Діагностування стану та довготермінових змін озонового шару за даними космічних спостережень

Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний

Університет імені Тараса Шевченка

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

04.00.22 - геофізика

Діагностування стану та довготермінових змін озонового шару за даними космічних спостережень

Білокриницька Людмила Мечиславівна

Київ 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському національному університеті імені Тараса Шевченка

Науковий керівник: кандидат фізико-математичних наук, Крученицький Григорій Михайлович, Центральна аерологічна обсерваторія Росгідромету, завідувач відділом озонного моніторингу

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, профессор Мороженко Олександр Васильович, Головна астрономічна обсерваторія НАН України, головний науковий співробітник.

доктор фізико-математичних наук, профессор Покровський Валерій Олександрович, Інститут хімії поверхні НАН України, заступник директора з наукової роботи.

Провідна установа: Український науково-дослідний гідрометеорологічний інститут, м. Київ.

Захист відбудеться “12” “травня” 2005 р. О 1200 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.32 при Київському національному університеті імені Тараса Шевченка за адресою: 03022, м. Київ, вул.Васильківська 90, геологічний факультет, ауд. №. З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: 01033, м. Київ, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розісланий “ 05” “квітня”2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої ради канд. геол.-мін. наук, доцент Сухорада А.В.

1. Загальна характеристика роботи

спектрометр бортовий озоновий зондування

Актуальність теми. Глобальне зменшення загального вмісту озону протягом трьох останніх десятиріч є визнаним фактом та підтверджується даними як наземних, так і супутникових вимірювань. Незалежно від причин, які спричиняють це явище, всі фахівці звертають увагу на зміни рівня опроміненності земної поверхні УФ випромінюванням Сонця, а найбільш істотні його наслідки - це шкідливий вплив на здоров'я населення та нормальну життєдіяльність біосфери. Зміна кількості озону на різних висотах викликає збурення вертикального розподілу температури (ВРТ) в атмосфері, коливання радіаційних потоків та переміщення повітряних мас. Всі ці обставини можуть привести до значних змін клімату Землі. Тому моніторинг поточного стану озонового шару та довготермінових змін у ньому є однією з актуальніших задач фізики атмосфери.

Для вирішення цієї задачі необхідно створення надійної системи моніторингу, яка складається з комплексу апаратури для атмосферно-оптичних спостережень, засобів накопичення та аналізу інформації, що від неї надходить, а також засобів доведення цієї інформації до користувача. Зміни в стані озонового шару та можливі негативні наслідки таких змін стимулювали створення та функціонування різноманітних вимірювальних приладів та їх мереж. Вже досить довго функціонує наземна мережа спостережень за станом озонового шару, велика увага приділяється вимірюванням з літаків та аеростатів, але найбільш інформативними виявились дані супутникових вимірювань. Їх роль надзвичайно велика. Це зумовлено можливістю отримання за їх допомогою інформації про поведінку озону у глобальному масштабі з достатньою детальністю для великих проміжків часу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась відповідно до планів науково-дослідних робіт кафедри астрономії та фізики космосу в НДЛ “Фізика космосу” Київського національного університету ім. Тараса Шевченка за темами:

1) “Розробка УФ-комплексу для позаатмосферних спостережень зовнішньої атмосфери Землі” № держреєстрації 01880009980 (1984 - 1989 рр.);

2) “Дослідження фізичних характеристик комет та взаємодії сонячного вітру з пиловою компонентою комет”, № 570, № держреєстрації 0195U005064 (1992-1995 рр.);

3) в рамках комплексної наукової програми з астрономії Київського університету “Фізичні та метричні властивості Всесвіту, його походження і еволюція” № держреєсрації 0197U003061 (1997 - 2001 рр.);

4) “Дослідження взаємозвязків у плазмових оболонках системи Сонце - магнітосфера - іоносфера - Земля” 01БФ051 - 14, № держреєстрації 0101U002469 (2002 - 2007 рр.).

Мета роботи і задачі дослідження. Мета роботи полягає в розробці, обґрунтуванні та реалізації нових підходів до використання спостережних засобів космічного базування для вирішення фундаментальних та прикладних задач моніторингу озонового шару.

Для досягнення поставленої мети у роботі вирішувались такі задачі:

1. Розробка озонометричного приладу космічного базування - бортового УФ-спектрометру ( БУФС), проведення дослідницької роботи з його експлуатації на борту штучного супутника Землі типу “Метеор”.

2. Розробка методик порівняння довготермінових рядів спостережень загального вмісту озону (ЗВО) приладами наземного та космічного базування з метою контролю якості даних, що надходять з окремих станцій наземної мережі, та довготермінової стабільності супутникового приладу.

3. Розрахунок кліматичних норм ЗВО та спектральної щільності енергетичного опромінення (СЩЕО) УФ-Б діапазону для України за даними спостережень приладом космічного базування TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer).

4. Розробка та обґрунтування методики для розрахунку СЩЕО УФ-Б за даними загального вмісту озону та балу загальної хмарності (БЗХ), одержаних від приладів космічного базування.

5. Розробка програмного забезпечення для щодобового мапування полів спектральної щільності енергетичного опромінення УФ-Б діапазону.

6. Діагностування спостережуваних аномалій у стані озонового шару.

Об'єкт досліджень - озоновий шар Землі.

Предмет досліджень - періодичні та довготермінові зміни у стані полів ЗВО та СЩЕО УФ-діапазону.

Методи досліджень. У роботі використовуються експериментальні та теоретичні методи досліджень, такі як розробка спеціалізованої апаратури, вивчення її метрологічних характеристик і інформаційних можливостей, регресійний аналіз рядів спостережень, розробка емпірічної моделі, числове моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів

розроблено та випробувано на борту космічного апарату (КА) багатоканальний озонометричний прилад УФ діапазону;

розроблено методику взаємного порівняння даних про ЗВО за результатами наземних і космічних вимірювань та обґрунтовані критерії припустимості значень розбіжностей;

запропоновано метод розрахунку полів СЩЕО УФ-Б за даними ЗВО та бал загальної хмарності, що дозволяє мапувати значення цих полів на значних територіях, а не лише в безпосередній близькості від вимірювальних приладів;

за даними вимірів апаратурою CRISTA з борту космічного апарату “Shuttle” доведено, що початкова фаза весняної озонової антарктичної аномалії (ВОАА) розвивається на 3-4 тижні раніше і може поширюватись на значно більш низькі широти, ніж вважалося досі.

Практичне значення отриманих результатів. Результати дисертаційної роботи дозволяють, на основі запропонованих наукових і технічних рішень, забезпечити обладнання українських космічних апаратів власними приладами для озонометричних та УФ-метричних досліджень. Результати даного дослідження підтвердили значний внесок природних процесів у формуванні весняної озонової антарктичної аномалії і обґрунтованість точки зору про недооцінку їх впливу на це явище. Розроблені у роботі методи взаємного контролю якості даних спостережень наземних та космічних озонометричних приладів успішно запроваджені в оперативну практику озонометричної мережі України. Система моніторингу СЩЕО УФ, що розроблена в дисертації, краща за світові аналоги за інформаційними можливостями (спектрально-просторова роздільна здатність - 31 піддіапазон) і показником ціна/якість. Вона дає змогу своєчасно інформувати населення та органи державного управління про небезпечні рівні (дози) ультрафіолетового опромінення і можливі негативні наслідки для здоров'я населення, урожайності с/г культур, нормального розвитку різноманітних біологічних та екологічних систем і, крім того, має перспективи для вдосконалення, перш за все за рахунок впровадження прогностичного блоку.

Особистий внесок здобувача. Всі результати, що внесені до даної роботи, отримані автором самостійно або при безпосередній участі.

В роботах [1,2,9,10] автор брала участь в наукових розрахунках, експериментальному та аналітичному обґрунтуванні структури та технічних параметрів приладу БУФС-2, аналізі результатів одержаних вимірювань у космосі та їх порівнянні з даними наземних вимірів.

В роботі [3] автором виконано розрахунки по обґрунтуванню припустимих рівнів розбіжностей між результатами наземних і супутникових вимірів ЗВО.

В роботах [4,11] автором обґрунтовано алгоритми розрахунку полів СЩЕО УФ радіації, з її участю розроблено відповідні програми та створено користувальницький інтерфейс.

В роботах [5,11-14] автором безпосередньо розроблено критерії діагностування початку ранньої фази ВОАА за даними апаратури CRISTA.

В роботах [6-8] автором проведено науково-інформаційний огляд впливу малих газових складових на стан озонового шару.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідалися на наукових конференціях та семінарах, зокрема:

Всесоюзний симпозіум по атмосферному озону (м.Суздаль, жовтень,1988 р);

XXVIII COSPAR MA 5. The Netherlands, June 25 - July 6, (1990);

3-тя Українська конференція з перспективних космічних досліджень, м. Кацивелі, Крим, (2003 р.);

Друга Українська антарктична конференція 22-23 червня 2004 р. м. Київ, Україна;

ХІ міжнародний симпозіум з оптики атмосфери та океану (червень, 2004 р. м. Томськ, Росія).

Публікації. Результати, викладені у дисертації, опубліковані впродовж 1988 -2004 років: статей у наукових фахових журналах - 5, в матеріалах конференцій -1, тезах конференцій - 5, депонованих рукописах - 3.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, літературного огляду, оригінального матеріалу, представленого в чотирьох розділах, висновків і додатка. Робота викладена на 180 сторінках машинописного тексту, що містить 92 ілюстрації, 13 таблиць, бібліографію з 161 джерел і 3 додатки.

2. Основний зміст роботи

У вступі стисло викладено стан проблеми, обґрунтовано актуальність теми досліджень. Сформульовані мета та задачі дисертаційної роботи. Відображено новизну отриманих результатів, оцінена практична значимість роботи. Приводяться дані стосовно апробації роботи та публікацій основних результатів. Коротко описано зміст кожного з розділів дисертації.

Розділ 1. Сучасний стан дослідження озоносфери. За літературними джерелами проаналізовано результати досліджень вмісту озону, як малої складової атмосфери Землі, а також його роль в екології, біології та кліматі. Виконано огляд сучасного стану методів спостережень за станом озонового шару наземними та космічними засобами. Розглянуто основні характеристики оптико-спектральної апаратури для проведення наземних вимірювань загального вмісту озону. Проведено аналіз і порівняння інформаційних можливостей пасивних та активних (лазерних) методів супутникового газоаналізу земної атмосфери, коротко розглянуто питання фізико-математичної основи цих методів, їхні недоліки і переваги; методики інтерпретації супутникових вимірювань.

Приведено дані про: супутникові експерименти, наукові результати, отримані у ході їх проведення на відповідній оптико-спектральній апаратурі, похибки вимірювань озону; основні результати вимірювань загального вмісту озону та його вертикального розподілу.

На основі аналізу літературних джерел була визначена мета дисертаційної роботи, окреслено коло дослідницьких задач та визначено основні шляхи практичної реалізації мети даної роботи.

Розділ 2. Бортовий УФ-спектрометр (БУФС) та його використання для моніторингу стану озонового шару. В даному розділі наголошується на важливості параметрів, що вимірюються за допомогою БУФС у моніторингу стану озонового шару. Цей прилад призначений для виміру спектральної інтенсивності УФ - випромінювання, відбитого земною атмосферою, а це дає можливість відтворювати поля загального вмісту озону та його вертикального розподілу.

Коротко наведені теоретичні обґрунтування можливості визначення ЗВО і його вертикального розподілу (ВР) за спостереженнями з КА на основі використання методу зворотного розсіювання [15]. Використано рівняння, що описує інтенсивність УФ-Б випромінювання, зворотно відбитого вертикальним стовпчиком атмосфери одиничного перетину

=[ (1)

де k - коефіцієнт поглинання озону; - коефіцієнт чистого розсіювання; no(z), n(z) - концентрації молекул озону та повітря у залежності від висоти над поверхнею Землі; Io - інтенсивність сонячного УФ-випромінювання на границі атмосфери; No(z), N(z) - загальний вміст молекул озону та повітря у стовпчику атмосфери висотою z.

Відповідно, задача визначення кількості озону в атмосфері Землі може бути вирішена шляхом супутникових вимірювань відношення інтенсивності відбитого і прямого сонячного УФ-випромінювання. Фізичною основою озонометричного космічного УФ-методу є спектральна залежність поглинання озону від довжини хвилі.

Функціональна схема вимірювальної частини приладу складається з оптичного блоку, приймача випромінювання, пристрою для формування вихідних сигналів, пристрою для виводу результатів вимірювання.

На борту ШСЗ типу “Метеор” апаратура БУФС-1 працювала з жовтня 1985 р. по лютий 1987 р. Отримано біля 8 тис. спектрів розсіяного УФ - випромінювання над різноманітними районами земної кулі у різні пори року [16].

Одним з основних завдань роботи було проведення порівняння матеріалів спостереження БУФС з даними приладів інших космічних програм - таких як TOMS i SAGЕ.

Для розрахованих значень ЗВО вказані очікувані похибки, які обумовлені невизначеністю отриманих значень ефективного коефіцієнта відбиття підстилаючої поверхні та характеристик хмарності у підсупутникових точках. Розходження отриманих значень ЗВО і даних високоточних наземних вимірювань не перевищували 5%, що підтверджує оцінки похибки вимірювань ЗВО апаратурою БУФС-1: (5-10)%. Наведено результати експерименту БУФС-2, який був встановлений на космічному апараті (КА) типу “Метеор-3” і виведений на колову приполярну орбіту у липні 1988 року.

За допомогою приладу БУФС можна успішно вирішувати актуальні завдання озонового моніторингу. Прилад використовувався для мапування зонально осереднених полів ЗВО та ВРО, які є інформативними для пошуку довготермінових змін у стані озонового шару. Метрологічні можливості БУФС-2 щодо ЗВО приведено, де показано широтний перетин сумарного озону 29 січня 1989 р. Видно, що результати порівняння з даними TOMS досить подібні до даних спостережень БУФС-2 і доводять, що вимірювальні можливості БУФС-2 щодо ЗВО мають високу якість [1,2,9,10]. Дані БУФС-2 для отримання значень сумарного озону оброблялись за вимірами на довжинах хвиль =311,78 нм і = 330,76 нм за методикою, що детально описана в роботі [1]. Випадкові похибки ЗВО

оцінені в 5-6%. Однак, не виключено, що у довготермінових вимірюваннях присутня систематична похибка , оцінити яку важко у зв'язку з малим об'ємом оброблених даних. Втім, її наявність (як випливає з визначення систематичної похибки) не вплинула на оцінку трендів ЗВО.

Вимірювальні можливості БУФС, щодо ВРО дещо скромніші, де порівнюються результати супутникових вимірів цього параметру 29 січня 1989 року з профілем, одержаним 30 січня на станції Хоенпайсенберг (за допомогою балонного приладу Brewer-Mast).

При аналізі розбіжностей було взято до уваги такі обставини:

1. крім часової різниці майже на добу, профілі просторово рознесені на відстань більше 650 км (низька щільність мережі балонного озонозондування та випуску озонозондів - 1 раз на тиждень, не дала змоги обрати для порівняння більш близькі профілі);

2. концентрація озону, що була виміряна за допомогою БУФС, перерахована у його парціальний тиск для порівняння з озонозондом за допомогою даних про температуру, що були одержані інтерполяцією значень у вузлах регулярної гратки. Це спричинило додаткові похибки.

Висновки цього розділу зводяться до наступного: у порівнянні з TOMS, БУФС мав певну перевагу. Його режим вимірювань не передбачав сканування, спряженого з механічним рухом, тому термін експлуатації може бути значно довшим, ніж у TOMS. Це забезпечує більшу однорідність рядів спостережень і відсутність лакун, які мав TOMS у 1994-1996 рр. Щодо вимірювань ВРО, то БУФС мав перед SAGE важливу перевагу за його допомогою можна проводити вимірювання не лише у приполярних зонах, а над всією земною кулею, виключаючи область полярної ночі. Крім того, експлуатація БУФС не вимагала, на відміну від експлуатації лімбових приладів, до яких належить SAGE, прецизійної координатної прив'язки КА, що також підвищувало надійність експлуатаційного процесу. Таким чином експлуатація БУФС у складі космічних засобів озонового моніторингу стану озонового шару могла б сприяти значному підвищенню надійності та інформативності системи моніторингу у цілому, зокрема забезпеченню ефективного демпфування негативних наслідків відмов тих чи інших елементів більш досконалих, але менш універсальних та надійних приладів. Прилад БУФС об'єднав у собі можливості двох таких програм, як TOMS і SAGE - можливість одночасних вимірювань ЗВО і ВРО.

Результати даного розділу опубліковані у [1,2,9,10].

Розділ 3. Моніторинг загального вмісту озону над Україною засобами наземного та космічного базування. Значний внесок в змінність озонового шару дають його сезонні варіації. Тільки після їх виділення можна говорити про якісний та кількісний аналіз довготермінових змін. Це вимагає звертатися до аналізу рядів довготермінових спостережень за станом озонового шару, щоб більш надійно та об'єктивно кількісно оцінити зміни, які виникають, та діагностувати їх причини [3].

Для аналізу стану озонового шару та виявлення довготермінових змін у ньому були залучені дані вимірювальних засобів як наземного, так і космічного базування. Встановлена ступінь відповідності між ними та обґрунтовані критерії вибраковки даних за результатами їх порівняння. Приведено порівняння спостережень загального вмісту озону, які одержані станціями наземної озонометричної мережі України та тими, що надійшли від супутникового приладу TOMS, який має найбільш довгі та однорідні ряди порівняно з іншими вимірювальними засобами космічного базування.

Було проведено аналіз якості матеріалу даних вимірів ЗВО станціями розташованими на території України. Такі спостереження ведуться з 1973 року на станціях Бориспіль, Феодосія, Одеса, Львів, Київ (з 1997 р), Богуслав (до 1997 р.). Всі спостереження проводились за допомогою фільтрових приладів М- 84, а останні 10-річчя М-124. За цей час станціями був накопичений спостережуваний матеріал, який дозволив провести аналіз його якості за допомогою результатів отриманих приладами TOMS (“Nimbus -7”, 1978 - 1993 рр., а з липня 1996 - на борту “Earth Probe”).

Були порівняні значення даних спостережень всіх шести Українських наземних озонометричних станцій з даними TOMS шляхом побудови залежностей “супутниковий відлік - наземний відлік”. При ідеальному співпаданні значень ЗВО точки повинні бути розташовані на прямій . Так можна бачити, що дані спостережень озону у Феодосії досить добре узгоджуються з відповідними даними апаратури TOMS, а найгірші результати відповідають спостереженням у Одесі. (При візуальному аналізі матеріалів слід брати до уваги різницю масштабів по вісях, що обумовлена намаганням забезпечити більш рівномірну щільність зображення спостережуваних відліків в усьому динамічному діапазоні значень кожного з приладів).

Побудова просторових полів розподілу ЗВО над Україною за супутниковими даними має низку переваг у порівнянні з їх побудовою за даними наземних вимірювань. Це пояснюється тим, що:

наземних станцій мало і вони розташовані нерівномірно на території України;

кількість вимірювань ЗВО на наземних станціях не перевищує 6-ти за добу, а за допомогою TOMS ця територія відповідала 144-м рівномірним вимірюванням;

з наземних станцій виключаються спостереження за умов опадів, а дані TOMS поступають щоденно.

З наведених даних розподілу ЗВО над Україною 19.03.1989 р. чітко видно, що результати одержані за супутниковими даними є значно інформативнішими. Крім того, система ізоплетів за наземними даними є осереднена і не передає тонкої структури поля ЗВО над різними регіонами.

Кліматична норма ЗВО - (XCl) вираховувалась для конкретної станції за допомогою ряду Фурє на кожний юліанський день.

,

де t - число юліанських днів від початку року, Ak - амплітуда k -ї гармоніки, Fk - фаза k-ї гармоніки (юліанський день початку максимуму цієї гармоніки), Т=365.25 діб (тривалість тропічного року).

Виявлено, що кліматичні норми за даними наземних станцій і супутникових вимірювань досить близькі між собою, що свідчить про стійкість вибраної процедури їх обчислення. За значенням коефіцієнту лінійної регресії (1.0225х = у) кліматична норма для широтної зони вища на 2,25% ніж для України.

На основі отриманих результатів був відтворений сезонний хід кліматичної норми

ЗВО “Україна - широтна зона” і “Київ - ТОМS. Відмічено, що супутникова кліматична норма більша наземної за великих значень ЗВО, і менша - при малих значеннях ЗВО. Цей факт ми пояснюємо характером циркуляції повітря, коли змінюється бал загальної хмарності. Таким чином, порівняння кліматичних норм ЗВО за супутниковими та наземними даними свідчить про можливість їх сумісного використання для підтримки гомогенності рядів і контролю якості спостережень.

Подальші дослідження були виконані для визначення довготермінових змін (трендів) ЗВО. Обчислення трендів проводилось побудовою для рядів ЗВО - X(t) регресійних моделей типу:

Формула (3) відповідає лінійному тренду, а знак коефіцієнта k визначає зростання чи зменшення ЗВО. Модель , що описується співвідношенням (4) відповідає квадратичному тренду.

За спостереженнями над Україною більш статистично вагомим є квадратичний тренд (при переході від лінійного тренду до квадратичного кількість ступенів свободи моделі зменшується менш ніж на 4·10-3, а коефіцієнт детермінації () зростає з 11% до 13%, тобто 2·10-1.) Наведені лінійні та квадратичні тренди за даними станції Львів. З аналізу трендів видно, що зміни ЗВО не є однонапрямленими, а мають довготерміновий коливальний характер.

Обмеженість терміну спостережень не дає змоги побачити навіть одного періоду коливань, але наявність мінімуму у квадратичному тренді показує можливість існування коливального процесу. Застосована нами методика дозволяє виділяти тренди ЗВО для всієї озонометричної мережі України і за результатами цих розрахунків будувати лінійні та квадратичні тренди.

Порівняння рядів спостережень ЗВО дають змогу поділити станції за якістю їх роботи і закласти основи для її оперативного контролю. Вони також дозволяють визначити станції, дані яких придатні для визначення кліматичних норм, довготермінових змін і, врешті, зробити висновки про характер довготермінових змін ЗВО для України.

Результати даного розділу опубліковані в [3].

Розділ 4. Система моніторингу спектральної щільності УФ-Б радіації для України. В цьому розділі викладена методика розрахунку значень поля спектральної щільності УФ-радіації для будь-якого регіону.

Завданням моніторингу є визначення спектральної щільності енергетичного опромінення (СЩЕО) УФ-Б радіації [11]. Зауважимо, що рівні СЩЕО УФ-Б радіації залежать від ЗВО -Х, зенітного кута Сонця - Z, та БЗХ (аерозольний внесок окремо не враховується). Тому моніторинг СЩЕО повинен базуватись на визначенні зазначених параметрів. Розрахунки СЩЕО УФ-Б радіації проводились за допомогою запропонованої у [17] і узагальненої нами емпіричної формули [4]:

,

де - одинична спектральна щільність, що має розмірність [m] [t]-3[l]-1;

- розмірне значення СЩЕО.

Такий тип залежності був визначений з наступних міркувань:

лінійний член у показнику експоненти відповідає закону Бугера;

квадратичний член доданий для врахування ефекту Форбса при великих значеннях озонної товщі (X/cos Z).

Емпіричні коефіцієнти A(), B() і C() за результатами вимірювань були розраховані методом найменших квадратів для всіх значень балу загальної хмарності з кроком 2 та довжин хвиль у діапазоні 300-315 нм з інтервалом 0.5 нм. Дискретність у виборі довжин хвиль відповідає спектральній роздільній здатності приладів, що розташовані на вибраних озонометричних станціях. Визначення коефіцієнтів А() і В() засвідчило про те, що їх значення залежать від довжини хвилі; дані про коефіцієнт С() показують, що його значення прямо пов'язані з логарифмом спектральної щільності сонячного потоку опромінення на рівні земної орбіти .

Якість моделі СЩЕО для різних балів хмарності на довжині хвилі (як приклад) 315 нм наведена. Наведені результати демонструють те, що для безхмарного або малохмарного неба, БЗХ (1-2), експериментальні та модельні значення СЩЕО УФ-Б добре співпадають (коефіцієнт детермінації R2 = 96%), а вже при БЗХ (5-6) і більше, має місце значне відхилення спостережних даних від модельних (R2 = 64%). Видно, що ефективність емпіричної моделі, яку застосовано, є достатньо високою. Особливо це показово в діапазоні довжин хвиль 300-315 нм та малих значень БЗХ, коли потрібно чекати небезпечно високих значень СЩЕО УФ-Б. Важливою перевагою використання цієї емпіричної моделі є та обставина, що значення обох параметрів, які необхідні для розрахунку полів СЩЕО, можна оперативно отримувати практично для довільного регіону Землі, використовуючи постійно діючі спостережні засоби космічного базування. Загальний вміст озону, вимірюється апаратурою TOMS, яка майже неперервно функціонує з листопада 1978 року на різних космічних апаратах (останні 7 років на “Earth Probe”), дані з якої практично в квазіреальному часі поступають в Internet (http// toms.gsfc.nasa.gov). Це забезпечує користувача інформацією про значення ЗВО у місцевій полудень по всій земній кулі, за винятком областей полярної ночі, з просторовою роздільною здатністю 10 по широті, 1.250 по довготі з темпом оновлення інформації - 1 доба. Програмно-алгоритмічні засоби для засвоєння цієї інформації в системі моніторингу СЩЕО описані у пункті “Засвоєння та архівація супутникових даних про загальний вміст озону” цього розділу.

Інформація про бал загальної хмарності була отримана за допомогою зображень земної поверхні у видимому та ІЧ- діапазонах, що поступала від геостаціонарних та орбітальних супутників. Ця інформація в обробленому вигляді (тобто у вигляді зображень хмарності) існує на сайті http://www.sat.dundee.ac.uk./auth.html, де поновлюється кожні 6 годин. Зручністю моделі є та обставина, що значення обох параметрів (Х, БЗХ) для розрахунків полів СЩЕО можна оперативно отримувати для довільних регіонів Землі за даними супутникових спостережень. Приклад розподілу значень СЩЕО, тобто відповідних карт, приведений. Ці карти дозволяють проводити екологічно спрямовані дослідження розподілу УФ опроміненності не тільки території України, а й території інших регіонів.

Кліматичні норми СЩЕО - це середні значення з відповідними середньоквадратичними відхиленнями для кожного дня року на певній довжині хвилі

наступних величин:

СЩЕО у місцевий полудень;

Інтегральні значення СЩЕО за світловий день;

Потужність середньої СЩЕО за світловий день.

Ці величини були отримані за даними кліматичних норм БЗХ і ЗВО для всієї території України.

Розрахунок кліматичних норм ЗВО був виконаний за даними взятими з архіву Всесвітнього центру даних про озон і УФ-радіацію (Торонто) для апаратури TOMS за період з листопада 1978 р. по жовтень 2002 року. Він виконувався на основі розкладу значень ЗВО у ряд Фурє:

,

де Х(t) - загальний вміст озону (од.Д.) ; t - число юліанських днів від початку року; k - фаза k -тої гармоніки; rest(t) - сума відкинутих (статистично не значущих) гармонік.

У ряду для кожної з 9х16 комірок сітки TOMS (TOMS grid) , що охоплювала територію України, утримувались тільки Фурє - амплітуди, які мали не менш ніж 95% значимості за критерієм Стьюдента. За середнє значення для кожного дня приймалась сума ряду Фурє, а в якості спектрального квадратичного відхилення (СКВ) - СКВ ряду . Наявність кліматичних норм для СЩЕО, БЗХ та ЗВО дає можливість не тільки визначати аномальні (відхилення більш ніж на 2.5% СКВ від норми) значення СЩЕО, але і діагностувати їх, тобто виявляти причину появи аномалії, яка може складатись як з аномально низьких значень ЗВО, так і БЗХ.

Таким чином, були розроблені та програмно реалізовані алгоритми побудови карт значень СЩЕО УФ - опроміненності території України, а також їх відхилень від кліматичної норми в абсолютних одиницях, процентах та одиницях середньоквадратичного відхилення за даними вимірювань загального вмісту озону та хмарного покрова з космічних платформ (“Earth Probe” і “Meteosat”). Отримані результати дозволяють оперативно проводити моніторинг СЩЕО території регіонів України, надійно виявляти та діагностувати аномалії озонового шару. За використанням матеріалів банку даних ЗВО (архіви Всесвітнього центру даних про озон і УФ-радіацію) була створена база даних ЗВО у вигляді, зручних для користування електронних таблиць формату EXEL, які дають змогу оперативно будувати кольорові карти ЗВО. Інформацію БЗХ ми отримували за зображеннями земної поверхні, що надходили з геостаціонарних супутників типу “Meteosat”. На основі наведеної методики були розраховані кліматичні норми СЩЕО для території України.

Запропонована розробка регіональної системи моніторингу озону та УФ-опроміненності набуває не лише екологічного, але й геофізичного значення, оскільки дає змогу збирати об'єктивні дані про стан озонового шару й УФ опроміненності, пов'язувати їх з поведінкою глобальної та регіональної циркуляції та інших геофізичних факторів.

Виконано синтез автоматизованої інформаційно-вимірювальної системи, призначеної для статистичного аналізу та мапування експериментальних даних ЗВО і СЩЕО УФ у регіоні України, визначення основних локальних, а також глобальних геофізичних факторів, які впливають на стан озонового шару та УФ-опроміненність земної поверхні, виявлення і діагностування геофізичних ситуацій, що становлять небезпеку для здоров'я людини та нормального функціонування біологічних і екологічних систем регіону.

Результати даного розділу опубліковані у [4,11].

Розділ 5. Діагностика весняної антарктичної озонової аномалії за даними супутникових вимірювань ІК радіометром CRISTA. У цьому розділі розглядаються новітні факти у проблемі пояснення виникнення весняної озонової Антарктичної аномалії (ВОАА), яка спостерігалась над Антарктидою починаючи з другої половини 80-х років минулого століття. Проведено якісний аналіз механізму утворення ВОАА , що ґрунтується на руйнуванні молекул озону за каталітичним циклом ClO. Доведено, що фотохімічні реакції з вивільненням хлору у період початкової фази ВОАА протікати не можуть, оскільки у цей період практично відсутнє УФ-опромінення (кордон полярної ночі).

На основі спостережних даних, що одержані за допомогою супутникової ІЧ - метричної апаратури CRISTA у період її місій 1994 та 1997 рр., були проаналізовані особливості у вертикальному розподілі (ВР) відношення суміші озону напередодні (ВОАА)- серпень 1997 р.( місія CRISTA-2) та в кінцевій фазі аномалії - листопад 1994 р.( місія CRISTA-1) [12].Знайдено підтвердження гіпотези щодо утворення ВОАА внаслідок руйнування озону на поверхні аерозольних частинок полярних стратосферних хмар (ПСХ) [18]. В роботі [19] виявлено, що у полярній атмосфері виникають аномальні профілі вертикального розподілу (ВР) суміші озону, які характеризуються наявністю двох максимумів, так звані Д-профілі. Так напередодні однієї з найбільших аномалій за всю історію спостережень CRISTA-2 було виявлено 475 Д-профілів серед 31,5 тис. профілів суміші озону (CRISTA-2), а під час місії CRISTA-1 Д-профілів спостерігалось 511 з повної кількості 43 тис.[5].

При тестуванні профілів за даними балонного зондування (архів Світового центру даних ВМО по озону в Торонто) за 1963-2002 рр. серед розглянутих 19,5 тис. профілів поза межами ВОАА таких особливих Д-профілів виявлено не було. Це дозволило застосувати наявність Д-профілів, як критерій аномальності в озоновому шарі.

Проведене співставлення розподілу мінімумів Д-профілів за висотою підтвердило, що найбільша густина мінімумів Д-профілів розташована під ділянками сильних аномалій температури. Їх знак вказує на існування нисхідних гіперстратосферних потоків [13,14]. Надалі ці нисхідні рухи переносять аерозольні частинки ПСХ, вони руйнують озон, що і приводитьдо явища ВОАА. При швидкостях нисхідних рухів 0,8 км на добу вони з висот - (30-50) км опустяться до 18 км за 3-4 тижні до початку аномалії.

Існування аерозольних утворень на таких висотах було зокрема підтверджено спостереженнями (співробітників Інституту Оптики Атмосфери (м. Томськ) під час сибірської озонової аномалії 1997 року. Вони свідчать про те, що області підвищеного вмісту аерозолю спостерігались за 3-4 тижні до початку аномалії у північній півкулі приблизно в тому ж діапазоні висот, що і аномалії температури і мінімуми Д-профілів за 3-4 тижні до початку ВОАА у південній півкулі[14].

Таким чином, проведені нами дослідження за матеріалами ІЧ-радіометра CRISTA підтверджують можливість утворення ВОАА внаслідок прямого руйнування озону на поверхні аерозольних частинок, яке на відміну від руйнування озону у каталітичному циклі ClO може відбуватися у зоні полярної ночі. Проведений аналіз ізольованості південного циркумполярного вихору у цей період свідчить про малу ймовірність появи Д-профілів у зоні полярної ночі за рахунок північної адвекції.

Загальні висновки

1. На основі дослідницької роботи з експлуатації розробленого озонометричного приладу космічного базування - бортового УФ-спектрометру (БУФС), встановленого на штучному супутнику Землі типу „Метеор”, проведено порівняння даних про загальний вміст, та вертикальний розподіл озону в атмосфері, які одержано за допомогою (БУФС) і результатів спостережень моніторингових систем TOMS i SAGE. Підтверджено придатність його до використання у моніторингових системах.

2. Розроблено методики порівняння довготермінових рядів спостережень загального вмісту озону приладами наземного та космічного базування з метою контролю якості даних ЗВО, що надходять з окремих станцій наземної мережі, та довготермінової стабільності супутникового приладу. Розроблені методи взаємоконтролю можна рекомендувати до впровадження в оперативну практику національної озонометричної мережі.

3. За розробленою методикою розраховано кліматичні норми загального вмісту озону та спектральної щільності енергетичної опроміненності УФ для України, а також виконано аналіз довготермінових змін загального вмісту озону над Україною. Отримані результати можуть свідчити про коливальний характер цих змін.

4. Розроблено та обґрунтовано емпіричну модель для розрахунку спектральної щільності енергетичної опроміненності УФ за даними загального вмісту озону та балу загальної хмарності, що одержано від приладів космічного базування. Це дає змогу своєчасно отримувати інформацію про небезпечні рівні ультрафіолетового опромінення та діагностувати геофізичні ситуації, що становлять небезпеку для здоров'я людини, нормального функціонування біологічних та екологічних систем регіону та подавати цю інформацію до відповідних служб.

5. Розроблено програмне забезпечення для щодобового мапування полів спектральної щільності енергетичної опроміненності УФ та виявлення регіонів з небезпечно високими значеннями спектральної щільності енергетичної опроміненності УФ за даними, що надходять від приладів космічного базування на ШСЗ “Earth Probe” та “Meteosat”. Запропонована система моніторингу перевищує рівні світових аналогів за інформаційними можливостями і показником ціна/якість.

6. Проведено порівняльний аналіз початкової фази весняної озонової Антарктичної аномалії (ВОАА) та сибірської озонової аномалії 1997 року. Він показує, що явище ВОАА розпочинається на 3-4 тижні раніше, ніж це вважалося досі, внаслідок умов полярної ночі. Ми вважаємо, що це явище з великою ймовірністю обумовлене прямим руйнуванням озону на частинках аерозолю. Результати даного дослідження підтвердили домінуючий внесок природних процесів у формуванні весняної озонової антарктичної аномалії.

Основні результати опубліковані в роботах

Фахові видання:

1.Д.А. Андриенко, Л.М. Белокриницкая, В.Н. Ващенко и др. Спутниковый спектрометр БУФС-2 для измерения озона методом обратного рассеяния // Косм. наука и техника.1992. Вып. 7. С.115-120.

2.Andrienko D.A., Belokrinitskaya L.M., Kalsin A.V., et all. Satellite spectrometer ВUFS-2 for ozone measurements BY Backscattering. //Adv. Space Res. 1993. Vol. 13, № 1. Р. 329-330.

3.Белокриницкая Л.М., Калинина И.М., Крученицкий Г.М. Мониторинг поля общего содержания озона над Украиной средствами наземного и космического базирования //Космічна наука і технологія. 2004. Т.10, №4. C. 96-103.

4.Белокриницкая Л.М., Белявский А.В., Крученицкй Г.М. Украинская национальная система мониторинга СПЕО УФ-радиации. // Космічна наука і технологія. 2004. Т.10, №1. C. 41-44.

5.Белокриницкая Л.М., Галкина И.М., Крученицкий Г.М. Особенности вертикального распределения озона в канун весенней антарктической аномалии // Космічна наука і технологія.2004. Т.10, № 2/3. С. 45 -50

Результати дисертації додатково висвітлені в працях:

6.Андриенко Д.А., Белокриницкая Л.М., Карпенко А.В. Спектральные характеристики хлор-фтор-метанов, влияющие на состояние озонного слоя. K., 1999. 43 c. Pус. Деп. в ГНТБ Украины 10.11.99, № 310 -УК 99.

7.Андриенко Д.А., Белокриницкая Л.М., Карпенко А.В.Исследование земной атмосферы с целью контроля окружающей среды. Ч. ІІ. Изучение малых составляющих земной атмосферы методом лазерного зондирования.K.,2000.30 c. Pус. Деп. в ГНТБ Украины 03.07.2000, № 135 -УК 2000.

8.Андриенко Д.А., Белокриницкая Л.М., Карпенко А.В.Исследование земной атмосферы с целью контроля окружающей среды. Ч.ІІІ. Эффекты взаимодействия лазерного излучения с атмосферой. Лидарное зондирование метеорологических объектов. K., 2001. 16 c. Pус. Деп. в ГНТБ Украины 12.11.01, №175-УК 01.

Матеріали конференцій:

9.Andrienko D.A., Belokrinitskaya L.M., Vachtenko V.N.et all. Satellite spectrometer ВUFS-2 for ozone measurements BY Backscattering.Paper to be presented of the XXVIII COSPAR MA 5. The Netherlands, Scientific Commission Meting No. 51.10. June 25 - July 6, 1990.

Тези конференцій:

10.Андриенко Д.А., Белокриницкая Л.М. Белявский и др. Спутниковый спектрометр БУФС-2 для измерения озона методом обратного рассеяния //Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума по атмосферному озону, М. : ЦАО Госкомгидромет СССР, г.Суздаль, октябрь 1988г. С.7.

11.Белокриницкая Л.М., Белявский А.В., Крученицкй Г.М. Украинская национальная система мониторинга СПЕО УФ-радиации. //Тр.Третьей Украинск. конф. по перспект. косм. исслед. Кацивели, Крым , 2003. С. 216

12.Белокриницкая Л.М., Галкина И.Л.,Крученицкий Г.М. Диагностика ранней фазы ВОАА по данным аппаратуры CRISTA-2. //Тр.Третьей Украинск. конф. по перспект. косм. исслед. Кацивели, Крым, 2003. С. 234.

13.Белокриницкая Л.М., Галкина И.Л., Крученицкий Г.М. Диагностика весенней антарктической аномалии по данным спутниковых измерений ИК- радиометром “CRISTA”. //Тр. Другої Української антарктичної конференції. Київ, Україна 22-24 червня 2004 р. С.79.

14.G.M. Kruchenitsky, N.E. L.M. Belokrinitskaya, Kadygrov, I.L. Galkina, V.N. Marichev. Diagnostics of formation of spring Antarctic ozone anomaly based on optical measurements data. //XI Joint International Symposium. Atmospheric and ocean Optics.Atmospheric Physics June 23-26, 2004,Tomsk,P-07,p. 40.

Список цитованої літератури

15.Краснопольский В.А.УФ спектр отраженного земной атмосферой излучения и его использование для определения общего содержания и вертикального распределения атмосферного озона // Геомагнетизм и аэрономия. - 1966.- T.6,№2. - C. 298 -306.

16.Андриенко Д.А., Барышева В.И., Ващенко В.Н., и др. Бортовой ультрафиолетовый спектрометр БУФС-1 // Исследование Земли из космоса. -1990.- №1. - С. 67-73.

17.Белявский А.В., Грищенко В.Ф., Крученицкий Г.М., и др. Эмпирическая модель для расчета солнечной ультрафиолетовой облученности по данным измерений, выполненных в ходе Второй Украинской Антарктической экспедиции // Науч. тр. УкрНИИГМИ.- 1999 .- Вып. 247.- Киев.- C. 30-35.

18.Звягинцев А.М., Зуев В.В.,. Крученицкий Г. М., и др. О вкладе гетерофазных процессов в формирование весенней озоновой аномалии в Антарктиде.// Известия РАН.- Исследование Земли из космоса. 2002.- №3.- С. 29-34.

19.Борисов Ю.А., Звягинцев А.М., Зуев В.В., Крученицкий Г.М., Перов С.П., Черников А.А. Тенденции изменения озонового слоя по наблюдениям с помощью спутниковой аппаратуры TOMS и наземной озонометрической сети.// Известия РАН.- Исследование Земли из космоса. 2000.- №6.- С. 23-32.

Анотація

Білокриницька Л.М. Діагностування стану та довготермінових змін озонового шару за даними космічних спостережень. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 04.00.22 - геофізика. -Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2005.

Викладено результати розробки та випробовувань приладу БУФС (бортового УФ-спектрометра), що призначений для моніторингу глобального стану озонового шару (вимірювань загального вмісту та вертикального розподілу озону) з борта космічного апарата, TOMS та балонного зондування. Результати порівняння доводять, що вимірювальні можливості БУФС стосовно до загального вмісту озону достатньо високі. Відмічено, що експлуатація БУФС у складі космічних засобів моніторингу озонового шару могла б сприяти значному підвищенню надійності та інформативності всієї системи озонового моніторингу, тому що БУФС може обєднати вимірювальні можливості таких сучасних систем, як TOMS і SAGE.

Проаналізовано дані спостережень поля загального вмісту озону над Україною наземними та космічними вимірювальними засобами починаючи з 70-х років минулого століття до теперішнього часу. Отримано порівняльні оцінки якості роботи наземних вимірювальних засобів на Україні. Розраховано кліматичні норми, лінійні та параболічні тренди загального вмісту озону для України. Проведено їх порівняння з аналогічними даними для відповідного широтного поясу (440N - 530N). Показано, що довготермінові зміни загального вмісту озону не є однонапрямленими, а носять коливальний характер.

На основі аналізу результатів прямих вимірювань розроблена емпірична модель для розрахунку спектральної густини УФ-опроміненності земної поверхні за даними загального вмісту озону та балу загальної хмарності. Розраховані відповідні кліматичні норми та обґрунтована методика мапування полів в абсолютних одиницях та відхиленнях від цих норм.

За даними, які отримано за допомогою ІЧ-метричної апаратури CRISTA в ході її місій 1994 та 1997 рр., проаналізовані властивості у вертикальному розподілі відношення суміші озону в періоди, що примикають до відповідних весняних озонових аномалій (ВОАА). Оскільки процес утворення вказаних мінімумів протікає на кордоні полярної ночі, можна стверджувати, що їх появу не можна пояснити на основі каталітичного циклу окислу хлору, що підтверджує гіпотезу прямого руйнування озону на поверхні часток полярних стратосферних хмар. Встановлено, що утворення мінімумів протікає в двох просторово рознесених діапазонах висот та тісно повязание з характером та впорядкованістю атмосферних рухів.

Ключові слова: УФ-спектрометр, моніторинг озону, емпірична модель, озонові аномалії.

Аннотация

Белокриницкая Л.М. Диагностика состояния и долговременных изменений озонового слоя по данным космических наблюдений. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 04.00.22 - геофизика. - Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2005.

Изложены результаты разработки и испытаний прибора БУФС (бортового УФ-спектрометра), предназначенного для мониторинга глобального состояния озонового слоя (измерений общего содержания и вертикального распределения озона) с борта КА, TOMS и баллонного зондирования. Результаты сравнения показывают, что метрологические возможности БУФС применительно к общему содержанию озона и вертикальному распределению озона достаточно высоки. Отмечено, что эксплуатация БУФС в составе космических средств мониторинга озонового слоя могла бы способствовать значительному повышению надёжности и информативности всей системы озонового мониторинга, так как БУФС может объединить измерительные возможности ныне эксплуатируемых систем TOMS и SAGE.

Проанализированы данные наблюдений поля общего содержания озона над Украиной наземными и космическими измерительными средствами начиная с 70-х годов прошлого века по настоящее время. Получены сравнительные оценки качества работы наземных измерительных средств на Украине. Рассчитаны климатические нормы, линейные и параболические тренды общего содержания озона для Украины. Проведено их сравнение с аналогичными данными для соответствующего широтного пояса (440N - 530N). Показано, что долговременные изменения общего содержания озона не являются однонаправленными, а носят колебательный характер.

На основе анализа результатов прямых измерений разработана эмпирическая модель для расчета спектральной плотности УФ-облучённости земной поверхности по данным общего содержания озона и балла общей облачности. Рассчитаны соответствующие климатические нормы и обоснована методика картирования полей в абсолютных единицах и отклонениях от этих норм.

По данным, полученным с помощью спутниковой ИК-метрической аппаратуры CRISTA в ходе её миссий 1994 г. и 1997 г., проанализированы особенности в вертикальном распределении отношения смеси озона в периоды, примыкающие к соответствующим весенним озоновым аномалиям (ВОАА). Показано, что образование глубоких минимумов в вертикальном распределении отношения смеси озона, которое раньше наблюдалось только в период ВОАА на затронутых ею территориях, начинается не менее чем за 3-4 недели до начала ВОАА на значительно больших высотах, чем во время ВОАА. Поскольку процесс образования указанных минимумов происходит на границе полярной ночи, можно утверждать, что их появление нельзя объяснить на основе каталитического цикла окисла хлора, что подтверждает гипотезу прямого разрушения озона на поверхности частиц полярных стратосферных облаков. Установлено, что образование минимумов происходит в двух пространственно разнесенных диапазонах высот и тесно связано с характером и упорядоченностью атмосферных движений.

Ключевые слова: УФ-спектрометр, мониторинг озона, эмпирическая модель, озоновые аномалии.

Summary

Bilokrynits'ka L.M. Diagnostics of state and long - term variations of ozone layer from data of space observations. - Manuscript.

Thesis for a scientific degree of Candidate of Physical and Mathematical Sciences by speciality 04.00.22 - geophysics. -Taras Shevchenko Kyiv State University, Kyiv, 2005.

The thesis is devoted to the results of elaboration and testing of the device BUVS (Board Ultra-Violet Spectrometer) designed for monitoring of the global state of the ozone layer (measurement of the total contain and vertical distribution) from the board of space apparatus, TOMS and the balloon probe. The results prove that the measuring abilities of the BUVS on the total ozone contain are comparatively high. It is noted that exploitation of the BUVS together with the space means of monitoring of the ozone layer may considerably increase the reliability and self-descriptiveness of the whole system of ozone monitoring because the BUVS could unify the measuring abilities of such modern systems as, TOMS and SAGE.

We have analyzed the data of observation of the field of total ozone contain over Ukraine by the land-based and space measuring means beginning with the 70-s of the last century until to now. The climatic norms, linear, and parabolic trends of the total ozone content in Ukraine are computed. These results are compared with the analogous data on the corresponding latitude band (440N - 530N). It is shown that long-term variations of the total ozone contain are not unidirectoral and have an oscillating character.

The empiric model of computation of the spectral density of UF - illumination of the Earth surface was elaborated on the base of data on the total ozone contain and the evaluation of the total cloudiness. We calculated the corresponding climate norms and grounded the method of field mapping in absolute units and deviations from these norms.

On the base of data obtained with the help of the infra red installation CRISTA during its missions 1994 and 1997, we have analyzed the properties of ratio of the ozone mixture in the periods that adjoin to the spring ozone anomalies (ВОАА). Since the formation process of the minimums at these times takes place at the boarder of the polar night, we may claim that the catalytic cycle of chlorine oxide cannot explain their appearance. Apparently this confirms the hypothesis of direct ozone destroying on the surface of particles of the polar stratosphere clouds. It is established that formation of the minimums takes place in two space-separated ranges of heights and closely connected with ordering of the atmospheric motions.

Key words: Board Ultra-Violet Spectrometer (BUVS), ozone monitoring, empiric model, ozone anomalies.

Размещено на Allbest.ru

...