Исследование устойчивости теплового режима поверхности Земли и расчет параметров атмосферы по инфракрасным спектрам высокого разрешения

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Специальность 01.04.14 - Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ПОВЕРХНОСТИ ЗЕМЛИ И РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ ПО ИК СПЕКТРАМ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ

Захаров В.И.

Екатеринбург - 2009

Работа выполнена на кафедре общей и молекулярной физики в лаборатории глобальной экологии и спутникового мониторинга Уральского государственного университета им. А.М. Горького

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Фомин Борис Алексеевич

доктор физико-математических наук, профессор Селезнев Владимир Дмитриевич

доктор физико-математических наук, член корр. РАН Васин Владимир Васильевич

Ведущая организация: Томский государственный университет

Защита состоится «_14_» __мая __ 2009 г. в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 212.286.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора физико-математических наук при Уральском государственном университете им. А.М. Горького (620083, г. Екатеринбург, К-83, пр. Ленина 51, комн. 248).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Уральского государственного университета им. А.М. Горького.

Автореферат разослан «____» __________ 2009 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.286.01,

доктор физико-математических наук, старший научный сотрудник Н.В. Кудреватых

1. Общая характеристика работы

Актуальность

За минувшее столетие в парниковом эффекте отчетливо проявилась переменная составляющая, наблюдается резкое повышение содержания ключевых парниковых газов (СО2 , СН4 и др.) в атмосфере, сопровождающееся ростом среднегодовой температуры поверхности Земли. Вековой тренд термического режима системы «атмосфера-поверхность» привел к наблюдаемым уже невооруженным глазом климатическим изменениям, таким как масштабное таяние ледников. Отмечается рост ежегодного количества и мощности экстремальных метеорологических событий: ураганов, наводнений и т.п. Согласно данным палеоклиматических исследований, Petit J.R. et al 1999; Jouzel J. et al 2007, тепловой режим нашей планеты следует определенным циклам потепления и похолодания, коррелирующими с изменением содержания СО2 и СН4 в атмосфере. Максимальные вариации температуры поверхности между циклами составляют до 10 градусов. В настоящий период Земля находится в очередном цикле потепления, начавшемся около 10 тыс. лет. Однако, существенной отличительной особенностью нынешнего цикла является то, что количество накопленного СО2 и СН4 в атмосфере сейчас значительно превышает их значения когда либо имевшие место за последние 800 тыс. лет. Минимальные и максимальные значения СО2 и СН4 в атмосфере за эти 800 тыс. лет до индустриального периода составляли соответственно около 190 ppm и 290 ppm по углекислому газу и около 350 ppb и 750 ppb по метану. Концентрация СО2 в современной атмосфере Земли составляет около 380 ppm, а концентрация СН4 около 1800 ppb и произошел этот скачок за последние примерно 150 лет. Аномально высокое содержание ключевых парниковых газов в современной атмосфере и главным образом большая скорость их накопления в настоящее время указывает на возможность антропогенного характера современных процессов. Вероятно, имеющее место за последние 100-150 лет резкое увеличение концентрации парниковых газов в атмосфере связано с аграрной и индустриальной и активностью человека. Следствием чего стало размыкание углеродного цикла и накопление СО2 в атмосфере, Bolin B. 1977; Горшков В.Г. 1995; Kondratyev K.Ya. 1998; Kondratyev K.Ya., Krapivin V.F., Varotsos A. 2003. Рост температуры поверхности в свою очередь способствует увеличению эмиссии углекислого газа из таких резервуаров как океан и карбонаты земной коры, где его запасы огромны и достаточны для создания давления в десяток атмосфер, практически как на Венере. Также с увеличением температуры поверхности возрастает вероятность выхода большого количества CH4 в атмосферу из метаногидратов.

Растущий парниковый эффект на Земле становится важной научной проблемой современности (Будыко М.И. 1980; Bach W. et al, 1987; Клименко В.В. и др. 1994, 2001; Kondratyev K.Ya. 1998, 2003; Bolin B. 2003; Марчук Г.И. 2003; Израэль Ю.А. 2003; Lovelock J. 2004; Горшков В.Г. и др. 2006; Голицын Г.С., Гинзбург А.С. 2007). Основным инструментом для теоретического изучения климатической системы планеты и прогнозирования изменений климата в будущем является численное моделирование процессов тепломассообмена в системе «атмосфера - поверхность» в рамках 3D моделей общей циркуляции атмосферы: Борисенков Е.П. 1960, Manabe S. et al 1964, Монин А.С. 1969, 1975; Голицин Г.А. 1973, Сергин В.Я., Сергин С.Я. 1978; Марчук Г.И. и др. 1980; Hansen J. et al 1983; Кароль И.Л., Фролькис А.А. 1984; Моисеев Н.Н. и др. 1985; Алексеев В.А. и др., 1998; Дымников В.П. и др. 2003; Sumi A. et al 2003 и др.; Мохов И.И. и др. 2006. Центральным направлением современного развития моделей общей циркуляции атмосферы является более детальное описание всех физических процессов, происходящих в атмосфере и океане на как можно более мелкой координатной сетке, включая взаимодействие с биотой и учет рельефа поверхности. Некоторые современные модели учитывают изотопное разделение водяного пара при фазовых превращениях, в которых отношение HDO/H2O является трассером «силы гидрологического цикла», Hoffmann G. et al 2003; Noone D. et al 2004; Shmidt G. et al 2004, Yoshimura K. et al 2008. Поле величины этого отношения для газовой фазы, определённое по Земному шару отражает предысторию формирования воздушных масс (количество циклов испарения и конденсации) и характеризует режим переноса скрытого тепла в атмосфере от экватора к полюсам. Однако, несмотря на детальный учет всех процессов тепломассопереноса в системе «атмосфера - поверхность», современные 3D модели все же имеют один принципиальный недостаток. Радиационный блок этих моделей, характеризующий перенос теплового излучения в молекулярной атмосфере, включает параметризацию только основных колебательных полос поглощения парниковых газов и не учитывает горячие полосы, коэффициент поглощения в которых имеет экспоненциальную температурную зависимость. В результате, при моделировании термического режима системы «атмосфера-поверхность Земли» не учитывается влияние этого экспоненциального механизма положительной обратной связи, который может приводить к пороговым особенностям в парниковом эффекте.

В связи с проблемой аномально быстрого роста концентраций углекислого газа и метана в атмосфере в настоящее время и наличием огромного количества этих газов депонированных в различных земных резервуарах, актуальным становится вопрос о глобальной устойчивости современного термического режима поверхности Земли при условии потенциально возможного «неограниченного» накоплении парниковых газов в атмосфере. На первоначальном этапе такого рода исследований для физически адекватного описания теплового баланса поверхности Земли в широком диапазоне температур выше современной (~100 и более градусов) целесообразна разработка относительно простых 1D (по вертикали) радиационных моделей учитывающих поглощение ИК излучения во всех колебательно-вращательных полосах парниковых газов.

Технологии дистанционного инфракрасного зондирования атмосферы с целью мониторинга метеорологических параметров и состава атмосферы давно и активно разрабатываются как у нас в стране, Кондратьев К.Я. и Тимофеев Ю.М. 1970; Зуев В.Е. 1970; Малкевич М.С. 1973; Зуев В.Е. и Кабанов М.В. 1987; Тимофеев Ю.М. 1989; Зуев В.Е. и Зуев В.В. 1992; Успенский А.Б. и др. 2003, так и за рубежом, Сhahine M. et al 1968, Smith W. et al 1970; Chedin A. et al 1985; Nakajima T. et al 1996; Beer R. et al 2005 и др. Прогресс в развитии инфракрасной техники и появление в 1990-х годах спутниковых Фурье спектрометров достаточно высокого разрешения (до 0.05 см-1) и Фурье спектрометров наземного базирования с разрешением до 0.001 см-1 позволяет иметь десятки-сотни тысяч спектральных каналов в тепловой инфракрасной области. В результате существенно повысилась информативность натурных спектров атмосферы. Обратная задача по определению параметров атмосферы из ее тепловых спектров высокого разрешения стала существенно переопределенной. Произошли качественные изменения в методах обработки и интерпретации спутниковых данных. Успехи в области прикладной атмосферной инфракрасной спектроскопии, создание баз данных детальной спектроскопической информации по атмосферным газам: HITRAN, GEISA и др., накопление априорной информации по профилям температуры и концентраций оптически активных газовых составляющих атмосферы в базе TIGR, информационной системе British Atmospheric Data Center и др. способствуют прогрессу в дистанционном зондировании парниковых газов, таких как: H2O, СО, О3, CH4, NxOy, СО2 и других, включая некоторые их изотопомеры. Наличие системы многолетнего мониторинга управляющих параметров климатической системы Земли (радиационный баланс планеты, альбедо, концентрация парниковых газов, водный цикл, баланс энтропии и свободной энергии на верхней границе атмосферы) позволит в перспективе получать новые знания о физике теплового баланса нашей планеты, выявить характерные тренды в процессе глобального потепления и их количественные характеристики. Важными являются данные по таким параметрам атмосферы и составляющим энергобаланса Земли как:

· температура атмосферы (вертикальный профиль) и подстилающей поверхности;

· концентрация парниковых газов в атмосфере (вертикальный профиль и общее содержание в атмосферном столбе);

· характеристика «силы гидрологического цикла» - отношение HDO/H2O в атмосфере (широтное распределение);

· вероятные стационарные режимы среднегодового теплового баланса планеты в области более высоких температур поверхности и их устойчивость;

· потоки энтропии и потоки свободной энергии излучения через верхнюю границу атмосферы;

Исследование пороговых закономерностей теплового баланса системы «атмосфера-поверхность Земли» при увеличении концентрации парниковых газов в атмосфере имеет фундаментальное значение, а термическое зондирование из космоса параметров, характеризующих состояние атмосферы, является важной прикладной задачей. Решение этих проблем требует более точного учета спектральных характеристик молекулярной атмосферы, что определяет актуальность проводимых исследований, а новые технические возможности дистанционной инфракрасной Фурье спектрометрии атмосферы с высоким спектральным разрешением позволяют внести существенный вклад в их решение.

Основной целью работы является исследование устойчивости глобального термического режима системы «атмосфера - поверхность Земли» в области среднегодовых температур выше современной и получение количественных данных о состоянии атмосферы по ее инфракрасным спектрам высокого разрешения.

Задачи диссертации:

1. Развитие и программная реализация прямых line-by-line и обратных моделей переноса теплового излучения в безоблачной слабоаэрозольной атмосфере (когда многократным рассеянием можно пренебречь) с высоким спектральным разрешением (до 0.0001 см-1) для различных геометрий наблюдения: надир, зенит, лимб, наклонные трассы;

2. Разработка горизонтально-осредненных (глобальных) одномерных (по вертикали) моделей среднегодового термического режима поверхности Земли с положительной обратной связью, учитывающих пороговый механизм поглощения теплового излучения в горячих колебательных полосах СО2, Н2О и других парниковых газов. Экспериментальное подтверждение существования данного порогового механизма;

3. Определение возможных стационарных состояний глобального среднегодового теплового баланса поверхности Земли в области температур выше современной, >288.2K, исследование их устойчивости и условий перехода между ними;

4. Разработка модели для расчетов потоков свободной энергии и энтропии излучения через верхнюю границу атмосферы, исследование экстремумов модели; концепция мониторинга баланса потоков свободной энергии на верхней границе атмосферы;

5. Развитие и программная реализация методов решения обратных задач по переносу теплового излучения в молекулярной атмосфере для определения вертикальных профилей температуры и концентрации парниковых газов в атмосфере по ее инфракрасным спектрам высокого разрешения полученных современными спутниковыми сенсорами: IMG, AIRS и Фурье спектрометрами наземного базирования FTIR;

6. Разработка методологии для дистанционного зондирования параметра атмосферы характеризующего «силу гидрологического цикла» (отношение HDO/H2O в атмосфере) из спектров уходящего в космос теплового излучения и спектров пропускания атмосферы, измеряемых инфракрасными наземными Фурье спектрометрами высокого разрешения. Получение количественных данных о широтно-высотном распределении величины отношения HDO/H2O в атмосфере из спектров уходящего теплового излучения, измеренных сенсором IMG со спутника ADEOS над районом Тихого океана (65 ю.ш. - 65 с.ш.; 130 - 170 з.д.);

Методами исследования являлись: теория переноса теплового излучения и радиационного теплообмена в газовых средах, методы моделирования лучистого теплообмена в системе «атмосфера-поверхность Земли», учитывающие особенности колебательно-вращательной спектроскопии молекул атмосферных газов; квантовая оптика и статистика фотонов; методы решения некорректных обратных задач, линейной алгебры и математической статистики с проведением численных расчетов на ЭВМ; статистический анализ и обработка больших объемов информации (базы данных по спектроскопическим параметрам и параметрам атмосферы, измеряемые спектры).

На защиту выносятся следующие положения:

1. Горизонтально-осредненные одномерные по вертикали энергобалансные модели парникового эффекта в приближении радиационно-конвективного равновесия атмосферы, включающие механизм закрывания окна прозрачности 8-13 мкм из-за поглощения теплового излучения в горячих колебательно-вращательных полосах СО2 и Н2О, предсказывают возможность существования нескольких стационарных режимов глобального среднегодового теплового баланса поверхности Земли в области температур выше современной > 288.2К.

2. Выявленные температурные закономерности, учитывающие положительные и отрицательные обратные связи в процессах теплообмена системы «атмосфера-поверхность Земли», позволяют оценивать пороговую концентрацию СО2 и СН4 в атмосфере, превышение которой ведет к перегреву поверхности и переходу в горячее устойчивое состояние, аналогичное состоянию Венеры. А также оценить предельную скорость увеличения планетарного альбедо с ростом температуры, выше которой современный термический режим поверхности Земли (при заданных начальных концентрациях парниковых газов в атмосфере) является единственной устойчивой точкой в области температур > 288.2K.

3. Модель для расчета баланса потоков свободной энергии излучения на верхней границе атмосферы. Баланс потоков свободной энергии на верхней границе атмосферы планеты как функция оптической толщины эквивалентной серой атмосферы (для теплового излучения) имеет минимум при оптической толщине характерной для атмосферы Земли.

4. Регулярные методы решения некорректных обратных задач инфракрасной атмосферной оптики позволяют с достаточной точностью определять вариабельные параметры атмосферы, такие как: вертикальные профили температуры и концентрацию оптически активных газовых примесей из спектров высокого разрешения (~0.05 cм-1) уходящего в космос теплового излучения Земли в диапазоне 600-2500 см-1.

5. Метод нейронных сетей позволяет решать обратную задачу определения параметров атмосферы (вертикальные профили температуры и концентрации парниковых газов СН4 и СО2) из ее инфракрасных спектров в диапазоне (600-6500 см-1) высокого разрешения (~0.05 cм-1) в реальном режиме времени с точностью сравнимой с другими методами.

6. Методология спутникового зондирования атмосферы Земли с помощью инфракрасной спектрометрии высокого разрешения (~0.05 cм-1) в диапазоне 600-2500 см-1 предоставляет возможность решения задачи мониторинга отношения HDO/H2O в атмосфере - параметра, характеризующего интенсивность цикла фазовых превращений воды в климатической системе.

Достоверность

Достоверность результатов и выводов диссертационной работы обеспечивается использованием хорошо апробированных физических моделей, строгостью используемых математических методов, непротиворечивостью результатов и выводов, согласованностью с современными представлениями о термодинамике и инфракрасной оптике атмосферы, их сравнением с результатами других авторов и экспериментальными данными.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Предложена модель порогового парникового эффекта, описывающая возможные стационарные состояния глобальной среднегодовой температуры поверхности Земли в области температур выше современной. Сделана оценка критических значений параметров модели для перехода из современного состояния атмосферы в перегретое состояние типа Венеры.

2. Предложен метод для расчета баланса потоков свободной энергии излучения на верхней границе атмосферы. Показано, что результирующий поток свободной энергии, поступающий на планету через верхнюю границу атмосферы, имеет минимум при значении оптической толщины атмосферы (для теплового излучения) характерном для атмосферы Земли. Впервые сделана количественная оценка среднегодового баланса потоков свободной энергии на верхней границе атмосферы Земли.

3. Впервые методология нейронных сетей применена для решения обратных задач атмосферной оптики по определению вертикальных профилей температуры и концентраций парниковых газов из инфракрасных спектров атмосферы высокого разрешения.

4. Из данных сенсора AIRS со спутника AQUA впервые выявлены сезонные вариации содержания метана в атмосфере Западной Сибири. Сделана оценка вклада природной эмиссии метана из болот в общее содержание метана в атмосфере над районом 58-68 с.ш.; 58-90 в.д.

5. Предлагается метод дистанционного зондирования среднего по тропосфере отношения концентраций изотопов 13СО2/12CO2 по спектрам пропускания атмосферы в диапазоне 6100-6300 см-1, измеряемых Фурье спектрометрами наземного базирования с высоким разрешением ~ 0.001 cm-1 и достаточно высоким отношением сигнал/шум.

6. Предложена методика определения вертикального профиля отношения HDO/H2O в атмосфере из спектров пропускания атмосферы теплового диапазона, измеряемых Фурье спектрометрами наземного базирования с высоким разрешением.

7. Предложен метод определения вертикального профиля отношения HDO/H2O в атмосфере из спектров уходящего теплового излучения, измеряемых спутниковыми сенсорами с высоким спектральным разрешением.

8. Из спектров сенсора IMG со спутника ADEOS впервые получены количественные данные о широтном распределении вертикальных профилей отношения HDO/H2O в атмосфере и отношения HDO/H2O в полном атмосферном столбе над акваторией Тихого океана.

Научная ценность положений и полученных результатов

· Разработанные 1D модели порогового парникового эффекта позволяют исследовать возможные стационарные состояния термического режима поверхности Земли в широком диапазоне температур и условия переходов между ними.

· Предложенный метод расчета потоков свободной энергии излучения в атмосфере является основой концепции спутникового мониторинга баланса свободной энергии на верхней границе атмосферы Земли.

· Разработанная схема решения обратной задачи методом нейронной сети для главных компонент в принципе может быть применена для определения любых измеряемых характеристик атмосферы, таких как «спектр - атмосферные параметры».

· Полученные из спектров сенсора AIRS со спутника AQUA количественные данные о сезонных вариациях метана в атмосфере Западной Сибири и по вкладу естественной эмиссии метана из болотной экосистемы в атмосферный метан являются опорными для других исследователей.

· Полученное из данных сенсора IMG со спутника ADEOS широтное распределение вертикальных профилей отношения HDO/H2O в атмосфере и отношения HDO/H2O в полном атмосферном столбе над Тихим океаном является реперным для других исследователей, а также используются для верификации моделей общей циркуляции атмосферы учитывающих разделение изотопов воды при фазовых превращениях.

Практическая значимость полученных результатов заключается в том, что развитые модели и методы реализованы в специализированном прикладном программном пакете Fine InfraRed Explorer of Atmospheric Radiation MeasurementS (FIRE-ARMS), предназначенном для исследований в области инфракрасной оптики и спектроскопии искусственных газовых сред и атмосферы Земли. Данный программный пакет доступен на сайте http://remotesensing/ru с 2000 г. и используется специалистами ИММ УрО РАН, УрГУ, ГОИ, ГГО, ИХФ РАН, Югорского НИИ ИТ, ВолГУ, Sun Yat-Sen University, MRI, NIRE, NICT, CCSR of University of Tokyo, и многими другими.

· Разработанная модель взрывного парникового эффекта позволила выявить его пороговый характер и сделать первичную оценку критических значений концентрации СО2 в атмосфере и температуры поверхности для развития глобальной тепловой неустойчивости системы «атмосфера-поверхность Земли».

· Разработанные методы определения концентрации СН4 и СО2 в атмосфере по инфракрасным спектрам высокого разрешения регистрируемых со спутников являются частью системы обработки спутниковых данных для проекта JAXA GOSAT 2004-2013.

· Предложенный метод определения расхода попутного газа на факелах по данным спутниковых сенсоров типа MODIS в инфракрасных каналах использован для эпизодического мониторинга одного из мощных факелов ХМАО расположенного в районе 61.8 с.ш., 77.2 в.д.

· Полученные из спектров AIRS данные по содержанию метана в атмосфере были использованы для оценки вклада естественной эмиссии метана из болот в общее содержание метана в атмосфере Западной Сибири.

· Разработанный метод определения вертикальных профилей отношения HDO/H2O в атмосфере из ее тепловых спектров высокого разрешения позволил получить из данных сенсора IMG со спутника ADEOS широтное распределение профилей HDO/H2O над районом Тихого океана. Полученные данные используются специалистами для верификации известных моделей общей циркуляции атмосферы (NASA GISS ModelE и ECHAM4), учитывающих изотопное разделение в процессах фазовых превращений воды.

Связь с плановыми работами. Работа выполнялась в рамках плановых и инициативных научно-исследовательских работ в соответствии с программами:

· «Инфракрасная колебательно-вращательная спектроскопия атмосферных газов и ее приложения в задачах атмосферной оптики и климатологии»

· «Термическое зондирование атмосферы и подстилающей поверхности, спутниковые измерения».

Часть работ была выполнена автором по грантам №1117 IMG/ADEOS 1995-1999 и STA-MRI-1998, гранту РФФИ-ЮГРА № 03-07-96836, гранту INTAS № 03-51-6294, грантам РФФИ № 06-01-00669 и РФФИ №07-07-00269-а.

Рекомендации по внедрению.

Результаты работы могут быть использованы в организациях занимающихся исследованиями в области теплофизики и инфракрасной спектроскопии искусственных и природных газовых сред, оптики и физики атмосферы, дистанционного зондирования и экологического мониторинга природных и техногенных сред.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на: Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск 1982, 1986); Всесоюзном симпозиуме по молекулярной спектроскопии высокого разрешения (Томск 1982, 1985; Красноярск 1987); Всесоюзном съезде по спектроскопии (Томск, 1983); Международной Вавиловской конференции по нелинейной оптике (Новосибирск, 1984); Международной школе по нелинейной и когерентной оптике (Братислава, 1987); Всероссийском совещании по природным и антропогенным катастрофам (Томск, 1991; Новосибирск, 1993); Международном симпозиуме-школе по молекулярной спектроскопии высокого разрешения (Омск, 1991; Санкт-Петербург, 1996; Томск, 1999; Нижний-Новгород, 1993, 2006); Международном симпозиуме по тепломассобмену и неравновесным процессам в газах (Минск, 1992); Международном коллоквиуме по прикладной атмосферной спектроскопии (Реймс, 1993, 2005); Международном конгрессе по глобальному потеплению (Вена, 1996); Международном симпозиуме «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Томск, 1998); Международном симпозиуме по атмосферным наукам из космоса с использованием инфракрасной Фурье-спектрометрии высокого разрешения (Токио 1994; Тулуза, 1998; Киото, 2000г.); Всероссийской конференции «Обратные задачи и информационные технологии рационального природопользования» (Ханты-Мансийск, 2001, 2005, 2006); Международной конференции «Ракетные двигатели и проблемы освоения космического пространства» (Москва, 2003); Всемирной конференции по изменению климата (Москва 2003); Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация» (Санкт-Петербург, 2004, 2006); Международной рабочей группе по стабильным изотопам водяного пара в атмосфере (Вена, 2004); Международном симпозиуме по дистанционному зондированию атмосферы, океана, окружающей среды и космоса (Гонолулу, 2004); Международном рабочем совещании по проекту ИНТАС CASUS 03-51-6294 (Ханты-Мансийск, 2004; Томск, 2005; Екатеринбург, 2006; Новосибирск, 2007); Международном рабочем совещании по Фурье спектрометрии атмосферы (Ханты-Мансийск, 2006); Международном симпозиуме «Физика атмосферы: Наука и образование» (С. Петербург-Петродворец, 2007); на совещании рабочей группы «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2007, 2008); на семинарах: по физике солнечно-земных связей (Москва РАН, 1993), Метеорологического исследовательского института (Цукуба, Япония 1998), Центра климатических исследований Университета Токио (Токио, Япония 2000-2001), Национального института информационных технологий (Токио, Япония 2005), Института мониторинга климатических и экологических систем (Томск, 2007), кафедры молекулярной физики УГТУ-УПИ (Екатеринбург, 2008); Международной конференции «Алгоритмический анализ неустойчивых задач» (Екатеринбург, 2008).

Публикации.

Материалы диссертации в полном объеме опубликованы в научной печати, в том числе: в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях: (30 статей), одна глава в коллективной монографии издательства Springer/Praxis UK, в изданиях SPIE (8 статей), один препринт ТНЦ СО АН СССР, в трудах международных и всероссийских конференций и совещаний, в национальных и международных отчетах.

Вклад автора. Основные результаты диссертационной работы получены автором лично как в процессе индивидуальных, так и коллективных исследований. Вклад автора на разных этапах выражался в постановке решаемых задач, разработке моделей и методов их решения, проведения расчетов, обсуждении и интерпретации полученных результатов.

Под руководством автора в исследованиях принимали непосредственное участие сотрудники: К.Г. Грибанов, М.В. Фалько, О.И. Асипцов, А.Ю. Топтыгин. Часть результатов первой главы и основные результаты третьей главы и приложений получены совместно с К.Г. Грибановым, часть результатов первой главы получена также при участии М.В. Фалько и О.И. Асипцова, часть результатов третьей главы получена при участии А.Ю. Топтыгина. Основные результаты четвертой главы получены совместно с К.Г. Грибановым и А.Ю. Топтыгиным. Лично автору принадлежит постановка задач и формулировка решений по разработке моделей и методов, а также интерпретация полученных результатов. На различных этапах в работе также принимали участие: Вл.Г. Тютерев, А. Нестеренко, В.Е.Прокопьев, В.М. Шмелев, В.Г. Крупкин, С.В. Кондратов, С.А. Ташкун, А. Чурсин, В.Ф. Головко, А. В. Наумов, В.В. Голомолзин, К.С. Алсынбаев, Я.С. Суляев, а также проф. Имасу Р., д-р Касай Я. и д-р Агава А. (Токио, Япония), д-р Аоки Т. и д-р Фукабори М. (Цукуба, Япония), проф. Жузель Ж. и д-р Хоффманн Г. (Париж, Франция), д-р Шмидт Г. (Нью-Йорк, США), проф. Блойтен В. (Утрехт, Нидерланды).

Объем и структура диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, приложения и списка литературы, включающего 456 наименований. Полный объем диссертации 315 страниц, в том числе 147 рисунков, 1 таблица.

2. Краткое содержание работы

Во введении обсуждается актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследований, изложена структура и краткое содержание работы, перечислены выносимые на защиту положения.

В первой главе рассмотрены вопросы переноса теплового излучения в молекулярной атмосфере, прямая line-by-line модель высокого спектрального разрешения (до 0.0001 см-1) для расчета наблюдаемой спектральной плотности яркости излучения безоблачной слабоаэрозольной атмосферы (когда многократным рассеянием можно пренебречь) в диапазоне (0-10000 см-1) для различных геометрий распространения: надир, зенит, лимб, наклонные трассы. Предложены одномерные (по вертикали) спектроскопические модели парникового эффекта, учитывающие пороговый механизм закрывания окна прозрачности 8-13 мкм из-за поглощения в горячих колебательных полосах СО2 и Н2О и допускающие наличие устойчивых и неустойчивых стационарных тепловых состояний системы «атмосфера-поверхность Земли» в широком диапазоне температур поверхности, а также позволяющие оценивать пороговые условия перехода из современного теплового состояния в перегретое состояние, аналогичное состоянию Венеры. Описан оригинальный эксперимент, наглядно демонстрирующий пороговый механизм поглощения инфракрасного излучения в горячих полосах CO2 на примере взрывного разогрева атмосферного воздуха с примесью углекислого газа излучением 10.6 мкм.

Уравнение переноса излучения используется для описания лучистого теплообмена в различных средах с начала прошлого века, Schwarzschild K. 1914, Chandrasekhar 1925, затем получившее развитие (включая разработку 3D моделей) для различных атмосферных приложений в работах: Кузнецова Е.С. 1940; Кондратьева К.Я., Тимофеева Ю.М. 1970, Зуева В.Е. 1970; Фейгельсон Е.М. 1978, 1981; Тимофеева Ю.М. 1989; Титова Г.А. 1989, Фомина Б.А. 1993, 2005; Успенского А.Б. и др. 1999; Мельниковой И.Н., Васильева А. 2002; Сушкевич Т.А. 2005; Lenoble J. 1985; Goody R. 1989; Liou K.N. 2002 и многих других отечественных и зарубежных исследователей. Перенос тепловой радиации в молекулярной атмосфере Земли рассматривается рамках 1D модели в приближении локального термодинамического равновесия, при котором собственное излучение атмосферного слоя выражается через функцию Планка для излучения чёрного тела и молекулярный коэффициент поглощения. Коэффициент поглощения при этом рассчитывается суммированием по всем линиям (line-by-line) с учетом справедливости равновесного (Больцмановского) распределения заселенностей колебательно-вращательных уровней молекул атмосферных газов. Тонкие эффекты, связанные с нарушением локального термодинамического равновесия в высоких слоях атмосферы выходят за рамки рассматриваемых в данной работе.

Впервые метод line-by-line суммирования для атмосферных приложений был применен Кондратьевым К.Я. и Тимофеевым Ю.М. 1967, модернизированный сверхбыстрый line-by-line метод предложен Фоминым Б.А. 1993. Решение одномерного дифференциального уравнения переноса теплового излучения для спектральной плотности яркости атмосферы при наблюдении сверху и снизу имеет вид:

, ,

Где - функция планка для излучения черного тела, - частота монохроматического излучения,- излучательная способность поверхности, , здесь - зенитный угол наблюдений или угол сканирования как функция высоты ; - высота верхней границы атмосферы; , - оптическая толщина и функция пропускания атмосферы, соответственно. Восходящие и нисходящие потоки теплового излучения атмосферы рассчитываются интегрированием функционалов , по всему спектру теплового излучения (для современной атмосферы Земли достаточным является интервал 0-3000 см-1) и по телесному углу полусферы :

Развитая спектральная зависимость функционалов , , , через коэффициент ослабления и непосредственно через интегралы (1) от параметров атмосферы (температура поверхности, вертикальные профили давления, температуры, профили концентраций оптически активных газов) характеризует высокую потенциальную возможность определения этих параметров из перечисленных функционалов, измеряемых спутниковыми или наземными инфракрасными Фурье интерферометрами высокого спектрального разрешения.

Ключевой величиной в расчётах потоков теплового излучения атмосферы является спектральный коэффициент ослабления излучения компонентами атмосферы , который зависит от параметров атмосферы в рассматриваемой точке и волнового числа . Его можно представить как сумму:

где - коэффициент поглощения газовыми составляющими атмосферы, , - коэффициенты поглощения и однократного рассеяния аэрозольными составляющими атмосферы. Для теплового излучения в условиях безоблачного неба основной вклад в (3) даёт , который определяется вертикальными профилями температуры, давления и концентраций всех оптически активных газов в атмосфере. Коэффициент разделяется на line by line коэффициент молекулярного поглощения и дополнительный коэффициент . Последний учитывает эффекты континуального поглощения водяным паром и смешения линий в Q-ветвях CO2 и CH4. Коэффициент молекулярного поглощения газов вычисляется путем суммирования по всем спектральным линиям (line-by-line) всех атмосферных газов с использованием последних версий базы данных HITRAN.

Оригинальной особенностью представленной в работе модели является то, что в отличие от известных в литературе вычислительных кодов, таких как: FASCODE, LBLRTM, сверхбыстрых прямых моделей (Fomin B.A. 1993), а также более поздних моделей, ARTS, SMOCO и других аналогичных моделей, здесь интегрирование осуществляется на нефиксированной сетке высот, Грибанов К.Г. и др. 1999, Gribanov K.G. et al 2001. Количество учитываемых слоев атмосферы для каждого волнового числа выбирается независимо, чтобы обеспечить единую заранее заданную точность расчетов в (1) для всех волновых чисел. Даная прямая модель позволяет рассчитывать спектральные плотности яркости теплового излучения в безоблачной слабоаэрозольной атмосфере в диапазоне 0-10000 см-1 с разрешением до 0.0001 см-1, для различных геометрий распространения, рассчитывать весовые функции, производить конволюцию спектров высокого разрешения с различными аппаратными функциями спектрометров, а также рассчитывать восходящие и нисходящие потоки теплового излучения атмосферы. Она была верифицирована путем сравнения с моделями других авторов, ее возможности для анализа тонких спектроскопических эффектов продемонстрированы на натурных спектрах уходящего теплового излучения Земли, зарегистрированных сенсором IMG со спутника ADEOS и спектрах пропускания атмосферы, регистрируемых наземными FTIR. Данная модель реализована в программном пакете FIRE-ARMS (http://remotesensing.ru) для геометрий наблюдения атмосферы: надир, зенит, лимб, наклонные трассы и использовалась для моделирования критических особенностей парникового эффекта в атмосфере Земли и определения профилей температуры и концентраций парниковых газов в атмосфере из спутниковых данных по тепловому излучению.

Исследования возможных больших колебаний климата в области температур поверхности Земли ниже современной (< 288.2 K), наличие холодных стационарных состояний теплового баланса системы «атмосфера-поверхность» (вплоть до режима оледенения Земли) и анализ их устойчивости обсуждаются в литературе с 60-х годов прошлого столетия, Будыко М.И. 1967; Сергин В.Я., Сергин С.Я. 1978; Голицин Г.С., Мохов И.И. 1978; Crafford C. et al 1978; Ghil M. et al 1979; Кароль И.Л. 1988; Kirschvink J.L. 1992; Hoffman P.F. et al 1998; Lewis J.P. et al 2006 и др. В то время как исследованиям возможных больших колебаний климата в области температур поверхности Земли выше современной (т.е. > 288.2 K) уделяется недостаточно внимания. Классические модели парникового эффекта, Budyko M.I. (1969, 1980), Sellers W.D., (1969), Bach W. et al, (1987), McGuffie K. and Henderson-Sellers A. (1997), базируются на предположении, что тепловой баланс поверхности Земли регулируется главным образом вариациями нисходящего теплового излучения атмосферы в крыльях основной 15 микронной полосы СО2, так как центр этой полосы насыщен. В подобных моделях при увеличении только концентрации одного углекислого газа в атмосфере изменение температуры поверхности можно аппроксимировать логарифмической насыщающейся функцией относительного изменения СО2 в атмосфере. Однако такая зависимость имеет место только до тех пор, пока температура поверхности Земли и концентрация CO2 в ее атмосфере ниже некоторых пороговых значений. В около пороговой области существенным становится поглощение в горячих полосах СО2 и других парниковых газах, особенно H2O, ведущее к закрыванию окна прозрачности 8-13 мкм, Захаров В.И. и др. 1991, 1992, Zakharov V.I. et al 1997, Zakharov V.I. 2008, через которое идет радиационное охлаждение поверхности. Моделирование радиационного режима атмосферы Венеры (Москаленко Н.И., Кондратьев К.Я. 1985) и прямые измерения ее температуры с помощью летательных аппаратов, Кондратьев К.Я. (1990), подтверждают наличие сильнейшего парникового эффекта в ее углекислотной атмосфере с небольшой примесью водяного пара. Температура поверхности Венеры около 730К, несмотря на существенно меньший подогрев ее поверхности солнечным излучением (из-за большого альбедо Венеры ~ 0.75) чем поверхности Земли.

В научной литературе также дискутируются модели, рассматривающие возможность сильного перегрева атмосфер планет, в результате так называемого саморазгоняющегося парникового эффекта, Gold T. (1964), Komabayashi М. (1967, 1968), Ingersoll A.P. (1969,) Abe Y. and Matsui T. (1988), Kasting J. F. (1988), Nakajima S. et al (1992), Pujol Т. (2002), Ishiwatari, M. et al (2007), вследствие накопления большого количества H2O в атмосфере на ранней стадии их эволюции, при условии, если солнечная постоянная превышает некоторое критическое значение. В настоящей работе ставится вопрос, возможен ли аналогичный сценарий в эволюции атмосферы современной Земли, если концентрация парниковых газов, в частности СО2, превысит в ней некоторое критическое значение?

Анализ устойчивости глобального среднегодового теплового баланса поверхности Земли в диапазоне температур ~ 288 K - 600 K проводился в рамках общепринятой энергобалансной концепции Будыко-Селлерса. В результате определялись стационарные решения следующего уравнения:

где - приходящий на единицу поверхности суммарный тепловой поток, складывающийся из потоков солнечного излучения и нисходящего теплового излучения атмосферы , а - уходящий с поверхности суммарный тепловой поток, складывающийся из потоков теплового излучения поверхности и суммарный поток скрытого (испарение) и явного тепла . Здесь - теплоемкость деятельного слоя единицы поверхности, - горизонтально-осредненная среднегодовая температура поверхности, - солнечная постоянная, - планетарное альбедо. - кинетический потенциал.

Все тепловые потоки в уравнении (4) в общем случае являются функциями температуры поверхности. Для существования стационарных состояний теплового режима поверхности Земли, в области температур значительно выше современной, необходимо наличие механизма сильной положительной обратной связи в ее тепловом балансе. Единственный физический механизм, способный обеспечить такую положительную обратную связь - это поглощение теплового излучения в горячих колебательных полосах парниковых газов. Физика данного механизма заложена в экспоненциальной температурной зависимости заселенности колебательно возбужденных уровней молекулы ~, где - энергия колебательного уровня, с которого идет поглощение, - температура газа. В отличие от насыщенных основных полос поглощения горячие колебательные полосы СО2 и Н2О в атмосфере не насыщенны и при увеличении температуры поглощение в них растет экспоненциально. Эта положительная обратная связь служит механизмом закрывания окна прозрачности 8-13 мкм, Рис. 1, через которое происходит радиационное охлаждение поверхности Земли, что ведет к экспоненциальному росту потока с температурой и может приводить к перегреву поверхности (Захаров В.И. и др. 1991, 1992, 2007, 2008; Грибанов К.Г., Захаров В.И. 1993, Zakharov V.I. et al 1993, 1994, 1996, 1997, 2005, 2008).

По вертикали отложена модельная функция пропускания безоблачной атмосферы Земли в спектральном диапазоне 0-4000 см-1 (спектральный диапазон отложен по горизонтали), соответствующая современной температуре поверхности - 288.2K (модель стандартной атмосферы - US standard) - верхняя панель и состоянию атмосферы соответствующему температуре поверхности - 400K - нижняя панель. Окно прозрачности 8-13 мкм (800-1200 см-1) на нижней панели полностью закрыто в результате высокой равновесной концентрации СО2 и H2O в атмосфере при температуре поверхности 400K и сильного поглощения в горячих колебательно-вращательных полосах СО2 и H2O.

Наряду с положительными обратными связями в климатической системе Земли имеются и отрицательные обратные связи, стабилизирующие тепловой режим поверхности планеты. Учитываемой в (4) отрицательной обратной связью в области температур выше современной является процесс охлаждения поверхности уходящими потоками скрытого и явного тепла, Bach W. et al, 1987, а также при более высоких температурах поверхности рост планетарного альбедо из-за увеличения облачности. В качестве биотического механизма отрицательной обратной связи рассматривается фотосинтез, который обусловлен нелинейной зависимостью от температуры в интервале ~ 288 - 310K скорости стока CO2 из атмосферы в биоту: Моисеев Н.И. и др. 1985; Bach W. et al, 1987; Bolin B. et al, 1989; Горшков В.Г. и др. 1994, 1995, 2006; Макарьева А.М., Горшков В.Г. 2001.

Оригинальной особенностью данной модели является то, что поток нисходящего теплового излучения атмосферы рассчитывается из уравнения переноса (1) как с учетом всех колебательно-вращательных переходов парниковых газов, что автоматически позволяет учесть их горячие полосы поглощения и искомую положительную обратную связь. Line-by-line расчет для различных состояний атмосферы проводился в рамках приближения радиационно-конвективного равновесия атмосферы, Manabe, S., Strickler R. F., (1964), сохраняющего температурный градиент в тропосфере. При расчетах в точках из интервала температур поверхности 288-300K использовались модели стандартной атмосферы: US standard (Ts = 288.2 K), Midlatitude summer (Ts = 294.2 K) и Tropic (Ts = 299.7 K). В диапазоне температур 300-600K за основу брался вертикальный температурный профиль модели Tropic и для каждой температуры поверхности (с шагом 20K) трансформировался согласно методологии приближения радиационно-конвективного равновесия. В качестве вертикальных профилей концентрации СО2, Н2О и СН4, соответствующих трансформированному температурному профилю использовались стандартные атмосферные профили концентраций, умноженные на коэффициент их относительного изменения с ростом температуры поверхности. Концентрация и вертикальные профили остальных атмосферных газов полагались неизменными, соответствующими модели US standard. Температурная зависимость уходящих с поверхности потоков скрытого и явного тепла учитывалась на основе литературных данных, Bach W. et al 1987. Вследствие неопределенностей в количественных характеристиках температурного поведения планетарного альбедо в работе рассматривался широкий коридор его возможного поведения, от постоянного во всем температурном интервале до критической скорости роста альбедо с температурой,.

Пример положения стационарных точек температуры поверхности Земли для одной из моделей вероятного поведения альбедо с ростом температуры поверхности приведен на.

Слева: гипотетические зависимости планетарного альбедо Земли от температуры поверхности , описывающие уменьшение альбедо в температурном интервале ~288-295K вследствие уменьшения площади криосистемы и рост альбедо при , из-за увеличения облачности. Начало температурной оси - 288K. Кривая 1 - пример подкритической функции альбедо. Кривая 2 - соответствует критической скорости роста альбедо с температурой для рассматриваемой в работе модели. Кривая 3 - функция альбедо, соответствующая закритической скорости роста.

Справа: пример теплового баланса поверхности (4) для модели альбедо 1 (Рис.2.). Точки пересечения кривых с нулевой линией - стационарные точки теплового баланса. Пунктирная кривая 1 - тепловой баланс без учета отрицательных обратных связей, таких как восходящие с поверхности турбулентные потоки скрытого и явного тепла и фотосинтез. Пунктирная кривая 2 - с учетом только фотосинтеза, пунктирная кривая 3 - с учетом только потоков скрытого и явного тепла, сплошная жирная кривая 4 - с учетом как потоков скрытого и явного тепла, так и фотосинтеза. Кривая 5 - то же что и 4, но при 60 кратном превышении современной концентрации CO2 в атмосфере, а кривая 6 - при 140 кратном. Кривая 7 - то же что и 4, но при закритической для данной модели теплового баланса (4) температурной функции альбедо - модель 3 на Рис.2.

Для уравнения (4) кинетический потенциал определяется как

где значение выбирается из соображения удобства. В стационарных точках уравнения (4), когда , минимумы кинетического потенциала (5) характеризуют устойчивое состояние, максимумы неустойчивое. Показанные на Рис. 3 стационарные состояния будут устойчивыми, если в окрестности стационарной точки и неустойчивыми, когда . Рис.4 отражает поведение функции для моделей теплового баланса , представленных на Рис. 3.

График функции (здесь - теплоемкость деятельного слоя единицы площади поверхности), демонстрирующий трансформацию кинетического потенциала (5) для модели теплового баланса (4), при последовательном учете отрицательных обратных связей. Кривые 1, 2, 3 отвечают соответственно кривым 2, 3, 4 на Рис.3.

Для сравнительного анализа и большей достоверности выводов рассматривалась также другая модель, отличающаяся тем, что в (4) поток рассчитывается в рамках известного приближения эквивалентной серой атмосферы, оптическая толщина которой для каждого из парниковых газов СО2, Н2О и СН4 вычислялась в приближении радиационно-конвективного равновесия атмосферы методом line-by-line с использованием базы данных HITRAN. Оценки в рамках предложенных моделей и на основе литературных данных по параметризации уходящего с поверхности потока скрытого и явного тепла , Bach W. et al, 1987 и учетом фотосинтеза показывают, что критическая температура поверхности ~ 306-320 K, а критическая концентрация СО2 в атмосфере Земли примерно в раз превышает современную концентрацию. При достижении концентрации углекислого газа в атмосфере порогового значения процесс нагрева поверхности Земли становится необратимым и развивается взрывной парниковый эффект, приводящий к закрыванию окна прозрачности 8-13 мкм и перегреву поверхности планеты до высоких температур, Полученные результаты в целом согласуются с результатами и выводами, полученными позднее другими авторами в рамках аналогичных энеробалансных моделей, Макарьева А.М., Горшков В.Г. 2001; Горшков В.Г. и др. 2006.

В конце главы описан эксперимент (Асипцов О.И., Захаров В.И., Грибанов К.Г. 2000), наглядно демонстрирующий обсуждаемый пороговый характер механизма поглощения в горячих колебательно-вращательных переходах молекулы углекислого газа на примере взрывного разогрева воздуха с примесью СО2 резонансным ИК излучением, Рис.5 (правая панель).