Методики измерений
Все измерения характеристик газового и аэрозольного состава атмосферы проводятся по методикам, утвержденным в международных центрах данных, куда интегрируются результаты измерений, а также по методикам, разработанным в ИФА РАН для конкретных измерительных систем. Измерения включают в себя:
1) длительные круглогодичные круглосуточные наблюдения концентраций газовых и аэрозольных примесей в приземном слое атмосферы с помощью т.н. контактных газоанализаторов, использующих методы протонной масс-спектрометрии, лазерной спектроскопии затухания резонатора, недиспергирующей инфракрасной спектроскопии, корреляционного фильтра, измерения поглощения ультрафиолетового излучения, измерения хемилюминесцентного и флюоресцентного излучения, пламенно-ионизационного детектирования, каталитического разложения веществ и др.;
2) периодические краткосрочные (продолжительностью 1-2 месяца) измерительные кампании по наблюдению концентраций малых газовых и аэрозольных примесей атмосферы в различных ландшафтных и сезонных условиях, а также на подвижных станциях наблюдений (автомобиль, речное/морское судно и др.);
3) наблюдения сопутствующих параметров и свойств атмосферы (метеорологических параметров, характеристик атмосферной турбулентности, интенсивности солнечной радиации в различных диапазонах).
Основные применяемые методики:
1. Методика спектроскопических измерений солнечной радиации в интересах определения газового состава стратосферы.
2. Методика спектроскопических измерений солнечной радиации в интересах определения газового состава приземного слоя атмосферы.
3. Методика обработки спектроскопических измерений прямой солнечной радиации в интересах определения общего содержания и вертикального распределения O3 в атмосфере.
4. Методика обработки спектроскопических измерений прямой солнечной радиации в интересах определения общего содержания NO2 в атмосфере.
5. Методика обработки спектроскопических измерений рассеянной солнечной радиации в интересах определения общего содержания и вертикального распределения O3 в атмосфере.
6. Методика обработки спектроскопических измерений рассеянной солнечной радиации в интересах определения интегрального содержания и вертикального распределения NO2 в стратосфере.
7. Методика обработки спектроскопических измерений рассеянной солнечной радиации в интересах определения интегрального содержания NO2 в приземном слое атмосферы.
8. Методика измерений параметров состояния атмосферы в интересах валидации данных спутниковых измерений видимого излучения на верхней границе атмосферы.
9. Методика обработки результатов атмосферных измерений и определения оптических характеристик атмосферы в интересах валидации данных спутниковых измерений видимого излучения на верхней границе атмосферы.
10. Методика наземных измерения яркостных характеристик тестовых участков, включая оценку погрешности результатов измерений.
11. Методика атмосферной коррекции данных наземных измерений яркостных характеристик тестовых участков в интересах валидации данных спутниковых измерений видимого излучения на верхней границе атмосферы.
12. Методика оценки точности атмосферной коррекции и определения яркостных характеристик излучения на верхней границе атмосферы.
Из отдельных методик измерений:
1) Согласно программе BSRN все измерения актинометрическими приборами выполняются непрерывно, в автоматическом режиме с периодичностью 1 минута. Аналоговые сигналы (напряжение) всех приборов синхронно оцифровываются регистратором Campbell Scientific CR23X, накапливаются в его памяти и два раза в сутки передаются в память компьютера ASUS Eee PC 900.
2) Мониторинг стратосферного содержания двуокиси азота (NO2) выполняется в утренние и вечерние сумерки по рассеянному из зенита солнечному излучению в диапазоне зенитных углов Солнца 84‑96º в видимой области спектра. Из измерений определяется наклонное содержание NO2 . Прибор и методика определения наклонного содержания NO 2 прошли успешную проверку в международных мероприятиях NDACC по сравнению приборов и методик. Результаты измерений наклонного содержания используются для восстановления вертикального распределения NO2 и по нему – значений общего содержания NO2 в стратосфере и тропосфере. Как составляющая часть вертикального профиля, определяется содержание NO2 в пограничном слое атмосферы, подверженном антропогенному загрязнению. Используемый на ЗНС метод восстановления вертикального профиля NO2 уникален. ЗНС – единственная в мире станция, позволяющая получать данные о вертикальных профилях NO2 .
3) Для измерений состава аэрозоля ежедневно в течение суток проводится отбор (осаждение) проб аэрозоля на германиевые подложки с помощью импактора. Измеряется ИК-спектр пробы (измерение занимает порядка часа). По полосам пропускания определяется химический состав аэрозоля. По данным моделирования обратных траекторий определяются источники веществ в составе аэрозоля.
4) Спектрограф «СП-50» для регистрации излучения верхней атмосферы оснащен ПЗС-матрицей для цифровой записи спектра в области 770-1040 nm. Спектральный прибор обладает высоким спектральным разрешением и большой апертурой. Оптическую схему прибора можно представить следующим образом. Излучение атмосферы проходит через щель прибора и коллиматор, параллельным пучком падает на дифракционную решетку. Разложенное по длинам волн атмосферное излучение собирается объективом камеры в фокальной области, в которой находится ПЗС-матрица регистрирующей камеры. Цифровое изображение спектра каждые 10 минут сохраняется на носитель информации в компьютере. Абсолютная калибровка спектра производится путем сравнения с эталонным источником, который в свою очередь откалиброван по спектру излучения звезды Капелла (α Aur). Спектральные наблюдения излучения верхней атмосферы на приборе «СП-50» ведутся только в ясные промежутки ночного времени суток и управляются специальной программой, разработанной для данного прибора. Спектральное разрешение прибора позволяет определять вращательную температуру излучения гидроксила на основе его колебательно-вращательных полос, а также их интенсивность. В настоящем случае используются первые три линии P1-ветви полосы ОН(6-2) λ840 нм. Точность определения вращательной температуры в зависимости от уровня сигнала составляет 1-2 К. Точность оценки полосы излучения (6-2) – около 1%. Обработка спектров гидроксильного излучения ведется на основе собственной авторской программы.
5) Акустическая локация основана на объемном рассеянии звука турбулентными неоднородностями температуры и/или скорости ветра. В наиболее распространенной моностатической схеме содара излучение и прием звука осуществляется одной и той же звуковой антенной, т.е. используются "обратное" рассеяние (на угол 180о). Для уменьшения акустических помех антенны содаров помещаются в шумозащитные экраны. В минисодарах используется одна антенна, которая обеспечивает последовательное формирование трех звуковыx лучей с помощью сфазированной решетки преобразователей. Регистрация амплитуды эхо-сигнала в координатах высота - текущее время дает пространственно-временную картину мезо-масштабных структур, внутри которых рассеиваются звуковые волны. Разным типам термической стратификации соответствует различный вид структур, а их вертикальная протяженность позволяет оценивать высоту слоя турбулентного перемешивания. Основное внимание проводимых содарных исследований направлено на статически устойчивый (инверсионный) пограничный слой. Он гораздо менее изучен, чем нейтральный и конвективный пограничные слои, и до настоящего времени нет общепринятой параметризации устойчивых пограничных слоев в численных моделях. Главными объектами содарных исследований являются низкоуровневые струйные течения и сдвиговые внутренние гравитационные волны, которые повсеместно присутствуют в ночных инверсионных слоях и в долгоживущих зимних инверсионных слоях в однородной равнинной местности. Кроме того, в задачи содарных исследований входит мониторинг типа термической стратификации АПС и высоты слоя перемешивания, идентификация волновой активности, а также измерения средних профилей структурной характеристики температуры, скорости и направления ветра, вертикального сдвига скорости, дисперсии вертикальной составляющей скорости ветра, амплитуд и периодов внутренних гравитационных волн. Результаты такого мониторинга используются при решении разнообразных прикладных задач, в том числе при изучении городского острова тепла.