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 20022005 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)). |
