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.