ilv expf- Hkfsdh\ + \kfsBv expf- HKbsdh' dh, (1)
V 0 ) V 0 ) 0 V h )
где kabs - коэффициент поглощения газовыми компонентами атмосферы, Bv - спектральная плотность яркости черного тела (функция Планка),
7
еп - излучательная способность земной поверхности, H - верхняя граница атмосферы, I ^ - спектральная плотность энергетической яркости атмосферы в направлении земной поверхности:
Я ( h \
li = J k?sBv expl - J kf'dh'
dh .
о V о
Коэффициент поглощения включает: 1) коэффициент поглощения газовыми составляющими, который вычисляется с помощью суммирования по спектральным линиям (line-by-line) с использованием параметров известной спектральной базы данных HITRAN; 2) коэффициент ослабления аэрозольными компонентами атмосферы; 3) коэффициент континуального поглощения водяным паром:
iabs _ и gas _i_ и aerosol . icont
k v = k v +k v +k v .
Для безоблачной и слабоаэрозольной атмосферы, можно ограничиться только kgas:
kgas = No(h)£nt(h)£rlk(h)£Sl}k(T(h))Fijk( vl}k -v,T(h),p(h)),
i=i k j
где p(h),T (h), N0(h) = p(h)/(kbT (h)) - давление, температура и концентрация молекул на высоте h соответственно, ni (h) - относительная концентрация i -го газа, rik (h) - т.н. распространенность k -го изотопа i -го газа, Sijk -интенсивность j -й спектральной линии, Fijk - контур линии.
Я
По определению [5, 7], выражение
- J k?sdh в формуле (1) есть спек-
о
тральная оптическая толщина атмосферы т(Х), где X - длина волны излучения,
( я \
а выражение exp
- J kfsdh
определяет прозрачность атмосферы (спек-
V о
тральная функция пропускания) при данной длине волны излучения Р(Х).
Ослабление электромагнитного излучения в атмосфере обусловлено процессами рассеяния излучения на флуктуациях плотности и поглощения молекулами газа. В коротковолновой части спектра доминирует рассеяние, а в длинноволновой - поглощение. Р(Х) в случае рассеяния, является гладкой функцией от X. Поглощение инфракрасного излучения обусловлено наличием или отсутствием линий поглощения излучения молекулой газа при данной длине волны и поэтому носит явно выраженный селективный характер [8].
8
В [2] на основе спектрометрической базы данных ШТИАК [9] и реальных сезонных температурных профилей изучались поглощательные свойства выбранной группы из пяти атмосферных газов для различных участков территории Казахстана, условно названных: «К» (Север), «Е» (Восток), «8» (Юг), «С» (Центр) и (Запад) (рис. 1).
Рис. 1. Участки территории Казахстана. Площадь участка моделирования совпадает с площадью соответствующего прямоугольника.
Моделирование объемного коэффициента поглощения (ОКП) kgas излучения молекулами газа основано на использовании лабораторных спектров высокого разрешения (0,01) изучаемых газов, зависимости спектра поглощения от сорта газа, температуры, давления, объемной концентрации газа в смеси. Смоделированный спектр ОКП приводился к «реальному» спектру при помощи аппаратной функции конкретного канала сенсора MODIS [3, 4] и процедуры свертки спектра.
Для каждой изучаемой территории по спутниковым данным AIRS [6], вычислялись средние по сезонам за 2008 год температурные профили Р(Т). При этом оказалось, что в каждом рассматриваемом случае температурные профили для весеннего и осеннего сезонов, расположены приблизительно на равном расстоянии от температурных профилей для зимнего и летнего сезонов. Вариации температуры, обусловленные «территориальным» фактором, проявились на «размытии» температурных профилей (рис. 2).
Для изучения физических свойств атмосферы была выбрана группа из пяти основных парниковых газовых компонент атмосферы: H2O, N2O , O3, CH4 и CO2. В [2] моделирование спектров ОКП излучения молекулами H2O, N2O , O3, CH4 и CO2 проводилось для температурных профилей зимнего и летнего сезонов, соответственно в каналах #27, #24, #30, #28 и #36 сенсора MODIS. Поглощение ИК-излучения в этих каналах для соответствующих газов является максимальным.
9
Н гПа О Г
200
400
600
800
1000
200
220
240
260
280
300 Т °К 320
Рис. 2. Зимние (1) и летние (2) профили температуры для участков «N», «E», «S», «C» и « W» территории Казахстана за 2008 год (по данным AIRS [6]).
Сезонный разброс (tз1м1а -1лето)/1зима • 100% профилей в диапазоне высот 250... 750 гПа составляет 6.. .8 %, с приближением к поверхности Земли разброс постепенно увеличивается до 12.20 %, разброс профилей, обусловленный территориальными различиями выбранных участков, составляет 1. 2% для высот 250. 750 гПа и около 8 % - у поверхности Земли.
Вариации профилей ОКП атмосферных газов коррелируют с вариациями температурного профиля, обусловленные сезонными и территориальными различиями, и в процентном отношении вариации ОКП (ksima - kлето)/ kзима • 100 % того же порядка, что и вариации температурного профиля.
Наиболее чувствительным к температурным вариациям газом является СО2. С повышением температуры ОКП метана, закиси азота, паров воды и озона уменьшается, а для двуокиси углерода, наоборот - повышается.
В данной работе продолжается изучение физических свойств атмосферы с тем отличием, что для каждого сорта газа выбран значительно больший диапазон длин волн, в целом от #20 до #36 каналов сенсора
10
MODIS, ограничившись при этом зимним температурным профилем и единственным участком «С» (Центр) территории Казахстана (рис. 1).
Результаты моделирования ОКП ИК-излучения молекулами газа H2 O, N2 O, O3, CH4 и CO2 выборочно приведены на рис. 3.
11
12
Рис. 3. Зависимость ОКП к[м_1] от высоты Н[гПа] для Н2О: а - #27, б - выборочные каналы; для Ы2 О : в - #24, г) - выборочные каналы; О3: д - #30, е - выборочные каналы; СН4: ж - #28, з) - выборочные каналы и СО2: и - #36, к - выборочные каналы.
Согласно определению, площадь под кривой к (Н) (высоту Н надо соответствующим образом выразить в метрах [1]) есть спектральная оптическая толщина т(Л) данного газа, группы газов или всей атмосферы, в
зависимости от того, что подразумевается под к.
Вычисленные т(Л) для каждого газа в группе приведены в табл. 1, а т(Л) и Р(Л) для группы в целом - в табл. 2 соответственно.
Поглощательная способность молекул газа сильно варьируется в различных диапазонах длин волн. Согласно табл. 1, для СО2 в канале #28, для СН4 в каналах #32 и #36, для М2 О в каналах #27 и #32 поглощение отсутствует. Атмосфера в каналах #27 и #28 сенсора МОБК закрыта полностью для ИК-излучения содержащимся в атмосфере водяным паром. В #36 - наиболее сильное поглощение обусловлено СО2, а в #24 - Ы2 О , и только благодаря относительно слабому поглощению излучения водяным паром в каналах #20...#23 и #29...#32 атмосфера прозрачна для ИК-излучения. Это явление известно как «окна прозрачности» атмосферы. В
13
#30 канале наиболее сильным поглотителем является O3, но его процентного содержания недостаточно, чтобы полностью «закрыть» атмосферу.
Таблица 1
Оптическая толщина газовых составляющих атмосферы в каналах
сенсора MODIS
№ 1, t(1) канала мкм CO2_H2O_CH4_O_N2O
20 3,75 1,93-10-8 2,53-10-3 1,43-10-2 2,62-10-5 3,90-10-4
21 3,96 2,42-10-9 1,75-10-3 8,15-10-3 2,60-10-6 3,53-10-2
23 4,05 8,90-10-4 2,37-10-3 8,26-10-3 1,0110-5 3,72-10-2
24 4,46 9,68-10-3 3,31-10-2 1,79-10-5 2,60-10-4 7,38
27 6,72 2,25-10-8 1,39-103 7,37-10-3 1,1310-6 0
28 7,32 0 1,24-102 8,18-10-1 1,3110-5 3,70-10-5
29 8,55 4,38-10-7 6,63-10-1 6,33-10-3 2,36-10-3 4,21-10-2
30 9,73 1,00-10-2 2,28-10-2 7,84-10-6 2,52 3,24-10-5
31 11,03 5,33-10-3 3,70-10-2 1,93-10-9 1,14-10-7 1,40-10-4
32 12,02 1,00-10-2 3,79-10-2 0 1,1010-4 0
36 14,24 1,03-102 2,974 0 8,90-10-5 1,18-10-3
Таблица 2
Суммарная оптическая толщина t(1) и прозрачность P(1) для выбранной группы атмосферных газов в каналах сенсора MODIS
№ канала X, мкм т(Л) P(1)
20 3,75 0,017 0,983
21 3,96 0,045 0,956
23 4,05 0,049 0,952
24 4,46 7,43 5,9-10-4
27 6,72 1389 ~0
28 7,32 124,37 ~0
29 8,55 0,71 0,492
30 9,73 2,56 0,077
31 11,03 0,042 0,959
32 12,02 0,048 0,953
36 14,24 106,15 ~0
Согласно рисункам 3в, 3ж и 3и для Ы20, СН4 и С02, зависимость ОКП нелинейная, в общем случае, зависимость к (Н) вырождается в линейную зависимость в случае наиболее сильного поглощения излучения в каналах #24, #28 и #36 соответственно. Интересно отметить для указанных молекул схожесть поведения к(Н).
На рис. 4 представлены результаты численного моделирования прозрачности выбранной группы парниковых газов для зимнего температурного профиля над центральной частью территории Казахстана (см. рис. 1) и 14
для сравнения изображена зависимость функции пропускания («прозрачность») земной атмосферы для средних широт в летний период [10].
РОд
14 Х(МКМ)
Рис.4. Функция пропускания атмосферы (сплошная линия) для средних широт в летнее время (по данным [10]) и группы из пяти атмосферных газов (нумерованные точки) для центральной части территории Казахстана в зимнее время (результаты моделирования). Числа на графике обозначают номера каналов сенсора МОВ1Б (см. табл. 1 и 2).
В каналах #20, #21, #23, #31 и #32, включенные в рассматриваемую группу атмосферные газы, строго говоря, не являются парниковыми (прозрачность близка к 1), но в остальных каналах они безусловно являются наиболее эффективными поглотителями ИК-излучения. Значительное расхождение результатов моделирования в #30 канале можно объяснить пространственной и временной вариативностью процентного содержания озона в атмосфере. В этом канале озон является, по-видимому, единственным парниковым газом атмосферы (см. табл. 1 и рис. 4).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Атмосфера. Справочник (справочные данные, модели). Л.: Гидроме-теоиздат, 1991, 510 с.
2. Ахмеджанов А.Х., Искаков А.Н. Определение коэффициентов объемного поглощения инфракрасного излучения парниковыми газами. // Гидрометеорология и экология. - 2009. - №2. - С. 72-77.
15
3. Грибанов К.Г. Разработка методов определения атмосферных параметров по результатам измерения теплового излучения Земли: / Авто-реф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. - Екатеринбург, 2002.
4. Лагутин А.А., Никулин Ю.А., Жуков А.П. и др. Математические технологии оперативного регионального спутникового мониторинга характеристик атмосферы и подстилающей поверхности. Ч. 1. MODIS // Вычислительные технологии. - Том 12. - №2. - 2007. - 23 с.
5. Матвеев Л.Т. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы - Л.: Гид-рометеоиздат, 1976. - 640 с.
6. Математические технологии оперативного регионального спутникового мониторинга характеристик атмосферы и подстилающей поверхности. / А.А. Лагутин, Ю.А. Никулин, Ал.А. Лагутин и др. Ч. 2. -AIRS/Препринт АлтГУ-2007/1. - Барнаул, 2007. - 28 с.
7. Тимофеев Ю.М., Васильев А.В. Теоретические основы атмосферной оптики. - СПб.: 2003. - 475 с.
8. Atmospheric transmission, emission and scattering/ Thomas G. Kyle, OX-FORD,1993, 287p
9. The HITRAN molecular spectroscopic database: edition of 2000 including updates through 2001 L.S. Rothman, A. Barbe, D. Chris Benner et al./Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 82 (2003) 5-44.
10. MODIS land-surface temperature аlgorithm theoretical basis document (LST ATBD)/ Zhengming Wan. Institute for Computational Earth System Science University of California, Santa Barbara, 1999, 77p
Институт космических исследований, г. Алматы
СПУТНИК МЭЛ1МЕТТЕРШ ЦОЛДАНУМЕН АТМОСФЕРАНЬЩ ПАРНИКТ1 ГАЗДАРМЕН СЭУЛЕЛЕНУШЩ Ж¥ТЫЛУ ЦАСИЕТТЕР1Н МОДЕЛДЕУ
Техн. гылымд. докторы А.Х. Ахмеджанов
А.Н. Искаков
Газдыц сортына, температурага, цысымга, цоспадагы газдыц квлемдi концентрациясына байланысты жутылу спектр тэуелдшт, зерттелетт газдардыц жогары руцсаттагы зертханалыц спектрлер цолдану негiзiнде газ молекулаларымен сзлеленудiц жутылу процеан моделдеу мYмкiндiгi кврсетшген.
16
