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 |

Аппаратура, методы и результаты радиофизических исследований атмосферного озона

-- [ Страница 1 ] --

ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. П.Н.ЛЕБЕДЕВА

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

На правах рукописи

Соломонов Сергей Вячеславович

АППАРАТУРА, МЕТОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ АТМОСФЕРНОГО ОЗОНА

01.04.01 – Приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Москва 2009 г.

Работа выполнена в Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических Дагкесаманский Р.Д.

наук Пущинская радиоастрономическая обсерватория Астрокосмического центра Физического института им. П.Н.Лебедева РАН

Доктор физико-математических Кутуза Б.Г.

наук, профессор Институт радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН

Доктор физико-математических Ларин И.К.

наук, профессор Институт энергетических проблем химической физики РАН

Ведущая организация: Институт физики атмосферы им. А.М.Обухова РАН

Защита состоится________27 апреля________________2009 г. в _12_часов

на заседании диссертационного совета Д 002.023.02 Физического института им. П.Н.Лебедева РАН по адресу 119991, г. Москва, Ленинский проспект, д.53, ФИАН

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физического института им. П.Н.Лебедева РАН

Автореферат разослан________________________2009 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета

профессор, доктор физ.-мат. наук

/Я.Н.Истомин /

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

В работе представлены результаты создания спектральной аппаратуры и методов дистанционного зондирования озоносферы на миллиметровых (ММ) волнах, а также представлены результаты мониторинга вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере этими методами, показывающие эффективность дистанционного зондирования озоносферы на ММ-волнах с поверхности Земли.

Актуальность работы обусловлена важностью проблемы происходящих в атмосфере глобальных изменений ключевых малых газовых составляющих, наметившейся убылью содержания озона, возникновением таких аномалий, как озонные «дыры». Озабоченность по поводу надежности атмосферной системы как основы биосферы неоднократно высказывалась на представительных научных форумах. При этом отмечался значительный уровень неопределенности в решении проблемы глобальных изменений в атмосфере, в ее защитном озонном слое из-за отсутствия необходимой информации об эволюции окружающей среды под влиянием естественных причин и антропогенных факторов.

Как показывает опыт проводимых исследований, в решении этой проблемы важную роль играет дистанционное зондирование атмосферы Земли, использующее бортовые и наземные методы наблюдения в различных участках спектра электромагнитных волн. Одним из наиболее эффективных способов получения ценной информации об атмосферных параметрах и происходящих в атмосфере изменениях является дистанционное зондирование атмосферы радиофизическими методами в свервысокочастотной области спектра, на миллиметровых волнах. Дистанционное зондирование в этой области спектра имеет ряд достоинств. В диапазоне ММ-волн сосредоточены многочисленные спектральные линии озона, водяного пара, окиси хлора и ряда других газов, являющихся ключевыми в атмосферных процессах. Радиофизические методы позволяют проводить круглосуточные наблюдения атмосферы по ее собственному тепловому радиоизлучению при различных погодных условиях, поскольку ослабление излучения в облаках и слоях аэрозоля в радиодиапазоне существенно меньше, чем в оптической области спектра.



В работе отмечен вклад ведущих отечественных и зарубежных организаций в развитие этих методов, а также сформулированы актуальные задачи радиофизических исследований, поставленные перед данной работой и решённые в ходе её выполнения.

Эффективность радиофизических методов исследования состава атмосферы на миллиметровых волнах с поверхности Земли проиллюстрирована результатами дистанционного зондирования атмосферного озона в стратосфере и мезосфере, где молекулы озона играют ключевую роль в атмосферных процессах.

Объектом исследований в данной работе является наблюдаемая по собственному тепловому радиоизлучению земная атмосфера, предметом изучения – радиофизические методы и исследуемые этими методами изменения вертикального распределения атмосферного озона.

Цели и задачи работы. Целью данной работы является развитие радиофизических методов исследования озоносферы по ее тепловому излучению на ММ-волнах, создание чувствительной спектральной аппаратуры, мониторинг вертикального распределения озона, изучение методами радиофизики физических явлений в земной атмосфере, в ее озонном слое.

Цель первого этапа работы - теоретическое исследование спектров теплового радиоизлучения атмосферы. Сформулированы задачи наблюдений атмосферы и ее озонного слоя радиофизическими методами, на основе численных экспериментов сформулированы требования к спектральной аппаратуре. Цель следующих этапов - создание отвечающих этим требованиям спектрорадиометров, проведение мониторинга вертикального распределения озона и анализ полученных результатов. Задачи наблюдений: изучение происходящих в озоносфере изменений в широком диапазоне высот, от нижней стратосферы и до области мезопаузы, включая высоты, наиболее чувствительные к техногенным загрязнениям, и в широком диапазоне характерных времен: короткопериодных, сезонных и межгодовых изменений. Среди решённых в данной работе задач было участие в комплексных исследованиях атмосферы по международным программам, подспутниковые наблюдения озоносферы, практические рекомендации по внедрению результатов работы.

Достоверность полученных результатов обусловлена применением чувствительной аппаратуры, высокой точностью спектральных измерений, применением эффективных методов наблюдений и современных математических методов обработки результатов эксперимента, адекватных требованиям поставленных задач. Достоверность результатов подтверждена их хорошим соответствием данным независимых измерений.

Научная новизна. К новым результатам относятся следующие положения: 1. Созданы чувствительные супергетеродинные спектрорадиометры 2-х миллиметрового диапазона волн, характеризуемые оригинальной конструкцией и оптимизированными спектральными характеристиками.

2. Разработаны и применены оригинальные методы дистанционного зондирования, включающие эффективную методику решения обратной задачи - восстановления вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере из измеренных спектров методом регуляризации Тихонова.

3. Впервые выполнены многолетние (с 1987 г. по настоящее время) регулярные наблюдения атмосферного озона над Московским регионом на ММ-волнах. Построено высотно-временное распределение содержания озона. Получены новые данные об особенностях этого распределения.

5. Впервые осуществлены (совместно с ИФА РАН) исследования изменений в верхней атмосфере методом одновременных наблюдений спектров излучения озона на ММ-волнах и гидроксила в ближнем ИК-диапазоне

6. Впервые проведены на ММ-волнах одновременные наблюдения вертикального распределения озона из удаленных друг от друга наземных пунктов: Москва, обсерватории Франции и Швеции (в период 1988-1990 гг.). Впервые выполнены исследования озоносферы по результатам одновременных наблюдений на миллиметровых волнах над Москвой (ФИАН), над Апатитами (ИПФ РАН) и над Шпицбергеном (университет Берна). Получены новые данные об особенностях пространственного распределения озона.

7. Показана высокая эффективность мониторинга озоносферы радиофизическими методами в умеренных и высоких широтах.

Научное и практическое значение работы определяется её актуальностью. Разработанная аппаратура и методы являются необходимым этапом в развитии перспективного направления по созданию аппаратурно-методической основы наземной системы мониторинга газового состава атмосферы, ее озонного слоя радиофизическими методами. Полученные в работе результаты теоретических и экспериментальных исследований атмосферы, ее озонного слоя показывают важность и реальность создания отечественной наземной сети мониторинга озоносферы на ММ-волнах. Создания этой сети приобретает особую актуальность в настоящее время, когда происходят трудно прогнозируемые изменения состояния атмосферы.

Характеризуя значение работы, необходимо подчеркнуть следующее:

1. Созданная математическая модель радиоизлучения атмосферы необходима для формулировки требований к создаваемой аппаратуре и для прогнозирования результатов планируемых экспериментов по дистанционному зондированию озона и других малых газовых составляющих атмосферы.

2. Разработанная спектральная аппаратура и методы, включающие эффективную методику решения обратной задачи, необходимы для продолжения проводимого в ФИАН многолетнего мониторинга озоносферы, результаты которого получены наземными методами дистанционного зондирования, т.е. существенно более простыми средствами, чем в случае экспериментов с дорогостоящим спутниковым оборудованием.

3. Показана эффективность созданных методов для решения задач комплексных исследований озоносферы по международным программам, для валидации спутниковых экспериментов.

4. Сформулированы практические рекомендации:

Необходимо создание наземной сети мониторинга озона и других атмосферных газов на ММ-волнах на территории нашей страны и ближнего зарубежья с последующей ее интеграцией в международную глобальную сеть (с использованием опыта данной работы). Важны комплексные наблюдения на ММ-волнах озона, окиси хлора, азотных окислов и других газовых составляющих.

Для изучения мезосферных процессов перспективным являются одновременные наблюдения озона на ММ-волнах и гидроксила в ИК-области спектра из одной и той же области мезосферы по методикам ФИАН и ИФА РАН.

Применение созданных методов необходимо для решения актуальных фундаментальных и прикладных задач, включающих изучение изменений в атмосфере под влиянием естественных и техногенных факторов, а также в целях подспутникового мониторинга атмосферы.

Результаты выполненных исследований показывают важность внедрения развитых в данной работе методов в народное хозяйство, в службы экологического мониторинга для оперативного обнаружения аномальных явлений на ранних стадиях их развития и наблюдения за их эволюцией. Результаты мониторинга крайне важны для рационального природопользования, для принятия решений по защите биосферы в интересах экологической безопасности страны и её устойчивого развития.

5. Внедрение созданных автором методов и полученных результатов исследований выполнялось по следующим направлениям:

Проведение многолетнего мониторинга вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере над Московским регионом с помощью созданной аппаратуры и методов.

Проведение одновременных наблюдений озоносферы на ММ-волнах в ФИАН и в зарубежных обсерваториях, создание единой методики обработки и анализа полученных данных.

Проведение в ФИАН в содружестве с ИПФ РАН исследования пространственного распределения озона на ММ-волнах методом одновременных наблюдений озоносферы из двух пунктов нашей страны (Москва, Апатиты). При этом была применена разработанная в ФИАН единая методика обработки и анализа результатов наблюдений в этих наземных пунктах.

Изучение верхней атмосферы путем синхронных наблюдений на ММ-волнах (ФИАН) и в ИК-диапазоне (ИФА РАН).

Участие в комплексные исследованиях атмосферы в составе глобальной озонометрической сети по международным программам DYANA, CRISTA/MAHRSI, SOLVE 2000. Полученные новые данные о вертикальном распределении озона над Московским регионом были вкладом ФИАН в решение задач указанных международных программ.





Подспутниковый мониторинг вертикального распределения озона.

Личный вклад автора в проведённые исследования.

Вклад автора заключался в постановке задач исследований, в формулировке требований к аппаратуре, в её создании, в разработке методов наблюдения и обработки информации, в проведении мониторинга озоносферы, включая наблюдения по международным программам, анализе полученных результатов и рекомендации по их внедрению. Эта работа выполнялась автором в руководимой им группе спектроскопии миллиметровых волн в отделе спектроскопии Отделения оптики ФИАН (к.ф.-м.н. С.Б.Розанов, к.ф.-м.н. Е.П.Кропоткина, А.Н.Лукин, к.ф.-м.н. А.Н.Игнатьев). Входящие в состав аппаратуры анализаторы спектра разработаны в ИПФ РАН с участием ФИАН. При обработке результатов спектральных наблюдений применён предложенный К.П.Гайковичем итерационный алгоритм на основе метода регуляризации Тихонова. Автором проведены исследования этого метода, выполнен анализ точности решения обратной задачи с его помощью.

Автор являлся инициатором первых одновременных наблюдений озоносферы из удаленных друг от друга обсерваторий (в ФИАН на 142,175 ГГЦ, в обсерваториях Франции и Швеции на 110,8 ГГц), выполненных с целью изучения влияния крупномасштабных атмосферных процессов на пространственно-временное распределение озона. Успешно выполнена программа подспутниковых наблюдений вертикального распределения озона над Москвой на ММ-волнах, а также проведены исследования (в части ФИАН) по международным программам DYANA, CRISTA/MAHRSI, SOLVE 2000.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований автора составили основу проектов, выполненных в ФИАН в рамках отечественных и международных научных программ исследований атмосферного озона. К ним относятся выполнявшиеся под руководством автора (в части ФИАН) научные проекты по программам: «Интеграция» (проект ИО 679/908), Федеральная целевая научно-техническая программа (госконтракт № 43.044.11.2642 от 31.01.2002 г.), Программа фундаментальных исследований ОФН РАН «Проблемы радиофизики», поддержанные РФФИ и выполненные под руководством автора проекты №№ 96-02-19093, 99-02-18132, 03-02-17436, поддержанные ISF проект № NA1000, поддержанный ISF и Правительством РФ проект № NA1300, а также исследования по программам международного сотрудничества с обсерваториями Франции, Швеции, Германии и Южной Кореи.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Разработанные радиофизические методы и аппаратура для мониторинга озоносферы обеспечивают надежную регистрацию с поверхности Земли вертикального распределения озона в стратосфере и мезосфере. С помощью этих методов и аппаратуры выполнен многолетний мониторинг атмосферного озона, включая наблюдения озоносферы в составе глобальной озонометрической сети по международным программам и подспутниковые наблюдения.

2. Созданная спектральная аппаратура для мониторинга вертикального распределения озона на миллиметровых волнах удовлетворяет требованиям, сформулированным на основании численных экспериментов, и характеризуется следующими параметрами:

Центральная рабочая частота – 142,175 ГГц

Ширина диаграммы направленности антенной системы – 1,50

Ширина полосы анализируемых частот составляет 475 МГц

Количество спектральных каналов - 96

3. Частоты и полосы пропускания спектральных каналов оптимизированы для надежной регистрации спектров озона, частотное разрешение спектрорадиометра меняется от 0,1 МГц в центре полосы анализа (в центре линии) до 20 МГц на её краях

4. Полученное в результате мониторинга высотное распределение озона в стратосфере и мезосфере над Москвой характеризуется изменениями различного масштаба времени, которые отражают особенности эволюции озоносферы:

зарегистрированы межгодовые, сезонные и более короткопериодные изменения вертикального распределения стратосферного озона, обнаружена значительная деформация профилей озона в отдельные периоды холодного полугодия

установлена связь вариаций содержания озона с крупномасштабными атмосферными процессами, с влиянием процессов в полярном стратосферном вихре на озоносферу умеренных широт

обнаружены межсуточные и более короткопериодные вариации излучения мезосферного озона

зарегистрировано пониженное содержание озона в наиболее чувствительных к техногенным воздействиям слоях верхней стратосферы.

Апробация результатов работы. Результаты работы опубликованы в рецензируемых журналах, были представлены на отечественных и международных конференциях: 2-й, 3-й, 4-й Всес. школах-симп. по распространению ММ- и субМ-волн в атмосфере (Фрунзе, 1986, Харьков, 1989 г., Н.Новгород, 1991 г.), 2-м и 4-м Всес. симп. по ММ- и субММ-волнам (Харьков, 1984, 1987, гг.), XX, XXI, XXIII съездах по спектроскопии (Киев, 1988 г., Звенигород, 1995 г., Звенигород, 2005 г.), 14-й, 16-й Всес. конф. по распространению радиоволн (Ленинград, 1984 г., Харьков, 1990 г.), 17-й, 18-й, 19-й, 20-й, 21-й, 22-й Всеросс. научн. конф. по распространению радиоволн (Ульяновск, 1993 г., С.Петербург, 1996 г., Казань, 1999 г., Н.Новгород, 2002 г., Йошкар-Ола, 2005 г., п.Лоо, 2008 г.), Всес. конф. по атмосферному озону (Суздаль, 1988 г.), 21 Всес. конф. Радиоастрономическая аппаратура (Ереван, 1989 г.), Всес.симпозиуме «Геофизические аспекты переноса примесей в верхней атмосфере» (Обнинск, 1990 г.), XVI General Assembly of the European Geophysical Society (Wiesbaden 1991), Научн. конф. «Применение дистанционных радиофизических методов в исследовании природной среды» (Муром, 1992 г.), XVII General Assembly of the European Geophysical Society (Edinburg, 1992), International Workshop on Electrodynemics and composition of mesosphere (N. Novgorod, 1992), 2-th, 3-rd, 4-th Int. Symp. Phys. and Eng. of MM and submillimeter waves (Kharkov, 1994, 1998, 2001), 1-й, 2-й, 3-й, 4-й Всеросс. научной конф. «Физические проблемы экологии» (Москва, 1997г., 1999 г., 2001г., 2004г.), Всеросс. научн. конф. «Применение дистанционных радиофизических методов» (Муром, 1999 г.), Int. Radiat. Symp. “Current Problems in atmospheric Radiation” (St.-Petersburg, 2000), Юбилейной Всеросс. научной конф. «Фундаментальные исследования взаимодействия суши океана и атмосферы» (Москва 2002 г.), Международной конф. «Ломоносов 2004» (Москва, 2004 г.), Международных симпозиумах стран СНГ «Атмосферная радиация» МСАР-99, МСАР-2002, МСАР-2006 (С.-Петербург, 1999, 2002, 2006гг.), 9-й Всеросс. школе-семинаре «Волны 2004» (Звенигород, 2004г), SPIE’s Remote Sensing of Clouds and the Atmosphere XI Сonference (Stockholm, Sweden, 2006), 1-й, 2-й, 3-й, 4-й Всеросс. научных конф. «Необратимые процессы в природе и технике» (Москва, 2001 г., 2003 г., 2005 г., 2007 г.), Всеросс. семинарах по радиофизике ММ- и субММ-диапазонов (Н.Новгород, 2005 г., 2007 г.).

Общая структура работы. Работа состоит из введения, 6 глав, заключения, содержит 279 страниц текста и 100 рисунков. Библиография - 320 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ



Pages:   || 2 | 3 | 4 |
 

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.