Сектор дистанционного исследования состава атмосферы (СДИСА)

Основные направления исследований:

• Развитие модели переноса радиации в атмосфере, ориентированной на решение обратных задач дистанционного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности  
• Разработка методов решения обратных задач оптики атмосферы и оптимизации эксперимента  
• Экспериментальная отработка разработанных методов  
• Применение разработанных методов

Развитие модели переноса радиации в атмосфере, ориентированной на решение обратных задач дистанционного зондирования атмосферы и подстилающей поверхности
Опыт применения моделей переноса радиации для задач дистанционного зондирования атмосферы показал, что эффективное и быстрое определение содержания газов и аэрозолей в атмосфере оптическими методами требует расчетов не только радиационных характеристик (таких как интенсивность, яркость, поток и пр.), но также их производных по исследуемым характеристикам состава атмосферы. В иной терминологии эти производные называются весовыми функциями или послойными воздушными массами атмосферы. Другое применение производных радиационных характеристик - быстрое моделирование спектральных измерений.

 Разработана линеаризованная модель переноса MCC++, которая позволяет одновременно эффективно вычислять интенсивность рассеянного излучения и её производные по содержанию газов и характеристикам аэрозоля. Моделирование выполняется в сферически симметричной атмосфере с учетом или без учета поляризации, релеевского и аэрозольного рассеяния, поглощения газов и аэрозоля, отражения подстилающей поверхности. Моделирование многократного рассеяния выполняется методом Монте-Карло.

Разработка методов решения обратных задач оптики атмосферы и оптимизации эксперимента

1) Спектральные измерения

Спектральные измерения рассеянного солнечного излучения (метод дифференциальной спектроскопии, DOAS) позволяют определять эффективную толщу каждого из газов, ослабляющих рассеянное солнечное излучение и имеющих свой, специфический спектр поглощения. Для расчета вклада каждого из слоев атмосферы (весовой функции) в полученную методом дифференциальной спектроскопии эффективную толщу используется линеаризованная модель переноса радиации. В методах многоуглового зондирования на основе набора эффективных толщ газа, измеренных в специальным образом выбранных и различающихся условиях, решается обратная задача определения вертикального распределения газа.

Сотрудниками сектора разработаны методы определения содержания двуокиси азота и формальдегида в нижней тропосфере, рассматриваются задачи определения содержания глиоксаля, азотистой кислоты. В силу особенностей своего образования и разрушения эти соединения используются в качестве индикаторов для быстрой фотохимии органических соединений в пограничном слое, в частности в качестве индикатора углеводородов в регионах с повышенными выбросами летучих органических соединений.

2) Определение характеристик облачности по спектральным и сопутствующим наземным измерениям

Облачность существенно ограничивает возможности оптического дистанционного исследования нижней тропосферы с поверхности Земли. Для детектирования облачности разрабатываются методы, использующие спектральные измерения в полосе поглощения O4, индекс цветности, абсолютно калиброванные на основе сравнений с радиационной моделью интенсивности рассеянной солнечной радиации. Для определения нижней границы облачности разработан метод, основанный на стереосъемке.

3) Поляризация солнечного излучения: моделирование и использование в задачах зондирования состава атмосферы

Упрощенное описание солнечного излучения как скалярной величины имеет ограниченное применение. Действительно, исходящий от Солнца свет, будучи первоначально неполяризованным, затем рассеивается молекулами воздуха и аэрозолями, и становится частично поляризованным. Это дает различные функции источника для двух взаимно перпендикулярных направлений поляризации второго порядка рассеяния, которыми скалярная теория пренебрегает. Выполненные исследования показали, что скалярные вычисления дают ошибку до 10-15% как в интенсивности излучения, так и в весовых функциях обратных задач. Поэтому поляризацию необходимо учитывать даже при выполнении измерений поляризационно нечувствительными приборами, а измерение поляризации являются дополнительным источником данных о составе атмосферы.

    Экспериментальная отработка разработанных методов

Сотрудники сектора проводят отработку разработанных приборов и методов на стационарах ИФА: ЗНС и ВНС, в Москве, а также с мобильных платформ. В сентябре 2016 года спектрометр для атмосферных измерений, разработанный в СДИСА, участвовал в крупных международных сравнениях спектральных (DOAS) приборов и методов измерения двуокиси азота в толще атмосферы CINDI-2. На сравнениях, которые прошли в Нидерландах, были представлены 42 спектральных прибора, проводились измерения состава атмосферы и метеопараметров с помощью зондов (3 типа), лидаров (4 типа). Измерения были поддержаны моделированием качества воздуха по модели CAMS. Сравнение результатов определения наклонных оптических толщ NO2, O4, O3, HCHO в видимой и УФ областях подтвердило высокое качество получаемых ИФА РАН данных.

Применение разработанных методов

    1) Исследование особенностей пространственно-временного распределения химически-активных газов, разработка методов оценивания мощности источников загрязнений по измерениям содержания газов в толще атмосферы

    Сотрудниками сектора предложена методика оценки объемов эмиссии NO2 в городских условиях с использованием измерений интегрального содержания (ИС) NO2 спектральным методом на стационарных станциях. Получена оценка объема выбросов NO2 автотранспортом г. Москва – 88 ктонн/год по данным двух станций наблюдения ИФА РАН.

    Выполненные измерения подтверждают, что основным источником выбросов окислов азота в Москве является автотранспорт с долей в 65% от общих выбросов примеси.

    Разработан метод измерения ИС формальдегида в пограничном слое атмосферы. Наблюдается сильная зависимость ИС от температуры воздуха. Впервые получены экспериментальные оценки вклада московского мегаполиса в выбросы формальдегида и его предшественников: по данным шестилетних наблюдений на ЗНС среднее превышение ИС формальдегида в воздушных массах, поступающих из Москвы, составляет mol/cm^2 над фоновым уровнем (западные ветра). Величина вклада мегаполиса лишь незначительно зависит от температуры.

 2) Валидация, калибровка и атмосферная коррекция данных ДЗЗ спутниковой аппаратуры

    На основе научно-исследовательских и теоретико-методических разработок СДИСА на базе Высокогорной научной станции ИФА создан валидационный полигон для измерения параметров состояния атмосферы и проведения процедур атмосферной коррекции аппаратуры ДЗЗ видимого диапазона в составе Системы валидационных подспутниковых измерений. Приборный комплекс и методическое обеспечение полигона успешно прошли государственные испытания и с 2016 введены в постоянную эксплуатацию.