РЕФЕРАТ
Отчет 213 с., 12 ч., 63 рис., 18 табл., 223 источников, ___ прил.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: Геосферы, АТМОСФЕРА ПЛАНЕТ, МОДЕЛИРОВАНИЕ, МОНИТОРИНГ, ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ, ДИСТАНЦИОННЫЕ СПУТНИКОВЫЕ И НАЗЕМНЫЕ МЕТОДЫ, ИОНОСФЕРА, МАГНИТОСФЕРА, СЕЙСМОЛОГИЯ, КЛИМАТ
Объект исследований
Атмосфера и ионосфера Земли, температура, газовый и аэрозольный состав атмосферы, дистанционные спутниковые и наземные методы измерений, оптические характеристики атмосферы, микрофизические и оптические характеристики атмосферного аэрозоля, теория переноса излучения в атмосфере, теория распространения радиоволн различных диапазонов и характеристик в атмосфере, динамика атмосферы, климат Земли, СДВ возмущения на полярных трассах, магнитное поле Земли, землетрясения.
Цель работы
Проект направлен на исследование состояния различных геосфер – атмосферы, магнитосферы, земной коры, построение математических моделей протекающих в них геофизических процессов, а также на развитие методов дистанционного зондирования Земли (суши, океанов, недр) и ее внешних оболочек - атмосферы и магнитосферы.
Исследования температуры, газового и аэрозольного состава атмосферы дистанционными наземными спектроскопическими методами и с использованием спутниковых данных с целью получения новых данных о температурном режиме атмосферы и вариациях парниковых и озоноразрушающих газов. Эти исследования включают совершенствование аппаратуры для измерений, разработку и совершенствование физико-математических основ и методик интерпретации данных дистанционных измерений на основе улучшения моделей переноса излучения и используемой априорной информации, интерпретацию и валидацию различных спутниковых данных.
Исследования в области атмосферной радиации, динамики и климатологии атмосферы, включающие разработку и совершенствование методов расчета переноса излучения при условиях нарушения локально-термодинамического равновесия в верхних слоях атмосферы, разработку общей теории планетной термосферы, исследование притоков тепла, обусловленного переносом излучения в полосе поглощения CO2
, исследование тропосферно-стратосферного обмена газовых компонент и влияния солнечной активности на климатическую систему. Эти исследования также проводятся с использованием данных спутниковых измерений для апробации разработанных методик и получения новой информации.
Лабораторные, модельные и спутниковые исследования характеристик атмосферных аэрозолей, оказывающих заметное влияние на перенос излучения в широкой области спектра от УФ до ИК диапазона включительно. Эти исследования включают как экспериментальные измерения характеристик аэрозолей и их изменений под действием окружающей среды, так и модельные разработки для получения совершенной априорной информации об аэрозольной составляющей атмосферы и создания статистических моделей аэрозолей различного типа.
Изучение процессов, происходящих в ионосфере Земли, на базе теоретических разработок новых методик расчета распространения низкочастотных и высокочастотных э.м. полей в на различных трассах в атмосфере и ионосфере Земли, моделирования ионосферы и совершенствования методов прогнозирования ее состояния.
Исследования распространения радиоволн на основе усовершенствования теории их распространения, разработка новых методов решения двумерного телеграфного уравнения.
Исследование процессов взаимодействия Земли и атмосферы, включающее анализ синхронных рядов данных, разработку методик определения свойств сейсмического шума и электромагнитного поля в КНЧ диапазоне в сейсмоактивных регионах до и после землетрясений с целью возможного их прогнозирования, развития и совершенствования методов восстановления параметров сейсмической среды и контроля состояния магнитосферы.
Метод и методологии проведения работы
- Наземные измерения газового состава атмосферы проводились с помощью аппаратуры, использующей 3 метода дистанционного зондирования: 1) метод, основанный на спектрометрии рассеянного из зенита солнечного света в УФ и видимой области спектра; 2) метод, основанный на Фурье-спектроскопии спектров нисходящего теплового ИК излучения атмосферы, 3) метод, основанный на измерениях спектров прямого солнечного излучения.
- Интерпретация наземных измерений проводилась с помощью разработанного специализированного программно-математического обеспечения (ПМО), основанного на современных методиках решения обратных задач атмосферной оптике по восстановлению характеристик атмосферы по данным измерений прямого и рассеянного солнечного излучения, собственного излучения атмосферы. Точность восстановления параметров атмосферы была определена в специальных численных экспериментах и с помощью расчетов матриц ошибок. Методика интерпретации измеренных спектров излучения основана на современных регуляризационных математических методах решения некорректных обратных задач. Используемая физико-математическая модель переноса излучения в атмосферы опирается на современные данные о характеристиках взаимодействии излучения с атмосферными составляющими – газами, аэрозолем и т.д.
- Исследования температуры, газового и аэрозольного состава атмосферы проводились с помощью интерпретации данных различных спутниковых экспериментов, использующих различную аппаратуру и геометрию измерений. Для интерпретации этих данных были использованы различные методики решения обратных задач атмосферной оптики: классический метод статистической регуляризации, линейная множественная регрессия и искусственные нейронные сети. Для реализации этих методов и собрана и организована необходимая априорная информация о 1) радиационных характеристиках различных атмосферных газов, излучательных способностях различных типов поверхностей, оптических характеристик атмосферных аэрозолей; 2) изменчивости (в статистическом смысле) искомых параметров атмосферы и поверхности, задаваемой, например, с помощью первых и вторых моментов (средних значений и ковариационных матриц).
- Анализ результатов интерпретации как наземных измерений, так и данных спутниковых экспериментов проводился с привлечением независимых измерений, климатологических данных и модельных расчетов.
- При разработке нового метода интерпретации измерений геостационарного спутника (прибор SEVIRI) для получения региональных полей общего содержания озона при решении обратной задачи применена методика нейронных сетей и дополнительная имеющаяся спутниковая информация о температурном режиме атмосферы.
- Расчеты и моделирование оптических характеристик атмосферы было выполнено на основе современных данных о спектроскопических параметрах различных полос поглощения.
- Анализ нового спутникового метода определения оптических характеристик стратосферного аэрозоля, основанного на регистрации рассеянного солнечного излучения горизонта Земли в видимой и ближней ИК областей спектра, осуществлялся на основе численного моделирования спутникового эксперимента. Расчеты матриц ошибок решения обратной задачи проводились для различных сценариев эксперимента (различных погрешностей измерений, условий освещения и т.д.).
- Численное моделирование микрофизических и оптических характеристик тропосферного и стратосферного аэрозоля, а также. полярных стратосферных облаков проводилось с использованием компиляции и анализа большого объема различных измерений, генерации громадного объема реализаций.
- Лабораторные исследования свойств аэрозольных частиц выполнялись с использованием как стандартной аппаратуры (просвечивающий электронный микроскоп, измерители влажности и температуры) с известной погрешностью измерений, так и аппаратуры, относящейся к числу оригинальных разработок, выполненных исполнителями настоящего проекта. Точность этих приборов также определена.
- В климатических исследованиях использовались: 1) метод поиска синхронизации между солнечными, околоземными и климатическими процессами на основе техники построения рекуррентных паттернов, а также ее расширение в виде кросс-рекуррентных паттернов, отображающих близкое поведение сложных динамических систем в многомерном фазовом пространстве в области физики; 2) метод разложения по эмпирическим модам; 3) регуляризационная техника; 4) вейвлетный, кросс-вейвлетный и вейвлет-когерентный анализ, позволяющий выявлять частоты, на которых реализуется тот или иной процесс, их фазовые соотношения и степень синхронизации.
- Моделирование распространения э.м. излучения осуществляется с помощью решения нелинейного волнового уравнения с квадратичной зависимостью диэлектрической проницаемости среды от величины электромагнитного поля.
- В теоретических разработках по совершенствованию теории распространения электромагнитного излучения в ионосфере Земли использованы теория представления групп вращения трехмерного пространства, содержащая коэффициенты Клебша–Гордана для получения аналитического выражения.
Результаты работы
- Осуществлен долговременный наземный мониторинг содержания парниковых и озоноразрушающих газов с помощью спектроскопического метода. Определены сезонные вариации содержания парниковых газов, их долговременные тренды. На основе длительных рядов измерений общих содержаний CH4
и CO в районе Санкт-Петербурга получены следующие выводы:
1. Оценки скорости роста общего содержания метана и окиси углерода показали, что за весь период спектроскопических измерений для района С.-Петербурга статистически значимых изменений ОС метана и угарного газа не выявлено.
2. Характеристики среднего годового хода ОС метана, полученные по многолетним данным свидетельствуют, что средний годовой ход ОС метана за 1991-2007 гг. характеризуется максимальными значениями в декабре и минимальными в июне-августе. Характер годовых изменений для отдельных лет измерений может существенным образом отличаться от полученного среднего годового хода. Амплитуда среднего годового хода ОС метана составляет ~ 4%. В 1991-2007 гг. наблюдалась тенденция роста амплитуды годового хода ОС CH4
.
3. Характеристики среднего годового хода ОС СО для 1995-2007 гг. показывают, что амплитуда среднего годового хода составляет 20 %, максимальные значения ОС СО наблюдаются в феврале, минимальные - в июле-сентябре.
4. Сезонные изменения ОС СО для 2007 г. характеризуются более поздним двойным минимумом (июль и сентябрь) и максимумом (март) по сравнению со средним годовым ходом. Вид годового хода 2007 г. практически повторяет «фоновый» 2000 год. При этом значения ОС СО в 2007 г. для всех месяцев (исключение – январь) систематически выше (на ~ 6%) значений, полученных в 2000 г.
- На основе интерпретации данных космических измерений с помощью прибора SAGE III получен большой объем новых данных о состоянии озоносферы в 2002-2005 гг – вертикальных профилей содержания озона, двуокиси азота и коэффициентов аэрозольного ослабления. Проведен анализ данных.
- Получены новые данные о временных вариациях общих содержаний озона и двуокиси азота, в том числе в условиях грозовой деятельности, что позволит проверить и усовершенствовать численные модели атмосферы. Сопоставление данных измерений ОС О3
с эталонными измерениями спектрометра Добсона в Главной геофизической обсерватории (п. Воейково) показало их хорошее соответствие (отличия 1-3 %). Осуществлена валидация спутниковых измерений вертикальных профилей содержания озона м двуокиси азота, общего содержания NO2
(эксперименты с аппаратурой SCIAMACHY и GOME) по данным проведенных наземных измерений ОС NO2
в С. Петербурге.
- Получены новые данные о различных физических параметрах верхней атмосферы на основе интерпретации данных международного космического эксперимента с аппаратурой CRISTA.
- Разработан новый метод комплексного восстановления профилей содержания озона и населенностей возбужденных состояний молекул озона и СО2
из измерений интенсивности уходящего излучения горизонта в спектральной области 10 мкм в условиях нарушения ЛТР. Метод был успешно использован для интерпретации данных двух международных космических экспериментов с аппаратурой CRISTA. Основным результатом проведенных исследований является получение впервые в мире большого объема экспериментальных данных о колебательных температурах различных возбужденных состояний молекулы озона.
- Разработаны методы определения микрофизических характеристик стратосферного аэрозоля и полярных стратосферных облаков (ПСО) по измерениям спектрального коэффициента аэрозольного ослабления космическими приборами SAGE III и SAGE II и получен большой объем новых данных (1998–2005 гг.) об интегральных площадях (S) и объемах (V) стратосферных частиц и характеристик ПСО (2002–2005 гг.). Изучены временные и пространственные вариации этих параметров.
- Разработана новая методика интерпретации свечений верхней атмосферы для получения вертикальных профилей содержания озона.
- Усовершенствованы физико-математические основы дистанционных методов мониторинга и разработаны: 1) новый метод интерпретации измерений геостационарного спутника (прибор SEVIRI) для получения региональных полей общего содержания озона; 2) новый метод определения элементов вертикальной структуры содержания озона из наземных измерений солнечного излучения с высоким спектральным разрешением, предназначенный для интерпретации данных Фурье-спектрометра Брюкера (закупленного физическим факультетом СПбГУ в рамках национального проекта «Образование»).
Проанализированы погрешности определения общего содержания (ОСО) и профилей озона по данным вышеуказанных измерений.
В процессе разработки первого метода
1) созданы архивы данных наземных, спутниковых измерений ОСО и термического состояния атмосферы и подстилающей поверхности; 2) разработаны алгоритмы и создано программное обеспечение поиска и выборки согласованной информации из указанных выше архивов в географической зоне наблюдений прибора SEVIRI; 3) построены и обучены нейронные сети, решающие обратную задачу определения ОСО по результатам измерения уходящего излучения аппаратурой SEVIRI; 4) выполнены тестовые расчеты и проведено сопоставление полученных восстановленных значений ОСО с независимыми данными наземной озонометрической сети. Показано, что средние и среднеквадратичные отклонения результатов восстановления по разработанным алгоритмам от данных наземных измерений составляют 2.0 и 5.8 %, соответственно.
Для второго метода
показано, что:
1. Рассматриваемый метод позволяет восстанавливать профиль содержания озона с высоким вертикальным разрешением в тропосфере с погрешностью 20-25 %.
2. Существенное снижение погрешностей определения озона может быть достигнуто для относительно толстых атмосферных слоев, толщина которых согласована с вертикальными возможностями дистанционного метода. Тропосферный озон (0-10 км) определяется с погрешностью 3-4 %, наилучшая точность достигается при увеличении отношения сигнал/шум до 1000 (за счет увеличения времени измерений) и использовании длинноволновых линий поглощения озона. Для высот 10-40 км при спектральном разрешении измерений 0.002 см-1
и вертикальном разрешении порядка 5 км погрешность измерения озона составляет 3-7 %, при спектральном разрешении 0.01 см-1
- 8-10 %.
3. Общее содержание озона можно восстанавливать рассмотренным методом с погрешностью не более 0.5 %.
- На основе современных параметров взаимодействия излучения с газовой и аэрозольной средой и численного моделирования созданы новые радиационные модели атмосферы для зондирования озоносферы с помощью прибора SAGE III и интерпретации измерений космического прибора CRISTA.
- Проведено новое статистическое моделирование микрофизических и оптических параметров стратосферного аэрозоля с учетом полученной новой информации.
- Созданы банки данных физических параметров атмосферы, характеристик молекулярного поглощения и радиационные коды в различных областях спектра для анализа погрешностей и реализации различных дистанционных методов измерений параметров атмосферы:
1. Банки реализаций вертикальных профилей температуры, влажности и содержания озона (по данным измерений и моделирования).
2. Первые и вторые моменты (средние профили и ковариационные матрицы) вертикальных профилей температуры, влажности и содержания озона. Сформированные банки данных созданы для различных широтных зон Земли и различных сезонов.
3. Новые статистические модели микрофизических и оптических характеристик тропосферных и стратосферных аэрозолей и глобальная модель атмосферного аэрозоля.
- Разработана теория переноса излучения атмосферы в колебательно-вращательных молекулярных полосах при нарушениях ЛТР с учетом континуального поглощения.
- Разработан обобщенный метод расчета переноса излучения в молекулярных полосах при нарушении ЛТР, впервые исследованы закономерности формирования неравновесных населенностей возбужденных колебательных состояний молекул углекислого газа в задаче переноса излучения в полосах БИК спектрального диапазона при учёте поглощения излучения в континууме, создаваемом аэрозолями (на примере атмосферы Марса).
- Разработана параметризация лучистого притока тепла, обусловленного переносом излучения в полосах СО2
в атмосфере Земли.
- Разработана общая теория планетной термосферы с использованием безразмерных переменных и параметров.
- Изучена глобальная климатология волновых и турбулентных вариаций атмосферы по данным ГПС-спутников и наземных радарных и оптических наблюдений.
- Проанализирован механизм динамических вариаций и циркуляционного переноса при тропосферно-стратосферном обмене газовых компонент.
1. Выполнено исследование вертикальных потоков озона в тропо-стратосфере по данным одновременных измерений японским МУ-радаром и озонозондами в Шигараки, Япония, в апреле 1998 г. Получены вертикальные профили средних значений диффузионных потоков озона.
2. Выполнено сравнение 10-летнего цикла самолетных измерений отношения смеси (ОС) СО2 на высотах 2–8 км в пункте Карр (США) и оптических измерений на станции Иссык-Куль (Киргизия). Результаты анализа многолетних самолетных измерений позволяют предположить хорошую перемешанность атмосферы и постоянство отношения смеси СО2 над пунктами наблюдений, расположенными в горных районах. Показано, что резкое изменение вертикального градиента температуры в области тропопаузы может приводить к росту амплитуд и неустойчивости гравитационных волн. Создаваемая при этом повышенная турбулентность может делать область тропопаузы более прозрачной для диффузии озона и других газовых примесей через тропопаузу.
- Выполнены экспериментальные исследования свойств аэрозолей, включающие: исследования: 1) механизмов образования и динамики роста дымовых частиц с фракталоподобной структурой; 2) процессов трансформации аэрозольных частиц при воздействии электрических сил, капиллярных сил конденсирующегося водяного пара и температурного поля; 3) гироскопического роста частиц. Создана термодинамическая модель обводнения органико-солевых аэрозолей.
Создано уникальное оборудование для измерения оптических свойств обводненной фракции дымового аэрозоля. Разработана методика измерений в лабораторных условиях объемных коэффициентов и средних сечений экстинкции, рассеяния и поглощения углеродсодержащего аэрозоля в среде с регулируемой относительной влажностью (вплоть до насыщения). Измерены средние сечения экстинкции, рассеяния и поглощения сажевых частиц как в сухих, так и во влажных условиях. Показано, что с ростом содержания гидрофильного (органического) компонента углеродсодержащей частицей увеличивается толщина водной оболочки, образующейся на сажевом ядре во влажных условиях, что приводит к существенному изменению оптических параметров аэродисперсной системы. Данные оптических измерений показали, что прямой и косвенный радиационный форсинг сажесодержащего компонента атмосферного аэрозоля во многом определяется гигроскопичностью частиц сажи, которые зависят от их химического состава.
- Разработаны новые методы расчета и алгоритмы построения решения задач распространения радиоволн ДВ и СДВ диапазонов в трехмерном горизонтально-неоднородном волноводном канале Земля-ионосфера.
- Разработан метод миграционного преобразования с использованием параксиа
- Промоделировано состояние нижней ионосферы (области C и D) на основе развития классической модели, принятой в качестве государственного стандарта
- Оценена чувствительность климатической системы к вариациям солнечной активности.
Исследованы температурные данные (база данных http://www.columbia.edu) со станций, распределенных географически по всей планете. Изучается вопрос о возможном воздействии внешних факторов на климат Земли (вулканической деятельности и солнечной активности). Использованы современные методы поиска квазипериодических сигналов: вейвлет и кросс-вейвлет анализ, разложение по эмпирическим модам (EMD).
- Проведены исследования нижней ионосферы в условиях внезапных ионосферных возмущений (ВИВ), вызываемых солнечными вспышками. Осуществлен анализ внезапных фазовых аномалий (ВФА) сигналов в диапазоне СДВ на протяженных трассах распространения. Проведено исследование высотного распределения электронной концентрации для условий ВИВ, а также и для спокойных условий.
Количественно исследовано сильное аномальное возмущение ионосферы от 30 апреля 1992 г. Анализ показал, что эффективная высота спорадического D-слоя ионизации изменяется от невозмущенного состояния 60 км до максимально возмущенного 40 км, что на 5 км ниже, чем аномально низкое значение эффективной высоты в случае вторжения протонов. Модуль коэффициента отражения 1-ого ионосферного луча при описываемом возмущении уменьшился почти в 2 раза. При вторжении протонов он в пределах погрешностей анализа остается постоянным.
Основные конструктивные, технологические и технико-эксплуатационные характеристики
Для повышения точности дистанционного зондирования атмосферы в результате работ по проекту создана усовершенствованная наземная спектроскопическая аппаратура для измерений рассеянного в зенит солнечного УФ и видимого излучения для определения общих содержаний озона и двуокиси азота. Аппаратура работает в автоматическом режиме, что позволяет в течение светового дня осуществлять непрерывный мониторинг атмосферы (до 1500 измерений в день).
На основе разработанных алгоритмов и программ интерпретации измерений спектров нисходящего теплового излучения атмосферы создано специализированное программно-математическое обеспечение (ПМО).
Новая априорная информация для реализации спутниковых методов измерений различных параметров атмосферы создана на основе использования многочисленных натурных измерений вертикальных профилей температуры, влажности и содержания озона.
Радиационные модели атмосферы в различных областях спектра основаны на данных измерений в лабораторных и натурных условиях и теоретическом моделировании процессов переноса излучения в земной атмосфере.
Для получения новых данных о температурном режиме атмосферы, газовом и аэрозольном составе широко использовались данные измерений различных российских и международных спутников.
Алгоритмы решения обратных задач атмосферной оптики (интерпретация данных измерений прибора SAGE III и восстановление микрофизических параметров стратосферного аэрозоля и полярных стратосферных облаков) используют апробированный метод статистической регуляризации.
Определение общего содержания озона по данным измерений космического прибора SEVIRI осуществлено на основе синергетического
использования различной информации об уходящем излучении Земли и данных о температурном состоянии атмосферы и поверхности (измерения спутникового прибора AIRS). При решении обратной задачи использовался метод искусственных нейронных сетей. Предложенные алгоритмы протестированы на реальных данных спутниковых измерений.
Для изучения физических параметров средней атмосферы используется новый оригинальный комплексный метод интерпретации, учитывающий нарушения локального термодинамического равновесия (ЛТР).
Для определения достоверности (валидации) результатов дистанционного спутникового зондирования параметров атмосферы широко привлекались независимые наземные (радиозонды, озонозонды, лидары и т.д.) и спутниковые измерения международных космических программ.
Для задания фоновых атмосферных полей при изучении тропосферно-стратосферного обмена использованы атмосферные модели, а также результаты реанализа метеорологических данных. При выполнении исследований вертикальных потоков озона в тропо-стратосфере использованы одновременные измерения японским МУ-радаром и озонозондами в Шигараки, Япония, в апреле 1998 г.
Для изучения характеристик аэрозоля использовано уникальное оборудование для измерения оптических свойств обводненной фракции дымового аэрозоля, не имеющее мировых аналогов.
При изучении изменений климата Земли использованы различные современные численные методы анализа рядов данных.
При изучении состояния ионосферы использован исходный экспериментальный материал из банка данных о 800 событиях ВФА, зарегистрированных в Инубо (Япония) для сигналов радиостанций G, C радионавигационной системы “Омега” на частоте 13.6 кГц. Банк дополнен аналогичными данными, полученными на трассе Новосибирск – Краснодар по сигналам системы “Альфа” на частоте 11.9 кГц (около 600 событий).
Степень внедрения
Результаты исследований содержания озона, двуокиси азота и характеристик аэрозолей, полученных в ходе выполнения российско-американского космического эксперимента с аппаратурой SAGE III, переданы для использования различные организации РАН и Гидрометеослужбы РФ (ИФА РАН, НИЦ «Планета», ГГО и т.д.). Для пользователей создан специальный сайт в Интернете с соответствующей базой данных. Полученные в СПбГУ данные использовались в международной программе по анализу качества различных дистанционных методов и различной аппаратуры.
Новые данные о пространственно-временных вариациях интегральных параметров стратосферного аэрозоля переданы в ряд организаций для проверки и совершенствования численных моделей атмосферы (Российский гидрометеорологический университете, ИФА РАН, ГГО, Институт метеорологии Макса Планка, ФРГ и т.д.).
Разработанный метод описания нелинейной динамики электромагнитного импульса в волноводном канале, характеризующемся сильной неоднородностью в поперечном сечении, слабой неоднородностью в продольном направлении и слабой пространственной кривизной, доведен до уровня методики, позволяющей рассчитывать параметры электромагнитных импульсов в среде, зависимость диэлектрической проницаемости которой имеет различные масштабы в продольном направлении и в поперечном сечении волноводного канала. Упрощенная модель слабой продольной неоднородности доведена до программного модуля, с помощью которого проведены расчеты формы огибающей чирпированного импульса. Разработанные модели доведены до программной реализации. Соответствующие программные модули могут быть использованы в других исследованиях по смежным вопросам.
Основные результаты исследований введены в курсы лекций для бакалавров и магистров («Введение в теоретическую атмосферную оптику», «Физические основы дистанционных измерений», «Экспериментальные методы атмосферной динамики
», «Физика магнитосферы», «Радиофизические методы исследования ионосферы»).
Рекомендации по внедрению
Новые данные по состоянию озоносферы в 2002-2005 гг. рекомендуется использовать для анализа процессов восстановления озонного слоя Земли, совершенствования численных моделей озоносферы, осуществления прогнозов динамики озонного слоя, подготовке национальных документов для международных организаций (ООН, ВМО и т.д.).
Данные наземного мониторинга содержания озона и двуокиси азота рекомендуется использовать для проверки моделей тропосферной химии, совершенствования численных моделей атмосферы, анализа загрязнений в северо-западном регионе России, создания сценариев антропогенного влияния на газовый состав атмосферы, сопоставления с локальными измерениями, валидации результатов международного спутникового мониторинга атмосферы. На основе полученных результатов создается база данных для передачи в научные учреждения, специализирующиеся на проблемах исследования атмосферной динамики, химии и климата, а также на проблемах дистанционного зондирования атмосферы со спутников.
Новые данные по микрофизическим характеристикам стратосферного аэрозоля рекомендуется использовать для анализа трендов фонового стратосферного аэрозоля, влияния на озоносферу антропогенных факторов, совершенствования численных атмосферных моделей и прогнозов изменений климата Земли.
Исследования по тропосферно-стратосферному обмену могут использоваться при разработке и совершенствованию моделей общей циркуляции атмосферы.
Результаты лабораторных исследований микрофизических и оптических характеристик атмосферного аэрозоля рекомендуется использовать в радиационных моделях атмосферы и оценках радиационного воздействия сажевого аэрозоля на погоду и климат Земли.
Полученные результаты по описанию нелинейной динамики электромагнитного импульса в волноводном канале могут быть применены для исследования электромагнитных волновых процессов любого диапазона, если только среда распространения может быть охарактеризована двумя различными масштабами неоднородности в двух взаимно ортогональных направлениях. Разработанная методика аналитического описания нелинейных волновых процессов в средах с различными масштабами неоднородности представляет несомненный интерес с точки зрения фундаментальной подготовки специалистов-физиков и будет включена в спецкурсы по теории волн, читаемые студентам кафедры радиофизики.
Созданные модели и программные модули могут быть применены в различных областях геофизики и радиосвязи в научно-исследовательских и научно-производственных организациях, у которых объекты исследований или разработок подвержены действию ионосферной возмущенности и солнечному вспышечному рентгеновскому излучению. Модели и результаты будут включены в спецкурсы по распространению радиоволн и электродинамике плазмы, читаемые студентам кафедры радиофизики, а также использованы при постановке и проведении студенческих работ в спецлаборатории по распространению радиоволн» (5 курс).
Область применения
Анализ изменчивости состояния атмосферы и оценки антропогенного влияния при космическом мониторинге содержания озона, парниковых газов и характеристик атмосферного аэрозоля.
Формулировки ТЗ на новую спутниковую аппаратуру.
Базы данных параметров физического состояния атмосферы и их вариаций, радиационные модели атмосферы для решения прямых и обратных задач атмосферной оптики.
Математическое моделирование и создание нового программно-математического обеспечения для интерпретации спутниковых измерений.
Исследования и прогнозирование изменений климата Земли.
Результаты работы по изучению динамики взаимодействия тропосферы и стратосферы могут найти применение в численной модели общей циркуляции, динамики и климата атмосферы, которая эксплуатируется и совершенствуется в лаборатории верхних и средних атмосфер планет с участием студентов, обучающихся по магистерским программам на кафедре физики атмосферы. Результаты будут также полезны для других организаций, разрабатывающих аналогичные численные модели общей циркуляции атмосферы, например, РГМУ, ИПМ РАН, ЦАО, ИЭМ и др.
Результаты проведенных исследований климата Земли важны для понимания физических процессов, обеспечивающих связь между активными явлениями на Солнце и параметрами нижней атмосферы, такими как аэрозоли, прозрачность атмосферы, приход солнечной радиации в нижние слои атмосферы. Результаты могут служить экспериментальной базой для моделирования эффектов солнечной активности на состояние нижней атмосферы. Обнаруженные закономерности могут быть учтены для дальнейших исследований в данной области. Данный подход возможно использовать для анализа других сложных систем и процессов в них, таких как, например, магнитосферные и климатические процессы, если имеет смысл гипотеза о слабом взаимодействии двух автоколебательных систем.
Результаты работы по описанию нелинейной динамики электромагнитного импульса в волноводном канале представляют, прежде всего, интерес с точки зрения фундаментальной теории нелинейных волн. Методика аналитического описания нелинейной динамики электромагнитного импульса найдет применение в области электромагнитного зондирования ионосферы, а также в системах передачи информации (в т.ч. оптических), использующих солитонные импульсы с частотной модуляцией для повышения скорости и надежности функционирования таких систем.
Исследования состояния ионосферы найдут свое применение в глобальной радионавигация в условиях подводного и подледного радиоприема, при глобальной скрытной радиосвязи повышенной надежности, функционирующей в условиях естественной и искусственной ионосферной возмущенности, в разделах геофизики, связанных с изучением солнечно-земных связей и действия солнечного вспышечного рентгеновского излучения на атмосферу Земли и состояние здоровья человека.
Областью применения результатов анализа нового геофизического явления в ионосфере (аномальных СДВ возмущений) являются:
- 1) радиационная безопасность биологических объектов, находящихся в средней атмосфере (10 – 40 км) и ближнем космосе;
- 2) надежность функционирования твердотельной электроники и телекоммуникационных систем, в частности, в ближнем космосе;
- 3) надежность радиосвязи в полярной области.
Экономическая эффективность или значимость работы
Значимость работы обусловлена тем, что данные современных космических методов дистанционных измерений не полностью удовлетворяют всем международным требованиям по глобальному мониторингу термической структуры атмосферы Земли, содержанию озона и парниковых газов. Это не позволяет в настоящее время получать информацию необходимого качества и объема для усовершенствования численных моделей климата Земли и осуществления достоверных прогнозов изменения климата Земли в ХХ! столетии.
Развитие и реализация новых космических методов измерений позволит получить необходимые данные для мониторинга параметров климата Земли.
Изменения климата Земли могут привести к существенным негативным экономическим, социальным и экологическим последствиям. Значимость проведенных исследований обусловлена получением новых данных о состоянии атмосферы, что позволит проверить и усовершенствовать современные модели климата Земли и повысит достоверность прогнозов его изменения.
Содержание работы по описанию нелинейной динамики электромагнитного импульса в волноводном канале соответствует Приоритетному направлению развития науки, технологий и техники в Российской Федерации «Информационно-телекоммуникационные системы», а разрабатываемые технологии входят в Перечень критических технологий Российской Федерации:
- технологии обработки, хранения, передачи и защиты информации;
- технологии создания интеллектуальных систем навигации и управления.
Проводимые исследования и разрабатываемое на основе их результатов программное обеспечение необходимы для повышения надежности функционирования систем передачи информации и мониторинга окружающей среды.
С использованием результатов работы и программ расчета радиополей низкочастотных диапазонов возможно моделирование состояния нижней ионосферы в условиях ВИВ и оптимизация работы радиосистем в условиях внезапных ионосферных возмущений, относительная доля которых во времени может достигать 30 % в периоды максимума солнечной активности. Тематика выполненных исследований относится к таким приоритетным направлениям как информационно-телекоммуникационные системы и рациональное природопользование, перспективная военная техника. Разработанные технологии входят в перечень критических технологий Российской Федерации:
- биомедицинские и ветеринарные технологии жизнеобеспечения и защиты человека и животных;
- технологии мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы и гидросферы;
- технологии снижения риска и уменьшения последствий природных и техногенных катастроф.
Обнаружение нового геофизического и атмосферного явления, лежащего в русле атмосферно-ионосферно-магнитосферно-солнечных связей, обладает отечественным приоритетом. На сегодняшний день предложенный наземный СДВ-метод остается единственным реализованным методом по изучению этого явления. Относительная уникальность его в том, что он характеризуется качественными особенностями, отличающими его от всех других известных геофизических возмущений (высыпание солнечных протонов, авроральных электронов, рентгеновская вспышка на Солнце, переход от одного времени суток к другому на радиотрассе).
Прогнозные предположения о развитии объекта исследований
Необходимо продолжить интерпретацию и анализ уникальной информации, полученной в ходе российско-американского спутникового эксперимента с аппаратурой SAGE III о состоянии озоносферы в 2002 – 2005 гг. Целесообразно сопоставить полученные данные с климатологической информацией, а также изучить геометрические, оптические и микрофизические характеристики полярных стратосферных облаков. Важно расширить использование полученных данных для анализа процессов разрушения слоя озона, вызванных антропогенным влиянием.
Необходимо получение новых экспериментальных данных о параметрах физического состояния земной атмосферы (газовый и аэрозольный состав, температура и т.д.) с помощью наземных и космических измерений, что позволит определить тренды параметров ее состояния, разработать новые сценарии изменений газового и аэрозольного состава атмосферы, повысить качество современных численных моделей атмосферы и достоверность прогнозов изменений климата Земли.
Продолжить развитие физико-математических основ дистанционных методов зондирования различных параметров геосферы с целью получения информации необходимого объема и качества для изучения антропогенного влияния на окружающую среду, совершенствования численных моделей, прогнозов погоды и климата Земли.
При исследованиях динамики взаимодействия тропосферы и стратосферы желательно проверить результаты работы на более обширном экспериментальном материале для различных регионов мировой наблюдательной сети радарных и озонозондовых измерений. Необходима и планируется разработка блоков компьютерных программ для включения эффектов диффузионного переноса малых газовых составляющих между тропосферой и стратосферой в указанные выше численные модели общей циркуляции и климата атмосферы.
Электромагнитные импульсы с линейной частотной модуляцией различной глубины будут все шире применяться в задачах зондирования ионосферы и в системах кодирования и передачи информации. Поэтому несомненный интерес представит разработка аналитических методов определения параметров распространяющихся импульсов в волноводных каналах с произвольной продольной неоднородностью и изогнутостью, а также разработка на их основе численных методов и программного обеспечения для проведения соответствующих расчетов.
Предложения по дальнейшему развитию исследований в области моделирования состояния ионосферы состоят в объединении задач моделирования профилей N
(h
) нижней ионосферы по данным о распространении СДВ как в условиях ВИВ, так и в спокойных условиях, что должно способствовать повышению точности и надежности получаемых результатов.
Необходимо создание международной службы СДВ-мониторинга при условии воссоздания международными усилиями наземного непрерывного СДВ-излучения в полярной области.
Для статистической полноты картины закономерностей нового геофизического явления в ионосфере необходимо закончить количественный анализ всех сильных аномальных СДВ-возмущений на авроральной трассе, зарегистрированных в ПГИ КНЦ РАН до окончания функционирования радионавигационной системы “Омега” (10–14 кГц).
Необходимо создание международной программы по изучению нового геофизического явления, порождаемого, согласно имеющимся экспериментальным косвенным данным, вторжением ультрарелятивистских электронов в полярную атмосферу. Ее реализация несоизмеримо дешевле существующих программ по регистрации релятивистских электронов (с энергиями на один – два числовых порядка меньше, чем в случае нашего явления) на спутниках (O (1 МэВ)).