СПОСОБ НАБЛЮДЕНИЯ ЗА ВОЛНОВОЙ АКТИВНОСТЬЮ АТМОСФЕРЫ Российский патент 2008 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к метеорологии, а точнее к средствам наблюдения за состоянием атмосферы Земли из космоса и предназначено для получения полной и достоверной информации о состоянии Земной атмосферы.

Одной из основных проблем изучения климата Земли является то, что существующий набор индикаторов наблюдаемых долговременных изменений, как в приземной, так и в свободной атмосфере, не полностью соответствует основным физическим механизмам, формирующим климатическую систему Земли. Одним из недостающих индикаторов, отражающим одно из основных свойств атмосферы Земли, - перманентное присутствие на всех ее высотных уровнях ансамбля внутренних гравитационных волн (ВГВ), распространяющихся из тропосферы в вышележащие слои атмосферы, является интенсивность потока ВГВ из нижней атмосферы в верхнюю. Такой подход, в определенном смысле, аналогичен уже используемой технологии мониторинга тропосферных климатических изменений по регистрации электромагнитного излучения [В.А.Головко, В.В.Козодеров, Т.В.Кондранин. Математическое моделирование аномальных природных явлений на основе космических данных о составляющих радиационного баланса Земли. Всемирная конференция по изменению климата. Тезисы докладов. Москва, 2003].

Но в данном случае в качестве носителя информации о состоянии тропосферы выступает не электромагнитное излучение, а внутренние волны, излучаемые «тропосферным генератором».

В соответствии с современными представлениями, тропосфера, в силу ее непосредственного взаимодействия с поверхностью Земли (обтекание рельефа, глубокая и мелкая влажная конвекция) и существенно меньшей гидродинамической устойчивости (тропосферные струйные течения, агеострофические перестройки синоптической циркуляции) рассматривается как основной генератор волновых атмосферных возмущений, распространяющихся из нижней атмосферы в верхнюю. Именно ансамбль атмосферных ВГВ предопределяет перераспределение энергии и импульса между различными слоями атмосферы в процессе формирования глобального температурного и ветрового поля атмосферы. Диффузионные свойства свободной атмосферы, от которых во многом зависит глобальное распределение малых газовых составляющих атмосферного воздуха (в том числе парниковых газов), также зависят от волновой активности. Однако, в силу малости пространственных и временных масштабов ВГВ (их длины волн лежат в диапазоне от нескольких километров до нескольких сотен километров, а периоды - от нескольких минут до нескольких часов), они не могут быть воспроизведены в рамках глобальных моделей циркуляции атмосферы. В современных климатических моделях высокого уровня вклад ансамбля атмосферных ВГВ в формирование климата учитывается посредством разработки подсеточных параметризаций волнового сопротивления и мелкомасштабной диффузии в свободной атмосфере. Однако качество используемых параметризаций далеко от желаемого уровня.

Проблема измерения характеристик атмосферных ВГВ и их идентификации по отношению к разному типу источников, породивших их, в настоящее время носит также актуальный характер. Существует ряд наблюдательных средств, с помощью которых могут быть измерены те или иные параметры ВГВ. К числу наиболее распространенных относятся: MF радары [А.Н.Manson, C.E.Meek and Q.Zhan. Gravity wave spectra and direction statistics for the mesosphere as observed by MF radars in the Canadian Prairies and at Tromso. J.Atmos. and Solar Terr. Phys., v.59, No 9, 993-1009, 199], разные типы лидаров [C.S.Gardner and M.J.Taylor. Observational limits for lidar, radar, and airglow imager measurements of gravity wave parameters. J Geophys. Res., v.103, 6327-6437, 1998], метеорологические зонды [S.J.Alien and R.A.Vincent. Gravity wave activity in the lower atmosphere: seasonal and latitude variations. J.Geophys. Res., v.100, 1327-1350, 1995] и ракеты [S.D.Eckerman. On the observed morphology of gravity wave and equatorial-wave variance in the stratosphere. J.Atmos. and Solar Terr. Phys., v.57. No 2, 105-134, 1995], All Sky CCD камеры [R.L.Walterscheid, J.H.Heght, R.A.Vincent et al. Analysis and interpretation of airglow and radar observations of quasi-monochromatic gravity waves in the upper mesosphere and lower thermosphere over Adelaide, Australia. J. Atmos. Sol. - Terr. Phys., v.61, 461-478, 1999]. Каждый из этих методов эффективен для определенного диапазона высот. Однако в комплексе они позволили получить достоверные представления о характере изменений, происходящих с ВГВ-ансамблем по мере их распространения из нижней атмосферы в верхнюю. Следует отметить, что все перечисленные методы обладают общим недостатком - измерения осуществляются в ограниченном числе мест Земного Шара и не дают представления о глобальном распределении волновой активности. Попытки проведения скоординированных наблюдательных компаний носят эпизодический характер и чрезвычайно сложны в организационном плане. Свободным от этого недостатка является метод измерения волновых пульсаций температуры атмосферы с помощью сети GPS приемников [Т.Tsuda and M.Nishida. A global morphology of gravity wave activity in the stratosphere revealed by the GPS occultation data (GPS/MET). J. Geophys. Res., v.105, No D6, 7257-7273, 2000]. Однако, он не обладает достаточной точностью и в настоящее время может дать лишь качественные представления о глобальном распределении волновой активности.

Задачей заявленного способа является получение достоверной информации о волновой активности атмосферы Земли в целом, путем регистрации глобального распределения волновой активности.

Поставленная задача решается тем, что в способе наблюдения за волновой активностью атмосферы приборами космического базирования, производят регистрацию с космического аппарата волновых модуляций собственного излучения атмосферы, обусловленных прохождением через вторичный озоновый слой внутренних гравитационных волн, для чего, используя цифровой фотоаппарат с оптическим фильтром, соответствующим атмосферной полосе кислорода, установленный на космическом аппарате, производят съемку в лимб и надир в те моменты, когда космический аппарат находится в окрестности утреннего или вечернего терминатора, а область тропосферы, находящаяся в поле зрения фотокамеры, находилась бы в тени Земли. Полученные изображения обрабатывают по специальной программе, выявляющей волновые модуляции атмосферы и их характеристики.

Анализ известных решений в этой области не выявил аналогичных известных решений.

Сравнение заявленного технического решения с известными решениями из уровня техники не выявило аналогичных решений, что позволяет установить его соответствие критерию новизны.

Предложенное устройство является промышленно применимым и существующими техническими средствами соответствует критерию изобретательский уровень, т.к. оно явным образом не следует из уровня техники.

При этом из последнего не выявлено каких-либо преобразований, характеризуемых отличительными существенными признаками, для достижения указанного технического результата.

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности результата.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 - блок-схема технологии регистрации волновой активности атмосферы; на фиг.2 - схема проведения съемки цифровым фотоаппаратом, иллюстрирующая взаимное положение КА, Земли и Солнца; на фиг.3 и фиг.4 - изображения вторичного озонового максимума, полученные с борта международной космической станции (МКС) при наблюдении в лимб; на фиг.5 - то же изображение, полученное при визировании CCD-камеры в надир; на фиг.6 - изображения волновых структур, полученные после математической обработки изображения, приведенного на фиг.5; на фиг.7 - результаты модельных расчетов вертикального профиля светимости атмосферы для разных углов захода солнца за горизонт (а - 3°, b - 4°, с - 5°, d - 6°), (толстая сплошная линия - светимость за счет фотолиза озона, толстая пунктирная - вклад резонансного рассеяния, тонкая сплошная - вклад за счет фотолиза кислорода, тонкий пунктир - ночной механизм генерации Атмосферной полосы кислорода); на фиг.8 - результаты модельных расчетов светимости атмосферы вдоль линии визирования при лимбовых наблюдениях (а - визирование в направлении, противоположном Солнцу, b - визирование в направлении, перпендикулярном Солнцу; фиг.9 - сравнение модельных расчетов с результатами ракетного эксперимента [Wallace, L., and Hunten, D.M., Dayglow of the Oxygen A band, J. Geophys. Res. 73, 4813-4834, 1968].

Как известно, к числу эффектов, формирующих изображение земной атмосферы, полученное с КА в ближнем ИК-диапазоне, относятся:

- резонансное рассеяние солнечного излучения в атмосфере Земли (P_rs),

- альбедо земной поверхности и облачности (Р_ес),

- дневное собственное излучение молекулярного кислорода (P_O(D)), возникающее в результате ударного возбуждения молекул кислорода в результате столкновений с атомарным кислородом в состоянии O(¹D);

- ночное собственное излучение атмосферы в полосе (0,0) молекулярного кислорода, возникающее в результате двухступенчатого процесса возбуждения молекулярного кислорода .

В результате сигнал, регистрируемый CCD-камерой, установленной на КА, можно записать в следующем виде

Если наблюдение проводится в окрестности солнечного терминатора, когда поверхность Земли и тропосферная облачность не освещены Солнцем, то первым слагаемым в правой части (1) можно пренебречь.

Интенсивность резонансного рассеяния солнечного излучения в Атмосферной полосе (0,0) молекулярного кислорода определяется процессами возбуждения молекулы кислорода в результате поглощения кванта солнечного излучения и процессами дезактивации возбужденной кислородной молекулы за счет спонтанного излучения с характерным временем жизни ≈13 с (A₁=7.7×10^-2 c^-1) и процессом гашения на молекулах атмосферного азота N₂

Величина третьего слагаемого Р_О(D) зависит от эффективности фотохимических процессов образования атомарного кислорода в состоянии O(¹D), взаимодействие последнего с O₂ в соответствии с реакцией

переводит молекулу O₂ в возбужденное состояние . Наиболее эффективными физическими процессами генерации атомарного кислорода в состоянии O(¹D) являются:

- фотолиз молекулярного кислорода в континуме Шумана-Рунге (130-175 нм),

- фотолиз молекул озона в Хартли-Хаггинс спектральной области (200-360 нм), сопровождаемые процессами ударного гашения на атмосферном азоте

и спонтанным радиационным переходом в основное состояние (с характерным временем существования возбужденного состояния ≈114 с (A₂=8.8×10^-3 c^-1).

Вклад последнего слагаемого правой части (1) в общую светимость дневной атмосферы мал и в рамках данной фотохимической модели не рассматривается. В результате в рамках данной фотохимической модели мы учитываем три основных канала генерации излучения атмосферы в Атмосферной полосе (0,0) молекулярного кислорода: резонансное рассеяние солнечного излучения

собственное излучение атмосферы, возникающее за счет фотолиза озона

собственное излучение атмосферы, возникающее в результате фотолиза кислорода

В вышеприведенных формулах n(O₂), n(O₃) и n(N₂) - соответственно объемные концентрации кислорода, озона и азота; J_rs(z,χ) - коэффициент фотопоглощения O₂ в Атмосферной полосе (0,0) молекулярного кислорода; J_H(z,χ) - коэффициент фотодиссоциации озона в спектральной области Хартли-Хаггинса; J_SR(z,χ) - коэффициент фотодиссоциации кислорода в континуме Шумана-Рунге.

Из результатов модельных расчетов, представленных на фиг.7 и фиг.8, следует, что при выбранной геометрии наблюдения на высоте ≈90 км вертикальный профиль объемной светимости атмосферы имеет острый, четко выраженный пик. Именно этот пик, и формирует изображения, полученные в наших экспериментах. Из приведенных чертежей также следует, что основной вклад в регистрируемое свечение атмосферы дает механизм фотолиза озона и яркость изображения прямо пропорциональна объемной концентрации О₃ на высоте расположения пика светимости, т.е. ≈90 км. Последнее обстоятельство дает возможность регистрировать ВГВ по тем волновым возмущениям, которые они вносят в объемную концентрацию озона на высоте вторичного озонового максимума (≈90 км).

Математическая обработка (фильтрация, вычисление спектров возмущений яркости) позволяет получить интегральную характеристику степени волновой возмущенности изображений, величина которой будет пропорциональна волновой активности.

Для того чтобы убедиться в правильности фотохимической модели, положенной в основу данной технологии, было проведено сравнение модельных профилей светимости с результатами ракетного эксперимента. Модельные профили светимости атмосферы в Атмосферной полосе (0,0) молекулярного кислорода были рассчитаны для того зенитного угла Солнца (75°), при котором проводились измерения. Результаты сравнения модельного и экспериментального профиля приведены на фиг.9.

Хорошее совпадение модельной и экспериментальной кривых (для зенитного угла Солнца = 75°) свидетельствует об адекватности построенной фотохимической модели. В силу чего можно считать, что регистрируемое нами в окрестности солнечного терминатора свечение (т.е. при зенитных углах Солнца ≈90°), действительно, обусловлено хорошо выраженными пиками объемной светимости, расположенными на высоте ≈90 км (см. фиг.7).

Такую же высоту мы получаем на основе чисто геометрических оценок. Действительно, рассматривая последовательность полученных при съемке в надир изображений (с частотой 1 кадр за 5,5 с), легко убедиться, что их структура повторяется от кадра к кадру с естественным сдвигом в поле зрения камеры за счет движения МКС по орбите. Исходя из простых кинематических соображений, легко получить формулу для оценки высоты светящегося слоя

где z_st=402.5 км - высота орбиты МКС, ν=7.68 км/с - орбитальная скорость станции, Т=30±0.5 с - время, необходимое фиксированной точке изображения для пересечения поля зрения камеры (Δϕ=39.8°), α=10° - угол, который составляет вектор скорости станции с нижней границей кадра. Расчет в соответствии с вышеприведенной формулой показал, что высота светящегося слоя z=89±5 км.

Таким образом, исходя из двух независимых оценок, мы получили приблизительно одну и ту же высоту наблюдаемого с МКС светящегося слоя, что является хорошей основой для дальнейшей математической обработки полученных изображений.

Кроме того, таким образом, устраняется вклад альбедо тропосферной облачности и поверхности Земли, которые многократно превосходят по интенсивности дневное свечение вторичного озонового максимума в Атмосферной полосе молекулярного кислорода (762±5 нм).

Способ осуществляется следующим образом.

Для реализации способа был разработан и использован специализированный аппаратно-программный комплекс (АПК), назначение которого - получение и регистрация изображений поверхности раздела оптически тонкой и оптически плотной атмосферы (в отраженном солнечном свете) в Атмосферной полосе О₂ (0,0) 762 нм.

Объектами исследований с помощью АПК должны являться:

- рассеянное земной атмосферой солнечное излучение в спектральном диапазоне 762±5 нм;

- волновые возмущения плотности атмосферы.

Научная информация, получаемая в ходе проведения наблюдений, регистрируется в форме цифрового видеоизображения объекта исследования, в специально выбранном формате записывается на жесткий съемный диск.

АПК содержит:

- две микрокамеры, смонтированные на поворотном кронштейне;

- блок электроники (БЭ);

- блок управления экспериментом (компьютер со специальным программным обеспечением) (БУЭ);

- блок питания для БУЭ.

- Для получения научной информации в нужной форме и с нужным качеством используются:

Назначение элементов комплекса следующее.

Микро-камеры (разработка CSEM - Швейцарский Центр Электроники и Микротехники). В качестве чувствительных элементов в них используются ПЗС матрицы марки Thomson TH 7888. Микрокамеры формируют электронный сигнал принятого изображения и передают его по двум цифровым выходам RS 422. Оптический фильтр (на камере №2) обеспечивает прием излучения от изучаемых объектов в нужном диапазоне 762±5 нм. Кронштейн для микрокамер обеспечивает установку микрокамер на иллюминатор станции и их ориентацию.

Блок электроники БЭ, вместе с блоком управления экспериментом БУЭ, обеспечивает управление камерами.

Блок управления экспериментом БУЭ через порт USB обеспечивает управление режимами работы микрокамер.

В ходе эксперимента возможна модернизация (замена фильтра и регулировка экспозиции) указанной аппаратуры с целью изменения спектрального диапазона наблюдения и пространственного разрешения.

Сеансы наблюдений проводятся при определенном сочетании внешних условий, таких как: географические координаты станции, ориентация МКС на орбите, сезонное положение Солнца относительно объекта исследования. Необходимое сочетание внешних условий рассчитывается постановщиком заранее и планируются для того, чтобы они соответствовали моментам прохождения МКС солнечного терминатора.

Для обеспечения наблюдений разработаны:

- программа-методика проведения КЭ;

- программно-математическое обеспечение для расчета ожидаемых теоретических характеристик оптического излучения исследуемых объектов;

- программно-математическое обеспечение для обработки полученной цифровой информации об исследуемых объектах.

Способ позволяет накапливать получаемые на МКС снимки и при дальнейшей их математической обработке, создать сезонно-широтные карты волновой активности, ее параметризации для использования в глобальной климатической модели.

Изобретение относится к средствам наблюдения за состоянием атмосферы Земли из космоса и может быть использовано для получения информации о состоянии земной атмосферы. Сущность: производят регистрацию с космического аппарата волновых модуляций собственного излучения атмосферы, обусловленных прохождением через вторичный озоновый слой. Для чего снимают на высоте не более 90 км в лимб и надир в окрестности утреннего или вечернего терминатора вторичный озоновый слой. Для съемки используют видеокамеру типа CCD, установленную на космическом аппарате, с оптическими фильтрами, соответствующими атмосферной полосе кислорода в полосе молекулярного кислорода. Полученные изображения обрабатываются по специальной программе, выявляющей волновые модуляции атмосферы и их характеристики. Технический результат: повышение достоверности получаемой информации. 9 ил.

Способ наблюдения за собственной волновой активностью атмосферы приборами космического базирования, заключающийся в том, что производят регистрацию с космического аппарата волновых модуляций собственного излучения атмосферы, обусловленных прохождением через вторичный озоновый слой, для чего, используя видеокамеру типа CCD, установленную на космическом аппарате, с оптическими фильтрами, соответствующими атмосферной полосе кислорода в полосе молекулярного кислорода, снимают на высоте не более 90 км в лимб и надир в окрестности утреннего или вечернего терминатора вторичный озоновый слой, после чего полученные изображения обрабатываются по специальной программе, выявляющей волновые модуляции атмосферы и их характеристики.