СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ОБЩЕГО СОДЕРЖАНИЯ BrO И OClO В СТРАТОСФЕРЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАССЕЯННОГО СОЛНЕЧНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Российский патент 2013 года по МПК G01W1/00 

Изобретение относится к дистанционным оптическим способам контроля газового состава атмосферного воздуха.

Газовые примеси атмосферы BrO и OClO играют важную роль в процессе разрушения озонового слоя в стратосфере над Арктикой и Антарктикой. Их положение в стратосфере, на высотах 10-30 км, где протекают эти процессы, высокая химическая активность и низкие концентрации (5-30)×10⁶ см^-3 затрудняют проведение за ними систематических наблюдений /рис.1 прилож./.

В настоящее время наиболее распространенными дистанционными способами измерения содержание атмосферных газов являются оптические спектральные способы, позволяющие определять спектры поглощения атмосферными газами солнечного излучения или оптические толщи атмосферных газов (Optical Depth):

$$T=\sigma \cdot {\displaystyle \int \rho (L)\cdot dL\text{}[1]}$$

Т - оптическая толща (optical depth) газа (моль/см²); σ (см²) - сечение поглощения газа; ρ (см^-3) - концентрация молекул газа в одном кубическом сантиметре; L (см) - путь излучения в газовой среде. Величина ∫ρ(L)·dL является интегральным содержанием (column) газа вдоль пути излучения и называется при вертикальном прохождении излучения атмосферы (L=h), вертикальным или общим содержанием таза в атмосфере ОС (vertical column) (см^-2), а при наклонном распространении солнечного излучения в атмосфере, наклонным содержанием газа (НС) (slant column). Присутствие газов в атмосфере характеризуется их общим (вертикальным) содержанием (ОС). Обозначим вертикальную толщу газа (vertical optical depth) - Т^В, а наклонную (slant optical depth) - Т^н. Тогда для искомых газов BrO, OClO и для газа озона О₃ в дальнейшем описании будут использоваться соответствующие обозначения - общие содержания: OC_BrO, OC_OClO и ОС_О3, наклонные содержания: HC_BrO, HC_OClO и НС_О3, вертикальные оптические толщи: $$T_{BrO}^{в}$$ , $$T_{OClO}^{в}$$ и $$T_{O3}^{в}$$ и наклонные оптические толщи: $$T_{BrO}^{н}$$ , $$T_{OClO}^{н}$$ и $$T_{О3}^{н}$$ . Вертикальные оптические толщи Т^В - величины измеряемые, которые сразу позволяют, через известные сечения поглощения - σ определить ОС каждого газа:

$$T^{в}=\sigma (\lambda )\cdot {\displaystyle \int \rho (h)\cdot dh=OC\cdot \sigma или[2]}$$

$$OC=T^{в}/\sigma [3]$$

Однако процесс измерения общего содержания OC_BrO и OC_OClO газов BrO и OClO с использованием спектров солнечного излучения осложняется тем, что вертикальные оптические толщи этих газов - $$T_{BrO}^{в}$$ , $$T_{OClO}^{в}$$ очень малы и, например, на участке спектра 340-355 нм они составляют около 0.01%, в то время как вертикальная оптическая толща озона $$T_{O3}^{в},$$ на участке спектра солнечного излучения 310-330 нм превышает 1-10% и поэтому ее легко можно измерить и, следовательно, определить из выражения [2] его общее содержание (OC_O3).

Измерения с использованием этого способа проводятся регулярно приборами Brewer, Dobsonn SAOZ /3/. Они имеют погрешность определения ОС_О3 меньше 10%.

Так как в солнечном излучении величины вертикальных оптических толщ $$T_{BrO}^{в}$$ , $$T_{OClO}^{в}$$ очень малы (рис.1 приложения) для определения OC_BrO и OC_OClO, используются измерения наклонных оптических толщ этих газов (slant optical depth) $$T_{BrO}^{н}$$ и $$T_{OClO}^{н}$$ . В способе представленном в работе /4/ измерения $$T_{BrO}^{в}$$ , $$T_{OClO}^{в}$$ газов BrO и OClO поводились с аэростатов на высотах 20-30 км в условиях Арктического циркумполярного вихря, в котором происходит наиболее интенсивное разрушение озонового слоя. В этом способе наклонные оптические толщи $$T_{BrO}^{н}$$ и $$T_{OClO}^{н}$$ измерялись на разной высоте h над поверхностью земли при направлении линии визирования объектива спектрометра на солнце, которое находилось близко к горизонту. Путь солнечного излучения в атмосфере, а следовательно и наклонные оптические толщи газов вдоль пути излучения, по сравнению с вертикальными оптическими толщами этих газов $$T_{BrO}^{в}$$ , $$T_{OClO}^{в}$$ , возрастали в десятки раз. По этим наклонным толщам и определялись наклонные содержания HC_BrO и HC_OClO (моль/см²) и далее по известному пути прямого солнечного излучения в атмосфере (L) рассчитывались распределения концентраций ρ(h) искомых газов по высоте, а в результате интегрирования ρ(h) по высоте h можно получить общие содержания OC_BrO и OC_OClO /рис.4 прилож./. По результатам, этой работы (рис.3 и 4 прилож.), можно сделать вывод, что высотные распределения концентраций BrO, ClO и О₃ по высоте, при разных условиях и на разных широтах существенно не меняются, а концентрации BrO, OClO и О₃ уменьшаются ниже высоты 10 км. Отсюда следует, что основное содержание этих газов находится в стратосфере выше обычного уровня полета самолетов.

Однако измерения с аэростатов не могут носить систематический характер, так как имеют высокую стоимость, низкую оперативность, и ограничены по времени предзакатным положением солнца.

Способ определения вертикального содержания BrO и OClO, наиболее близкий к заявляемому, с использованием спектров рассеянного солнечного излучения, принимаемого под углами близкими к горизонту представлен в работе /5/. Название способа: MAXDOAS (Multy-Axis Differential Optical Absorption Spectroscopy -многоугловая (по отношению к горизонту) дифференциальная оптическая абсорбционная спектроскопия). На этом способе основаны измерения распределения и общего содержания в атмосфере нескольких газов, в том числе газов BrO и OClO /5/. В этом способе, используется рассеянное солнечное излучение, распространяющееся под углами близкими к горизонту. При этом путь, которое проходит солнечное излучение в атмосфере, по сравнению с вертикальным направлением тоже увеличивается в десятки раз, как и величина в этом наклонном излучении оптических толщ $$T_{BrO}^{н}$$ и $$T_{OClO}^{н}$$ , что упрощает возможность их измерения.

Однако в рассеянном солнечном излучении распространяющемся в пригоризонтных направлениях длина пути наклонного рассеянного излучения неопределенна и расчет общего (вертикального) содержания газов OC_BrO и OC_OClO из измеренных $$T_{BrO}^{н}$$ и $$T_{OClO}^{н}$$ затруднен. Эти трудности вызваны тем, что путь рассеянного солнечного излучения, особенного распространяющегося близко к горизонту не определен и для расчета OC_BrO и OC_OClO по измеренным наклонным толщам $$T_{BrO}^{н}$$ и $$T_{OClO}^{н}$$ необходимы априорные или дополнительно измеренные данные о вертикальном распределении атмосферного аэрозоля, для расчета переноса излучения в атмосфере, что существенно усложняет получение данных об OC_BrO и OC_OClO и уменьшает их точность. Дополнительные ошибки измерения в этом способе возникают и при использовании его на летательных аппаратах, так как при многоугловом зондировании для расчетов OC_BrO и OC_OClO искомых газов необходимо точное (до десятых градуса) определение угла визирования рассеянного солнечного излучения по отношению к горизонту, что из-за крена или колебаний самолета не всегда выполнимо. Точность измерений в этом методе также уменьшается из-за добавления к излучению приходящему из верхней полусферы излучения рассеянного и отраженного от облаков и земной поверхности. Указанные трудности при измерениях на самолете не дают возможности перейти от промежуточных данных в виде наклонных оптических толщ искомых газов в рассеянном солнечном излучении $$T_{BrO}^{н}$$ и $$T_{OClO}^{н}$$ к окончательным данным в виде общего содержания OC_BrO и OC_OClO. Не удалось, например, по рассеянному солнечному излучению способом MAXDOAS получить данные об OC_OClO в самолетном эксперименте /6/, в котором пришлось ограничиться данными о наклонных содержаниях HC_OCLO, которые не представляют собой количественную информацию о содержании OClO в атмосфере Арктики.

Необходимо отметить, что при любом способе измерения оптических толщ искомых газов, с целью обеспечения его точности, существует процедура определения и удаления в анализируемом спектре солнечного излучения, спектров других газов присутствующих в используемом диапазоне спектра. Например, в диапазоне (340-355 нм), в известных способах измерений искомых газов вычитается спектр поглощения озона $$T_{О3}^{н}.$$

Заявляемый способ позволяет с высокой чувствительностью, без использования данных о распределении содержания аэрозоля в атмосфере, по измерению в рассеянном солнечном излучении наклонного содержания газов HC_OClO; HC_BrO и HC_O3 и, используя данные об общем (вертикальном) содержании озона (OC_O3), вычислить величину общего (вертикального) содержания газов OC_BrO и OC_OClO в стратосфере.

В предлагаемом способе учитывается то, что:

1) пути солнечного излучения в атмосфере с близкими длинами волн идентичны,

2) вертикальные распределения OClO, BrO и О₃ в стратосфере, как это видно из работы /4/ подобны друг другу,

3) Имеются удобные (сравнимые по величине) для измерения по наклонному рассеянному солнечному излучению спектры OClO, BrO и О₃, расположенные в одном спектральном диапазоне 340-355 нм /прилож. рис.1, 2/,

4) Известен ряд широко применяемых точных способов измерения и доступные данные спутникового зондирования общего содержания озона в атмосфере /3/.

Исходя из вышеперечисленного, следует главное, что наклонные содержания HC_OClO, HC_BrO и HC_O3 в стратосфере, или количество молекул искомых газов OClO, BrO и О₃ на пути рассеянного солнечного излучения принимаемого вдоль одной линии визирования, при изменении угла линии визирования излучения будут изменяться пропорционально друг другу. Из проведенного исследования следуют соотношения, позволяющие установить прямую связь между измеряемыми наклонными оптическими толщами HC_BrO, HC_OClO, HC_O3, измеряемым OC_O3 и общим содержанием искомых газов OC_BrO; OC_OClO:

$$\begin{array}{l}H{C}_{BrO}/H{C}_{O3}=O{C}_{BrO}/O{C}_{O3}иH{C}_{OClO}/H{C}_{O3}=O{C}_{OClO}/O{C}_{O3}или\\ O{C}_{BrO}=\left(H{C}_{BrO}/H{C}_{O3}\right)\times O{C}_{O3},а\text{ также }O{C}_{OClO}=\left(H{C}_{OClO}/H{C}_{O3}\right)\times O{C}_{O3}.\begin{array}{cccc}& & & \end{array}\left[3\right]\end{array}$$

В заявляемом способе, в рассеянном солнечном излучении, принимаемом в близком к горизонту или в горизонтальном направлении необходимо:

1. Измерить в области спектра 340-355 нм по рассеянному солнечному излучению наклонные оптические толщи (спектры) $$T_{OClO}^{н}$$ , $$T_{BrO}^{н}$$ , и $$T_{О3}^{н}$$ и по этим спектрам из выражения [2] определить наклонные содержания HC_OClO HC_BrO и HC_O3.

2. Измерить с помощью рассеянного в зените солнечного излучения или с помощью прямого солнечного излучения по способу /3/ вертикальную оптическую толщу озона $$T_{O3}^{в}$$ и по ней из выражения [2] определить общее содержание озона OC_O3 или использовать, например, данные спутникового зондирования по OC_O3 в районе наблюдений.

3. С помощью выражений [3] и данных полученных в пунктах 1 и 2, вычислить общее содержание искомых газов OC_OClO и OC_BrO.

Предлагаемый способ измерения, в отличие от известных способов, при использовании его с летательных аппаратов, позволяет:

1. Уменьшить влияние на результаты измерений вклада рассеянного и отраженного от земли и облаков солнечного излучения в солнечное изучение, принимаемое в направлениях близких к горизонту, и тем самым увеличить точность измерений. Уменьшение влияния происходит, в отличии от способа MAXDOAS, за счет использования в вычислениях отношения измеренных величин наклонных оптических толщ газов HC_BrO/HCo_O3 и HC_OClO/HC_O3 [3], расположенных в одном и том же спектральном диапазоне. Так как оптические толщи искомых газов из-за вклада рассеянного и отраженного снизу излучения уменьшатся на один и тот же процент, то их отношения, которые используется для определения общего содержания искомых газов, не изменятся.

2. Уменьшить ошибки измерения, обусловленные неточностью определения или вибрациями угла линии визирования рассеянного солнечного излучения по отношению к горизонту, за счет использования в расчетах отношения величин измеренных оптических толщ газов [3], которые будут изменяться синхронно друг другу и поэтому их отношения останутся постоянными.

3. Использовать для измерения наклонных толщ $$T_{BrO}^{н}$$ , $$T_{OClO}^{н}$$ и $$T_{О3}^{н}$$ линии визирование не только возвышающейся над горизонтом, но и в направлении горизонта и даже ниже его, для получения максимальных толщ $$T_{BrO}^{н}$$ , $$T_{OClO}^{н}$$ и $$T_{О3}^{н}$$ , чем обеспечивается максимальная точность регистрации сигналов и следовательно большая точность измерений. Эта зависимость представлена в материалах работы /6/.

4. Увеличить оперативность проведения измерений путем замены многоугловых измерений оптических толщ $$T_{BrO}^{н}$$ , $$T_{OClO}^{н}$$ и $$T_{О3}^{н}$$ , измерениями в одном или двух направлениях. Первое направление визирования рассеянного солнечного излучения должно быть близким к горизонту, а второе направлено в зенит, когда используется рассеянное излучение или направлено на диск солнца, когда используется прямое солнечное излучение. При наличии доступной спутниковой информации об общем содержании озона в районе наблюдений достаточно проводить измерения $$T_{BrO}^{н}$$ , $$T_{OClO}^{н}$$ и $$T_{О3}^{н}$$ только в одном, близком к горизонту, направлении.

Литература

1. The SCIAMACHY Book 7. From Radiation Fields to Atmospheric Concentrations - Retrieval of Geophysical Parameters (chapter 7 figures) (atmos.caf.dlr.de/…/sciamachy_book).

2. P. Krecl, C.S. Haley, J. Stegman, S.M. Brohede, and G.Berthet, «Retrieving the vertical distribution of stratospheric OC10 from Odin/OSIRIS limb-scattered sunlight measurements». Atmos. Chem. Phys. Discuss., 5, 2989-3046, 2005.

www.atmos-chem-phys.org/acpd/5/2989/.

3. Petropavlovskikh, R. Evans, G. McConville, S. Oltmans, D. Quincy, K. Lantz, P. Disterhoft, M. Stanek, and L. Flynn «Sensitivity of Dobson and Brewer Umkehr ozone profile retrievals to ozone cross-sections and stray light effects» Atmos. Meas. Tech., 4, 1841-1853, 2011 www.atmos-meas-tech.net/4/1841/2011/ doi: 10.5194/amt-4-1841-2011.

4. Pundt, J.-P. Pommereau, M.P. Chipperfield, M. Van Roozendae and F. Goutail Climatology of the stratospheric BrO vertical distribution by balloon-borne UV-visible spectrometry JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, VOL.107, NO. D24, 4806, doi:10.1029/2002JD002230, 2002.

5. G.H.onninger1,^*, C. von Friedeburgi, and U. Platt. «Multi axis differential optical absorption spectroscopy (MAX-DOAS)» Atmos. Chem. Phys., 4, 231-254, 2004, www.atmos-chem-phys.org/acp/4/231/,SRef-ID: 1680-7324/acp/2004-4-231.

6. Ping Wang, Marco Bruns, Andreas Richter, John P. Burrows, Klaus-Peter Heue, Irene Pundt, Thomas Wagner, Ulrich Platt. 16th SA/PAC Symposium 5 June 2003, St. Gallen, Switzerland «AMAXDOAS measurements and first results for the EUPLEX campaign».

Изобретение относится к дистанционным оптическим способам контроля газового состава атмосферного воздуха. Сущность: измеряют спектрометром близкорасположенные спектры поглощения газов OClO, BrO и O₃, содержащихся в рассеянном солнечном излучении, распространяющемся под углом, близким к горизонту. Вычисляют по измеренным спектрам наклонное содержание газов OClO, BrO и O₃ на пути этого излучения. Измеряют с помощью прямого или рассеянного солнечного излучения общее содержание озона (O₃). После этого вычисляют отношение величины общего содержания озона к величине его наклонного содержания. Полученное отношение умножают па величину наклонного содержания газа OClO или BrO. Полученное произведение принимают за общее содержание соответствующего искомого газа OClO или BrO в атмосфере. Технический результат: повышение точности и оперативности измерений. 5 ил.

Способ измерения общего содержания газов OClO, BrO в атмосфере с использованием рассеянного солнечного излучения, включающий одновременное измерение спектрометром близкорасположенных спектров поглощения газов OClO, BrO и О₃, содержащихся в рассеянном солнечном излучении, распространяющемся под углом, близким к горизонту, вычисление по измеренным спектрам наклонного содержания газов OClO, BrO и О₃ на пути этого излучения, измерение с помощью прямого либо рассеянного солнечного излучения общего содержания озона (О₃), отличающийся тем, что, с целью увеличения точности и оперативности измерений за счет уменьшения числа направлений визирования рассеянного излучения и ошибок, вызванных погрешностями их определения, уменьшения влияния на результаты измерений вклада рассеянного и отраженного из нижней полусферы солнечного излучения, исключения использования априорной информации о распределении атмосферного аэрозоля, вычисляется отношение величины общего содержания озона к величине его наклонного содержания и это отношение умножается на величину наклонного содержания газа OClO или BrO, а результат этого умножения принимается как общее содержание соответствующего искомого газа OClO или BrO в атмосфере.