авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |

Исследование устойчивости теплового режима поверхности земли и расчет параметров атмосферы по ик спектрам высокого разрешения

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Захаров Вячеслав Иосифович

Исследование устойчивости теплового режима ПОВЕРХНОСТИ Земли и расчет параметров атмосферы

ПО ИК СПЕКТРАМ ВЫСОКОГО РАЗРЕШЕНИЯ

Специальность 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

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

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



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 6 |
 

Похожие работы:







 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.