| РЕФЕРАТ
Отчет 98 с., 2 ч., 32 рис., 43 источника, 8 прил.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА – атмосфера Земли, газовый состав, мониторинг, дистанционные методы, спутниковые методы, базы данных, атмосфера Марса, термосфера, тепловая структура, сейсмический шум, лучевая томография, магнитосфера, магнитное пересоединение, солнечная активность, климат
Данный отчет является итоговым по проекту «Исследования Земли, атмосферы и околоземного космического пространства (проект «Геокосмос»), выполнявшемуся в течение 2006-2007 гг. В первой части отчета приведены краткие материалы по научно-техническим результатам, полученным на 1-м, 2-м и 3-м этапах проекта, во второй части представлены результаты, полученные на заключительном, 4‑м этапе проекта.
Объектами исследований
в данном проекте являются различные геосферы Земли – атмосфера, магнитосфера, земная кора, объектами разработок –
методы контроля их состояния и изучения протекающих в них геофизических процессов.
Целями работы
по проекту являлись:
разработка систем дистанционного регионального мониторинга парниковых и озоноразрушающих газов;
разработка новых спутниковых методов зондирования атмосферы;
создание банка данных по параметрам атмосферы и характеристикам поглощения атмосферных газов;
получение новых данных о состоянии атмосферы;
анализ глобальных полей колебательных температур состояния 01101 молекул углекислого газа в мезосфере и нижней термосфере;
изучение динамики содержания СО и CH4
в районе Санкт-Петербурга;
численное моделирование состояния атмосферы и переноса электромагнитного излучения в атмосфере;
развитие общей теории и разработка простой модели температурной структуры термосфер планет;
обобщение метода расчета переноса излучения в молекулярных полосах при нарушении локального термодинамического равновесия на случай учета континуального поглощения;
разработка обобщенного метода расчета неравновесного излучения;
изучение природы совместных колебаний Земли и атмосферы;
изучение пространственной структуры высоких гармоник атмосферного солнечного прилива и высокочастотных собственных колебаний атмосферы;
исследование динамики процессов в земной магнитосфере с использованием данных системы 4-х европейских спутников Cluster совместно с численным моделированием процессов пересоединения и плазменной структуры магнитосферы;
развитие методики подстройки параметров модели магнитосферного магнитного поля для обеспечения оптимального проектирования из магнитосферы в ионосферу;
развитие метода лучевой сейсмической томографии в анизотропной среде;
исследование скейлинговых свойств сейсмического шума в сейсмоактивном регионе и их вариаций в период подготовки крупных землетрясений;
поиск и исследование нелинейных связей между рядами данных, характеризующих солнечную активность, состояние околоземного космического пространства и поведение атмосферных параметров;
разработка модели, определяющей поведение пятнообразовательной полусферой активности Солнца в преддверии гранд-минимумов активности.
Методы,
применяющиеся для решения задач проекта, развивают как теоретические, так и экспериментальные подходы, и более подробно описываются в соответствующих разделах отчетов за 1-й, 2-й и 3-й этапы проекта, а также в разделе 2 настоящего отчета.
Результаты работы:
В ходе выполнения проекта создана усовершенствованная наземная автоматическая спектроскопическая установка для измерений рассеянного в зенит солнечного УФ и видимого излучения для определения общих содержаний (ОС) озона и двуокиси азота. Разработана новая усовершенствованная методика определения ОС О3
и ОС NO2
, использующая измерения как прямой, так и рассеянной солнечной радиации в двух спектральных интервалах 300-350 нм и 410-510нм. Осуществлена валидация спутниковых измерений ОС NO2
по данным наземных измерений ОС NO2
. Изучены сезонные вариации ОС атмосферных газов. Проведены оценки временной изменчивости общего содержания метана и угарного газа в районе Санкт-Петербурга. Разработаны физико-математические основы и методики наземного зондирования температуры, общего содержания озона, водяного пара и других газов на основе измерений спектров нисходящего теплового ИК излучения, создано специализированное программно-математическое обеспечение для интерпретации наземных измерений, проведены численные эксперименты по анализу погрешностей восстановления вертикальных профилей температуры, влажности и содержания озона. Сформированы ряд региональных и глобальных ансамблей параметров атмосферы, а также характеристик взаимодействия параметров атмосферы с электромагнитным излучением, основанные на современных теоретических разработках и данных многочисленных экспериментальных измерений.
Сформулирована физико-математическая модель спутниковых оккультационных космических экспериментов по изучению газового состава атмосферы с учетом мерцаний звезд. Предложена компьютерная модель, для имитации наблюдений звезд из космоса сквозь атмосферу. Проведено статистическое моделирование мерцаний звезд с помощью предложенной модели. Проведены расчеты погрешностей спутникового метода. Показано, что влияние мерцаний звезд, может привести к заметному (по меньшей мере, в 1.5-2 раза) снижению точности определения содержания озона методом прозрачности по звездам. Показано, что вид спектрального хода корреляций мерцаний существенно влияет на погрешности дистанционного зондирования.
Построена новая статистическая модель микрофизических характеристик стратосферного аэрозоля. На основе расчетов по теории Ми и разработанной статистической модели микрофизики стратосферного аэрозоля построена статистическая оптическая модель стратосферного аэрозоля. Вычислены ковариационные и взаимоковариационные матрицы коэффициентов ослабления и рассеяния, а также параметров Хеньи-Гринштейна для индикатрисы рассеяния стратосферного аэрозоля. На основе радиационного кода SCIATRAN проведены расчеты рассеянного солнечного излучения и исследована применимость модели однократного рассеяния. Показано, что для большинства спектральных каналов измерений, используемых для получения информации о стратосферном аэрозоле, приближение однократного рассеяния может вносить значительные погрешности и его можно рекомендовать для использования только как начальное приближение при решении обратной задачи.
Проведено комплексное изучение пространственных распределений колебательных температур состояния 01101 молекул углекислого газа в области мезосферы и нижней термосферы по результатам спутниковых экспериментов CRISTA‑1 и CRISTA‑2. Осуществлен анализ пространственно-временных вариаций колебательных температур, полученных в спутниковом эксперименте. Проведено сопоставление полученных экспериментальных данных с результатами моделирования.
Установлено, что минимальные значения общего содержания СО в период с конца января по конец марта, зарегистрированные во время десятилетней серии наблюдений 1995-2005 гг., наблюдались при затоках воздуха из верхних тропосферных слоев. Средние значения общего содержания СН4 летом 2006г. и зимой-весной 2007г. были на 3% выше средних многолетних для этих периодов. Рекордно высокое значение общего содержания СН4 для зимних месяцев (за весь период измерений общего содержания метана в Санкт-Петербурге) было зафиксировано 21 февраля 2007 г. и составило 4.093×1019
мол/см2
.
Создана общая модель температурной структуры термосфер планет, охлаждаемых излучением молекул в единственной колебательно-вращательной полосе, с использованием безразмерных переменных и параметров. Получен средний профиль температуры в дневной термосфере северного полушария Марса для весны при умеренном уровне солнечной активности.
Показано, что учет ослабления аэрозолями излучения на частотах ближнего ИК спектрального диапазона (1–4 мкм) приводит к значительному
уменьшению колебательной температуры возбужденных состояний молекул СО2
в высотном диапазоне 0–50 км; чем выше содержание аэрозолей, тем сильнее изменение высотных профилей колебательной температуры;
Показано, что влияние аэрозольного ослабления на высотные профили колебательных температур тем сильнее, чем выше энергия возбуждения колебательных состояний и чем меньше распространенность изотопической разновидности молекулы СО2
;
На примере периодов глобальных пылевых бурь на Марсе показано, что учет аэрозольного ослабления в континууме может изменять населенности колебательных состояний молекул СО2
в приповерхностном слое на порядки величины.
Выявлены устойчивые частоты колебаний, общие для Земли и атмосферы, и направление потоков энергии для этих частот, установлено различие направлений потоков энергии для колебаний с периодами менее 1 часа и более 3 часов.
Показано, что в волновую возмущенность в диапазоне периодов 0.5 - 5 часов вносят вклад глобальные волны, генерируемые в атмосфере. Такими волнами являются собственные колебания атмосферы и высокие гармоники солнечного прилива, причем семейства последних могут наблюдаться в течение нескольких суток. В некотором временном интервале около момента сильного землетрясения в среднем имеет место некоторое повышение уровня волновой возмущенности, за что, кроме собственного колебания Земли 0S2, предположительно могут быть ответственны изгибные колебания литосферных плит.
Получено решение обратной задачи восстановления скорости пересоединения по наблюдениям вариаций магнитного поля вдоль траектории спутника в магнитосфере, экспериментально подтверждено, что процесс импульсного магнитного пересоединения является реальным исходным механизмом, приводящим к импульсной инжекции плазмы во внутреннюю магнитосферу.
Разработан и всесторонне протестирован комплекс программ для подстройки магнитосферной модели по данным измерений 5 и более магнитосферных спутников, для обеспечения оптимального проектирования между магнитосферой и ионосферой и совместного использования данных измерений разных спутников и наземных систем при исследовании магнитосферных процессов.
Усовершенствован метод параксиальной аппроксимации в анизотропной среде на основе комбинации данных отраженных волн на небольших удалениях и данных рефрагированных волн на больших удалениях.
Разработан метод восстановления параметров сейсмической среды по комплексу кинематических параметров отраженных и рефрагированных волн. Выполнено восстановление сейсмических параметров по данным, полученным на профиле, проходящим над одним из газовых месторождений Западной Сибири. Проведено сравнение результатов восстановления со скоростной моделью, построенной в производственной организации с учетом различного рода априорных данных.
Проанализированы мультифрактальные свойства сейсмического шума на станции Палеохора (о.Крит) и их вариации в период подготовки крупного землетрясения и после него. Предложена математическая модель сейсмического шума, базирующаяся на модели случайного мультипликативного каскада.
Создана база климатических, атмосферных, солнечных, геомагнитных данных и данных по вулканической активности за период с начала регулярных климатических наблюдений. Установлено, что в 30-х годах 20-го века изменился сценарий динамического поведения климатической системы Земли. Установлены новые закономерности взаимодействия галактических космических лучей и солнечных космических лучей с аэрозольной компонентой атмосферы Земли.
Проведено исследование асимметрии пятнообразования между северным и южным полушариями Солнца в рамках теории синхронизации. Выделена фазовая составляющая асимметрии, определены масштабы, на которых синхронизация является существенной, определены характеристические масштабы фазовых рассогласований, оценена их значимость, проведено сравнение полученных результатов с другими мерами асимметрии
Предложен сценарий развития пятнообразования в 4-м цикле, согласно которому затянувшаяся ветвь спада может являться следствием высокой фазовой асимметрии в начале цикла.
Основные конструктивные, технологические и технико-эксплуатационные характеристики:
Измерения газового состава атмосферы в дневное время и в течение сумерек проводятся с помощью автоматического спектрального комплекса. Погрешности спектроскопических наземных измерений ОС метана и угарного газа для среднедневных значений составляют 1-3% и 1-4%. Созданные и построенные базы данных термодинамического, газового и аэрозольного состояния атмосферы скомпилированы на основе анализа большого объема современных результатов прямых и дистанционных измерений атмосферных параметров. Базы спектроскопических характеристик атмосферных газов основаны на экспериментальных лабораторных измерениях и сопоставлениях с результатами натурных спектроскопических измерений. Использованы современные данные по характеристикам атмосферной неоднородности показателя преломления атмосферы и параметры реальных спутниковых приборов. Новые данные о состоянии атмосферы получены на основе комплексного использования спутниковых и различных наземных измерений. Анализ полученных измерений осуществлялся с помощью привлечения современных численных моделей атмосферы. Метод многоступенчатой параксиальной аппроксимации и модифицированный изображающий принцип являются развитием подходов к решению прямых задач в параксиальном приближении и методов построения изображения среды с использованием миграционных преобразований. Метод, использующий для восстановления параметров Томсена сейсмической среды кинематические характеристики продольных отраженных и рефрагированных волн является развитием подходов определения параметров анизотропной сейсмической среды по поверхностным сейсмическим наблюдениям.
Степень внедрения:
Результаты исследований, созданные алгоритмы и программное обеспечение переданы для внедрения в ряд научных учреждений (Центр Келдыша, ГГО, ИФА РАН, НИЦ «Планета», Гос. НИЦ ИПР). Усовершенствованный автоматический спектральный комплекс введен в эксплуатацию и используется для регулярного мониторинга газового состава атмосферы, а также для валидации спутниковых измерений озона и двуокиси азота в рамках международных программ, выполняемых СПбГУ с различными организациями Европейского Космического Агентства (ЕКА). Данные измерений ОС метана и угарного газа поставляются в международный банк данных по характеристикам газового состава атмосферы (Норвежский институт атмосферы (NILU)). Метод подстройки магнитосферных моделей принят в качестве рабочего инструмента международного проекта THEMIS и будет интенсивно использоваться для получения динамической магнитной конфигурации при планировании и научных исследованиях в проекте THEMIS начиная с февраля 2008 г. Разработана практика по Солнечной физике на базе Кисловодской горной станции ГАО для студентов кафедры физики Земли Физического факультета СПбГУ.
Рекомендации по внедрению:
Рекомендуется передать результаты исследований атмосферы Земли в рамках проекта «Геокосмос» в различные учреждения РАН и Гидрометеослужбы (Росгидромет, Минобороны, МЧС, экологические службы, службы территориального управления) для пополнения баз климатологической информации о газовом составе атмосферы, повышения точности дистанционного зондирования параметров атмосферы. Данные мониторинга содержания озона, двуокиси азота, парниковых газов рекомендуется использовать для проверки моделей тропосферной химии, совершенствованию численных моделей атмосферы, анализа загрязнений в северо-западном регионе России.
Метод звездной оккультации может быть использован для значительного увеличения числа измерений газового состава атмосферы со спутников.
Полученные новые данные по физическим характеристикам атмосферы (температура, содержание парниковых газов) могут быть использованы в Российском отчете по динамике изменения климата земли и трендах парниковых газов.
Область применения:
Космический мониторинг содержания озона, парниковых газов и характеристик атмосферного аэрозоля. Формулировка ТЗ на новую спутниковую аппаратуру. Анализ пространственно-временных вариаций параметров неравновесного состояния средней атмосферы и содержания парниковых газов. Математическое моделирование и программное обеспечение интерпретации спутниковых измерений. Исследования и прогнозирование изменений климата Земли. Прогноз землетрясений.
Результаты могут быть использованы при построении моделей климата, численного прогноза погоды и общей циркуляции атмосферы, в фундаментальных исследованиях региональных и глобальных изменений климата Земли, для валидации спутниковых измерений климатически активных атмосферных газов, совершенствования современных численных моделей атмосферы, анализа трансграничного переноса атмосферных газов. Предполагается расширить использование разработанных методик и ПМО по мере развития и совершенствования российской сети мониторинга параметров атмосферы.
Принципы, заложенные в основу полученной модели тепловой структуры термосфер земной группы, могут быть распространены на термосферы планет-гигантов, включая внесолнечные планеты. Разработанная модель позволяет получить представление о температурной структуре термосферы Земли как в прошлом, когда содержание CO2 в атмосфере отличалось от современного, так и в будущем ввиду его антропогенного роста.
Результаты исследования переноса излучения в молекулярных полосах могут найти применение в области разработки дистанционных методов зондирования параметров оптических свойств аэрозолей.
Разработанный алгоритм восстановления параметров пересоединения по спутниковым данным и методы контроля состояния магнитосферы и процессов магнитного пересоединения в магнитосферном токовом слое найдут применение в физике космической плазмы, задачах прогноза космической погоды, состояния околоземного космического пространства.
Результаты восстановления параметров Томсена сейсмической среды по кинематическим данным отраженных и рефрагированных волн могут быть использованы в сейсморазведке при построении модели среды по данным сейсмического эксперимента.
Результаты исследования асимметрии солнечной активности могут использоваться для моделирования асимметрии в преддверии других гранд-минимумов солнечной активности, построения динамо-моделей и прогноза солнечной активности. Данный подход возможно использовать для анализа других сложных систем и процессов в них, таких как, например, магнитосферные и климатические процессы, если имеет место слабое взаимодействие двух автоколебательных систем.
Экономическая эффективность или значимость работы:
Значимость результатов, полученных в ходе работы над проектом, очень высока и обусловлена в первую очередь необходимостью создания адекватных моделей прогноза погоды и современных изменений климата, осуществления на их основе прогнозов изменения климата в России, оценки эффективности принимаемых международных усилий по ограничению антропогенного влияния на газовый и аэрозольный состав атмосферы (Монреальский протокол, Киотское соглашение), анализа газовых загрязнений в северо-западном регионе России, подготовки материалов для очередного Национального сообщения Российской Федерации (Межведомственная комиссия РФ по проблемам изменения климата). Разработанное программное обеспечение может использоваться в новой космической аппаратуре для глобального мониторинга параметров атмосферы на российских метеоспутниках «Метеор-3М».
Значимость новых спутниковых методов зондирования атмосферы обусловлена тем, что современные космические методы дистанционных измерений не полностью удовлетворяют всем международным требованиям по глобальному мониторингу термической структуры атмосферы Земли, содержанию озона и парниковых газов. Это не позволяет в настоящее время получать информацию, необходимого качества и объема, для усовершенствования численных моделей климата Земли и осуществления достоверных прогнозов изменения климата Земли в 21 столетие.
Значимость новых методов подстройки магнитосферных моделей магнитного поля необходимо для проектирования плазменных процессов в магнитосфере и в ионосфере, что актуально с точки зрения оценки состояния космической погоды и ее влияния на функционирование спутниковых систем и биологические процессы.
Применение метода многоступенчатой параксиальной аппроксимации в анизотропной среде позволит существенно повысить эффективность интерпретации данных сейсморазведки.
Прогнозные предположения о развитии объектов исследований и разработок:
На базе существующей аппаратуры и закупки новых спектральных приборов будет создана комплексная система наземного мониторинга вертикальных профилей и общих содержаний всех важнейших парниковых и озоноразрушающих газов. Изучение временных вариаций, в том числе долговременных трендов, позволит сформулировать реалистические сценарии изменений газового состава атмосферы на территории северо-западного региона России и осуществить достоверные прогнозы региональных изменений климата в 21 веке. Качество, объем и состав априорной информации для моделирования и мониторинга состояния атмосферы будет повышаться с постоянным ростом требований к точности и пространственно-временному разрешению методов дистанционного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности.
Необходимо обобщить проведенное рассмотрение спутникового метода звездной оккультации на случай «сильных» мерцаний, которые играют важную роль при формировании измеряемого приборами потока излучения звезд на высотах ниже 30 км. Целесообразно провести численное моделирование спутникового дистанционного метода определения характеристик атмосферного аэрозоля, основанного на измерениях рассеянного солнечного излучения в приближение многократного рассеяния и определить погрешности восстановления оптических параметров аэрозоля (коэффициентов ослабления и рассеяния, параметров индикатрисы рассеяния).
Необходимо получение новых экспериментальных данных о параметрах физического состояния земной атмосферы (газовый и аэрозольный состав, температура и т.д.) с помощью наземных и космических измерений, что позволит определить тренды в ее состояние, повысить качество современных численных моделей атмосферы и достоверность прогнозов изменений климата Земли.
Вследствие усиления охлаждения в 15-мкм полосе CO2 температура верхней атмосферы Земли будет понижаться с антропогенным ростом содержания CO2 в будущем. Это явление противоположно росту температуры в нижней атмосфере при увеличении содержания CO2, но также является следствием парникового эффекта.
Для исследования волн в атмосфере целесообразно привлечь информативные для данной задачи наблюдения свечений ночного неба, возникающих в области мезопаузы (высоты 80-100 км).
Будет развиваться методика подстройки параметров стандартной модели магнитосферного магнитного поля для описания состояния магнитосферы с учетом положения спутников в конкретный момент времени.
Предполагается расширить набор кинематических характеристик используемых при восстановлении параметров сейсмической среды, разработать алгоритм с использованием параллельных вычислений для сокращения времени вычислений, выполнить численное моделирование для трехмерной задачи.
|