На правах рукописи ВАЖЕНИН Андрей Андреевич

На правах рукописи
ВАЖЕНИН Андрей Андреевич
Исследование и моделирование глобального распределения
молекулярного кислорода по данным о поглощении
крайнего ультрафиолетового излучения на ИСЗ «КОРОНАС-Ф»
Специальность 25.00.29 – «Физика атмосферы и гидросферы»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук
Москва
2011
Работа выполнена в Государственном учреждении
прикладной геофизики имени академика Е. К. Фѐдорова»
«Институт
Научный
руководитель:
доктор физико-математических наук,
старший научный сотрудник, Нусинов
Анатолий Абрамович
Официальные
оппоненты:
доктор физико-математических наук,
доцент, Тулинов Георгий Филиппович
кандидат физико-математических наук,
старший научный сотрудник, Болдырев
Сергей Иванович
Ведущая организация: НПО «Тайфун»
Защита состоится « » _________ 2011 г. в ___ часов на заседании
диссертационного совета Д 327.008.01 при Институте прикладной
геофизики имени академика Е. К. Фѐдорова по адресу: 129128,
г. Москва, ул. Ростокинская, д.9
С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке ГУ
«ИПГ» по адресу: 129128, г. Москва, ул. Ростокинская, д.9
Автореферат разослан « » ___________ 2011 года
Учёный секретарь диссертационного совета:
к.ф.-м.н.
Е. Н. Хотенко
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Формулировка проблемы и её актуальность
Имеющиеся в настоящее время модели верхней атмосферы
базируются, в основном, на спутниковых измерениях на высотах, где
преобладающими газовыми компонентами атмосферы является
атомарный кислород и молекулярный азот. На более низких уровнях
атмосферы – в районе 100 км – объем экспериментального материала,
положенного в основу существующих моделей, значительно меньше,
и состоит, в основном, из масс-спектрометрических данных ракетного
зондирования. Эти данные, в силу естественных причин, ограничены
выбором ракетных полигонов и немногочисленностью запусков
(Николе М., 1964; Offermann D. et al., 1981; Weeks L. H., Smith L. G.,
1968). Вследствие этого модельные данные по большей части
основаны на чисто теоретических представлениях. Между тем состав
атмосферы на указанных высотах принципиально важен для ряда
научных, а также прикладных задач, и требует уточнения. Кроме того,
в последнее время активно дискутируется вопрос об изменении
состава атмосферы на этих высотах вследствие эффектов, связанных с
трендами (см., например, Lastovička J. et al., 2008). Всѐ это приводит к
необходимости
систематического
измерения
концентрации
молекулярного кислорода на этих высотах.
Одним из таких методов может служить метод определения
концентрации молекулярного кислорода по информации о
поглощении крайнего ультрафиолетового (КУФ) излучения Солнца, в
том числе, при спутниковых измерениях (Garriott O. K., Norton R. B.,
Timothy J. G. , 1977; Roble R. G., Norton R. B, 1972). Преимущества
подобного метода заключаются в том, что он обеспечивает:

возможность непрерывного мониторинга;

возможность выявления сезонных и широтных вариаций;

возможность выявления эффектов, связанных с геомагнитной
активностью и солнечными вариациями.
В настоящей работе были использованы данные космического
аппарата (КА) «КОРОНАС-Ф», который функционировал на орбите в
3
течение около пяти лет, на которые пришлись максимум и фаза спада
23-го солнечного цикла.
Несмотря на большое количество работ, связанных с
исследованием состава верхней атмосферы (как экспериментальных,
так и теоретических), многие параметры на высотах около 100 км
остаются недостаточно изученными. Также представляет интерес
исследование временных вариаций этих параметров.
Задачи диссертационной работы
Диссертационная работа, заключавшаяся в экспериментальном
исследовании вариаций концентрации молекулярного кислорода в
верхней атмосфере по данным о поглощении крайнего солнечного
УФ-излучения, включала в себя решение нескольких задач:
1.
Разработка и развитие методических основ определения
характеристик распределения молекулярного кислорода на высотах
около 100 км по данным о поглощении солнечного КУФ излучения
применительно к конкретным особенностям измерительных средств
КА «КОРОНАС-Ф» и предполагаемых перспективных средств
мониторинга Росгидромета.
2.
Получение
информации
о
высотном
распределении
молекулярного кислорода по данным о поглощении солнечного
коротковолнового излучения, измерявшегося на КА «КОРОНАС-Ф».
3.
Изучение влияния солнечной активности на концентрацию
молекулярного кислорода в верхней атмосфере.
Вышеперечисленные задачи решались с помощью анализа
данных измерений аппаратуры ВУСС-Л, установленной на борту
КА «КОРОНАС-Ф», и обработки этих измерений. Для оценки
полученных результатов, были использованы такие известные
атмосферные модели как Яккия-77, MSIS-86 и некоторые другие.
4
Научная новизна работы
Предложен метод мониторинга концентрации молекулярного
кислорода в верхней атмосфере, основанный на сравнении
спутниковых измерений поглощения крайнего УФ излучения вблизи
моментов восхода и захода Солнца с расчѐтами, использующими
эмпирическую модель верхней атмосферы на высотах более 90 км.
Существенно, что в ходе разработки метода не применялись
распространенные аппроксимации и приближения (в частности,
использование функции Чепмена), заведомо приводящие к
погрешностям: вместо них применяется решение задачи о
поглощении, использующее численное интегрирование вдоль пути
распространения излучения.
Доказано, что на исследуемых уровнях атмосферы (90–120 км)
можно использовать приближение тонкого луча, но для того чтобы
минимизировать погрешности, вызванные подобным приближением,
желательно учитывать геометрические размеры Солнца.
Научная и практическая ценность работы
В ходе работы были достигнуты результаты, основные из
которых можно свести к следующему:
 Предложен метод оценки концентрации молекулярного
кислорода в атмосфере на высотах от 90 до 120 км, основанный на
сравнении результатов расчетов поглощения солнечного излучения с
данными экспериментов. В настоящей диссертации источником
экспериментальных данных служила информация о поглощении
крайнего ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца, полученная с
помощью аппаратуры ВУСС-Л, установленной на борту КА
«КОРОНАС-Ф».
 Развит метод расчѐта ослабления реально измеренных
спектров
солнечного
излучения
с
учѐтом
спектральной
чувствительности датчиков КУФ излучения, который использует
интегрирование концентрации поглощающих газов в атмосфере вдоль
пути распространения солнечного излучения; нижняя граница
5
интеграла лежит в точке, в которой необходимо определить
поглощение излучения, верхняя граница – на Солнце.
 На основании анализа проведѐнных расчѐтов для данных
измерений с борта КА «КОРОНАС-Ф», показано, что Солнце при
вычислениях поглощения для высот более ~90 км можно
рассматривать в качестве точечного источника излучения, но для
минимизации погрешности было принято решение учитывать
геометрические размеры светила.
 Предложены уточнения для проведения баллистических и
астрономических расчѐтов с целью более точного определения
траектории движения КА по орбите. В частности, показана
необходимость учѐта уравнения времени при расчетах положения
Солнца; в противном случае неизбежны значительные погрешности в
расчетах поглощения солнечного УФ излучения в атмосфере.
Выполнены оценки влияния точности определения положения КА на
орбите на результаты вычислений концентрации молекулярного
кислорода.
 Проведен анализ влияния вариаций солнечной активности на
концентрацию молекулярного кислорода для высот в районе 100 км.
Выявлено, что это влияние незначительно. Этот результат хорошо
согласуется, в частности, с атмосферной моделью Jacchia-77.
 На основе предложенной методики получена оценка
концентрации молекулярного кислорода в атмосфере для нескольких
произвольно выбранных дат. Показано, что несмотря на хорошее
согласие с моделью Яккия-77, возможны значительные отклонения.
Например, для данных за 28.01.2003 с борта КА «КОРОНАС-Ф»
оценочная концентрация молекулярного кислорода на высотах от 90
до 120 км примерно на 30% выше, чем концентрация согласно
атмосферной модели Яккия-77, которая использовалась в качестве
начального высотного распределения молекулярного кислорода при
вычислениях поглощения солнечного излучения.
 Создан методический аппарат, позволяющий проводить
детальное исследование верхней атмосферы при наличии данных
непрерывных длительных измерений, например на КА «КОРОНАС6
Ф», который существовал на орбите почти 5 лет, или на КА
«КОРОНАС-ФОТОН», который существовал на орбите почти год.
Этот метод может быть использован для выявления временных,
сезонных и широтных вариаций концентрации поглощающих газов в
верхней атмосфере. Подобный анализ мог бы существенно дополнить
имеющиеся данные о строении и структуре верхней атмосферы.
 Выполнен детальный анализ различных видов аппроксимаций
функции Чепмена, которая находит широкое применение в задачах,
связанных с поглощением солнечного излучения в атмосфере Земли, а
также еѐ применимости для зенитных расстояний от 0 до 120°.
Показано, что использование функции Чепмена приводит к
существенным погрешности при расчетах для больших зенитных
расстояний (более 90°). Сделано обоснование необходимости
использования в таких случаях методов расчетов, свободных от
использования функции Чепмена.
 Описанная методика была проверена на данных прибора
ФОКА, установленного на борту другого КА – «КОРОНАС-ФОТОН»,
который функционировал на околоземной орбите чуть меньше года.
Особенностью данного прибора являлось то, что он «видел» в
основном линию Лайман-альфа. Проведѐнные расчѐты показывают
хорошую согласованность с экспериментальными данными. Был
сделан вывод о том, что данная методика применима для оценки
концентрации молекулярного кислорода по данным спутниковых
измерений, которые фиксируют ослабление солнечного излучения в
КУФ области, при учѐте особенностей конкретных датчиков.
Основные положения, выносимые на защиту
 Предложен метод оценки концентрации молекулярного
кислорода на высотах около 100 км, основанный на данных о
поглощении КУФ излучения Солнца в атмосфере Земли.
 Проведѐнная оценка концентрации молекулярного кислорода
на высотах вблизи 100 км в верхней атмосфере Земли даѐт отличие от
атмосферной модели Яккия-77 на величину от 5% до 300%.
7
 Обосновано использование упрощения, в котором Солнце
выступает в качестве точечного источника излучения применительно
к задачам о поглощении солнечного излучения в атмосфере, если
расчѐты проводятся для высот более ~90 км. Вместе с тем предложен
и реализован метод снижения вычислительной погрешности, при
котором в вычислениях учитываются геометрические размеры
светила.
 Показано, что уровень солнечной активности слабо влияет на
концентрацию молекулярного кислорода в верхней атмосфере на
высотах ниже ~120 км. Этот результат согласуется с атмосферной
моделью Яккия-77 и MSIS.
 Показано, что функция Чепмена, которая широко используется
при решении задач, связанных с поглощением солнечного излучения в
атмосфере Земли, неприменима при расчетах, в которых зенитные
расстояния Солнца больше ~90°, т. к. еѐ использование при таких
условиях приводит к большим вычислительным погрешностям.
Обоснован и реализован метод интегрирования концентрации
молекулярного кислорода вдоль пути распространения солнечного
излучения в подобных геофизических задачах.
Личный вклад автора
Автор принимал участие в постановке задач и выборе методов
их решения, разрабатывал алгоритмы обработки данных с борта КА
«КОРОНАС-Ф»,
предназначенные
для
проведения
оценки
концентрации молекулярного кислорода на высотах в атмосфере
около 100 км, участвовал в анализе полученных результатов и их
интерпретации. Автором было проведено детальное исследование
функции Чепмена и еѐ имеющихся аппроксимаций на предмет
применимости в задачах о поглощении солнечного излучения
атмосферой Земли при больших зенитных углах. Автором был
проведѐн анализ влияния геометрии земного шара и солнечной
активности на интенсивность солнечного излучения, приходящего на
датчик прибора ВУСС-Л с борта КА «КОРОНАС-Ф».
8
Апробация диссертационной работы
Результаты,
полученные
и
описанные
в
данной
диссертационной работе, докладывались и обсуждались на научных
конференциях, посвященных 70-летию первой дрейфующей
экспедиции СП-1 (Москва, 2009), 100-летию со дня рождения
академика Е. К. Федорова (Москва, 2010), а также на 11-ой
Баксанской молодѐжной школе
по экспериментальной и
теоретической физике (Нальчик, 2010).
Основные результаты, изложенные в диссертации, были
опубликованы в реферируемых научных журналах «Геомагнетизм и
Аэрономия» (т. 50, №2) и «Труды Главной геофизической
обсерватории им. А. И. Воейкова» (вып. 559), а также в научных
сборниках «Труды института прикладной геофизики имени академика
Е. К. Фѐдорова» (вып. 86 и 88) и «Труды одиннадцатой Баксанской
молодежной школы экспериментальной и теоретической физики».
1.
СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и
заключения, содержит 164 страницы, 53 рисунка, 5 таблиц и 3
приложения. Список литературы насчитывает 121 наименование.
Во ВВЕДЕНИИ сформулирована тема диссертации, обоснована
еѐ актуальность, обозначены задачи работы, направления
исследований и основные положения, выносимые на защиту.
Показана новизна полученных результатов, их научная и практическая
ценность, а также описана структура диссертационной работы.
В ПЕРВОЙ ГЛАВЕ диссертации, в разделе 1.1, содержится
обзор имеющихся на сегодняшний день методов исследования
строения и газового состава атмосферы. В разделе 1.2 приводятся
современные данные о составе и плотности верхней атмосферы на
высотах вблизи 100 км. Большинство из них основаны на модельных
данных и данных немногочисленных экспериментов, поэтому
представляет интерес дополнить их данными, полученными с
помощью спутниковых измерений, которым посвящена данная
диссертационная работа. В разделе 1.3 дано описание основных
9
существующих моделях атмосферы: Jacchia, MSIS, CIRA и некоторых
других, менее известных. В разделе 1.4 даѐтся описание процессов,
которые способствуют ослаблению излучения Солнца при
прохождении
через
атмосферу
Земли;
рассматриваются
плоскопараллельная и сферически симметричная модели атмосферы.
Показана невозможность использования плоскопараллельной модели
атмосферы, которая может служить лишь для приблизительной
иллюстрации процессов, связанных с поглощением излучении в
реальной атмосфере Земли.
Раздел 2.1 ВТОРОЙ ГЛАВЫ диссертационной работы
посвящѐн краткому описанию аппаратуры ВУСС-Л, установленной на
борту КА «КОРОНАС-Ф», с помощью которой были измерены потоки
КУФ излучения в атмосфере Земли. Здесь же приводятся описание
устройства и характеристик прибора ВУСС-Л. Аппаратура имела
несколько специфических черт: в частности, систематическое
изменение чувствительности датчика во времени, широкий диапазон
регистрируемых длин волн, с максимумом чувствительности вблизи
линии Лайман-альфа. Также во второй главе описан ряд
астрономических задач, необходимых для решения основной задачи
диссертации – определения концентрации молекулярного кислорода
по данным спутниковых измерений.
Раздел 2.2 описывает методику определения местоположения
КА на орбите с помощью орбитальной модели SGP4; эта модель
позволяет рассчитывать траекторию движения КА, используя данные
двухстрочных наборов элементов TLE, которые содержат основные
параметры орбиты КА.
Раздел 2.3 описывает методику определения положения Солнца
относительно Земли и относительно КА в заданный момент времени;
обосновывается необходимость учѐта различия между звѐздным и
солнечным временем (т. н. «уравнения времени») и оценивается его
влияние на точность астрономических вычислений. Приводится
оценка влияния точности определения положения КА на орбите на
результаты вычислений ослабления солнечного излучения при
прохождении через атмосферу Земли.
10
В ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ диссертации рассмотрен ряд
методических задач, которые должны были быть решены, прежде чем
приступать к решению основной задачи – оценки концентрации
молекулярного кислорода в верхней атмосфере. К этим задачам были
отнесены:
 Учет размеров Солнца в задачах о поглощении крайнего УФ
излучения атмосферой Земли (раздел 3.1). Показано, что для высот
более ~90 км при регистрации излучения аппаратурой ВУСС-Л, с еѐ
специфической зависимостью чувствительности от длины волны,
Солнце можно рассматривать в качестве точечного источника
излучения. Однако для того, чтобы минимизировать погрешности
вычислений, желательно учитывать геометрические размеры Солнца.
В наше время доступные вычислительные мощности значительно
возросли и можно не прибегать к подобной экономии на точности
результатов.
 Исследование применимости функции Чепмена в задачах,
связанных с исследованием поглощения крайнего ультрафиолетового
солнечного излучения в атмосфере (раздел 3.2). Показано, что для
больших зенитных углов (больше примерно 90°) использование
функции Чепмена даѐт существенную погрешность при расчетах. При
этом различные аппроксимации, предлагаемые многими авторами,
могут давать значения функции Чепмена для больших зенитных
углов, различающиеся порой в несколько раз (Swider W., Gardner M.
E., 1969). Это приводит к тому, что использование функции Чепмена в
задачах такого рода заведомо привносит большую погрешность в
результаты
вычислений.
Дано обоснование
использованию
численного интегрирования вдоль пути распространения излучения.
 Применение эффективного сечения поглощения в задачах
такого рода (раздел 3.3). Очень удобным кажется применение данного
упрощения, когда вместо расчетов ослабления солнечного излучения
в атмосфере Земли на каждой из длин волн, со своим собственным
сечением поглощения, можно вычислить ослабление один раз,
используя «эффективное сечение поглощения». Однако проведенные
вычисления показали, что такое упрощение не может обеспечить
необходимой точности при вычислениях для широкого диапазона
11
длин волн, поэтому его использование нежелательно. Однако для
небольших участков спектра, например, в области линии Лайманальфа, его использование может быть полезным. Так, было показано,
что значение эффективного сечения поглощения молекулярного
кислорода для данного участка примерно в 1,5 раза больше того,
которое обычно приводится в литературе (например, Ватанабе К.,
1961; Garriott O. K., Norton R. B., Timothy J. G., 1977). Была проведена
оценка влияния изменения сечения поглощения в области около
линии Лайман-альфа на расчѐты поглощения солнечного КУФ
излучения атмосферой Земли. Было отмечено, что изменение сечения
поглощения в этом небольшом участке спектра может существенно
повлиять на результаты расчѐтов.
Решение перечисленных задач позволило при дальнейших
исследованиях значительно снизить погрешности в вычислениях.
ЧЕТВЕРТАЯ ГЛАВА данной диссертационной работы
посвящена непосредственно оценке концентрации молекулярного
кислорода в атмосфере на высотах от 90 до 120 км, а также проверке
описанной методики на основании данных измерений КА
«КОРОНАС-ФОТОН».
В разделе 4.1 изложены основные теоретические выкладки,
геометрия и методика расчѐтов для случая сферически симметричной
атмосферы. Также в разделе 4.1 диссертации проводится оценка
влияния на поглощение солнечного излучения атмосферой некоторых
астрономических и геофизических факторов:
 уровня солнечной активности,
 различия экваториального и полярного радиусов Земли,
 точности определения высоты КА над поверхностью Земли.
Каждый из этих факторов оказывает влияние на результат при
расчетах поглощения крайнего УФ-излучения при прохождении
сквозь земную атмосферу и, как следствие, на результат определения
концентрации молекулярного кислорода в верхней атмосфере.
В разделе 4.2 диссертации дается оценка концентрации
молекулярного кислорода на высотах примерно от 90 до 120 км для
12
нескольких произвольно выбранных дат по данным измерений
солнечного КУФ-излучения с помощью аппаратуры ВУСС-Л на борту
КА «КОРОНАС-Ф» и проводится ее сравнение с некоторыми
атмосферными моделями, такими как модель Jacchia-77, MSIS-90 и
NRLMSISE-00. Показано, что концентрация, полученная по данным
измерений на КА, в среднем на 10-15% ниже, чем по данным
атмосферных моделей для этих высот. Показана повторяемость
результатов вычислений посредством предложенного метода для
разных дат. Также рассмотрена возможность применения данной
методики для наблюдения за сезонными вариациями концентрации
молекулярного кислорода в атмосфере на высотах вблизи 100 км.
В разделе 4.3 диссертации приводится проверка методики на
основании данных прибора ФОКА, установленного на борту КА
«КОРОНАС-ФОТОН». Датчик прибора ФОКА имел узкий диапазон
чувствительности: он регистрировал потоки солнечного КУФ
излучения в области линии Лайман-альфа, а также легко
исключаемый
видимый
свет.
Определение
концентрации
молекулярного кислорода по описанной методике, с учѐтом
особенностей аппаратуры КА «КОРОНАС-ФОТОН», показало
хорошую согласованность результата с атмосферной моделью Яккия77. На основании этого был сделан вывод о возможности
использования данной методики для оценки концентрации
молекулярного кислорода в атмосфере на высотах вблизи 100 км по
данным различных спутниковых измерений, регистрирующих потоки
солнечного КУФ излучения.
В ЗАКЛЮЧЕНИИ содержатся выводы и основные результаты
диссертационной работы. Показаны пути усовершенствования
данного метода и дается предложение о его возможном применении в
составе
спутниковой
системы
мониторинга
концентрации
молекулярного кислорода в верхней атмосфере.
В ПРИЛОЖЕНИИ к диссертационной работе дана таблица
сечения поглощения молекулярного кислорода в диапазоне
чувствительности прибора ВУСС-Л, составленная по данным
нескольких работ. Также приложение содержит две упрощенных
блок-схемы: алгоритма вычисления поглощения солнечного УФ13
излучения в атмосфере Земли и алгоритма получения оценки
концентрации молекулярного кислорода в верхней атмосфере.
Список работ автора по теме диссертации
1.
Важенин А. А. Концентрация молекулярного кислорода на
высотах 90-120 км по измерениям солнечного УФ-излучения на ИСЗ
«КОРОНАС-Ф» // Геомагнетизм и аэрономия. Т. 50. № 2. С. 234-239.
Москва, 2010.
2.
Важенин А. А. Учет размеров Солнца в задачах о поглощении
излучения в атмосфере Земли // Труды Главной геофизической
обсерватории им. А. И. Воейкова. Вып. 559. С. 219-230. СанктПетербург, 2009.
3.
Важенин А. А. О применимости функции Чепмена в задачах о
поглощении излучения Солнца в атмосфере // Труды института
прикладной геофизики имени академика Е. К. Федорова. Вып. 88.
С. 27-30. Москва, 2010.
4.
Важенин А. А. Концентрация молекулярного кислорода на
высотах 90-120 км по измерениям солнечного УФ-излучения на КА
«КОРОНАС-Ф» // Труды института прикладной геофизики имени
академика Е. К. Федорова. Вып. 88. С. 30-37. Москва, 2010.
5.
Важенин А. А. Разработка алгоритма расчета интенсивности
ослабленного солнечного излучения на высотах полета КА
«КОРОНАС-Ф» // Труды института прикладной геофизики имени
академика Е. К. Федорова. Вып. 86. С. 16-23. Москва, 2009.
14