На 82 году жизни 10 февраля после тяжелой болезни скончался учёный и педагог, доктор физико-математических наук, профессор Чен Борис Борисович.
Борис Борисович родился 10 января 1941 г. в Ташкенте. Окончил МГУ и Ташкентский государственный университет ( 1969 ). Младший научный сотрудник Института физики и математики АН Киргизской ССР (1969-75), старший научный сотрудник, лаборант Всесоюзного научно-производственного объединения «Союзводавтоматика». Начальник, заведующий кафедрой (1975-81 гг.), доцент Кыргызского государственного университета (1981-88 гг.), заведующий экспериментальной базой Института метеорологии (1988-93 гг.), Обнинск, Россия. Руководитель, доцент, директор Института оптики атмосферы Центральной Азии.
Он являлся крупнейшим отечественным специалистом в области физики атмосферных процессов Кыргызско-Российского славянского университета и Федерального государственного бюджетного учреждения «Научно-производственное объединение «Тайфун» — одного из ведущих научно-исследовательских учреждений Федеральной службы России по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды. Более 150 научных работ в области оптики, микрофизики аэрозолей и дистанционного лазерного зондирования атмосферы., Опубликовано 4 монографии, 6 изобретений, 10 учебных пособий.
Лазерно-локационное зондирование атмосферы в Центрально-Азиатском регионе
доктор физико-математических наук Чен, Борис Борисович
ВВЕДЕНИЕ
Большинство дистанционных методов измерений в физике атмосферы основано на использовании измерений различных характеристик электромагнитного излучения в различных диапазонах спектра, что поставило исследователей перед острой необходимостью изучить закономерности распространения электромагнитных волн с учетом влияния слоев атмосферы как среды с переменным показателем преломления.
В применении к атмосфере это означало развитие в первую очередь широких теоретических и экспериментальных исследований закономерностей распространения электромагнитных волн в атмосфере, в частности оптического диапазона в зависимости от метеорологических условий. Это, естественно, привело к созданию новых методов исследования самих слоев атмосферы, к изучению атмосферных явлений с помощью оптических волн, приходящих в точку приема с определенной информацией о состоянии среды распространения.
Первые попытки применения оптического излучения для дистанционного определения некоторых параметров атмосферы были предприняты в начале XX в. [1,2]. Но в связи с недостатком знаний по оптике атмосферных процессов, ограниченностью математического аппарата решения обратных задач и отсутствием мощных источников оптического излучения практическое значение методов оптического зондирования атмосферы было чрезвычайно мало. Второй этап их развития начинается в 60-х годах после изобретения лазеров. Специфические свойства лазерного излучения и перспектива их практического использования стимулировали огромный интерес ученых к решению фундаментальных проблем распространения пространственно-ограниченных узконаправленных световых пучков в атмосфере. В результате за короткое время были изучены основные закономерности взаимодействия лазерного излучения с атмосферой [3,4], что позволило приступить к решению более сложных проблем, связанных с разработкой методов лазерного зондирования атмосферы [5-8].
Известно [3,4], что на энергетические характеристики лазерного излучения, распространяющегося в атмосфере, существенное влияние оказывают флуктуационные явления, обусловленные турбулентностью, поглощение газовыми компонентами воздуха, а также молекулярное и аэрозольное рассеяния. Поглощение излучения молекулами газовой фазы носит селективный характер. Выбором длины волны зондирующего излучения этот эффект можно свести к минимуму и не учитывать по сравнению с другими факторами, влияющими на ослабление лазерного пучка в атмосфере.
Влияние турбулентности на характеристики эхосигнала. Флуктуации показателя преломления атмосферного воздуха, обусловленные турбулентностью, приводят к флуктуациям амплитуды и фазы волны в оптическом пучке, распространяющемся в атмосфере. В результате изменяется его структура: пучок уширяется, расщепляется на ряд отдельных более тонких пучков, смещается центр «тяжести» пучка и т.д. Исследованию закономерностей распространения пространственно-ограниченных световых пучков на прямых трассах в турбулентной атмосфере посвящено большое количество работ. Подробную библиографию можно найти в монографиях [3,5-7]. Результаты этих исследований показывают, что атмосферная турбулентность в значительной мере ухудшает параметры пучков, расходимость которых близка к дифракционному пределу [7]. В .то же время при оценках средней интенсивности пучков, имеющих расходимость (р>3 ■ 10-4 рад, влиянием турбулентности можно пренебречь.
При зондировании атмосферы моностатическим лидаром лазерное излучение проходит слой турбулентной атмосферы дважды: в прямом направлении — от источника до рассеивающего объема и в обратном — от рассеивающего объема до приемника. В результате излучение передатчика до попадания на приемник дважды взаимодействует с одними и теми же неоднородностями среды за период значительно меньше их «времени жизни», что приводит к отличию статистических характеристик принимаемого сигнала на локационных трассах от сигнала с прямых. Так, например, вследствие корреляции флуктуаций фазы падающей и отраженной волн, изображение уголкового отражателя в фокальной плоскости приемного телескопа практически не смещается, что’ обусловлено компенсацией смещения за счет поворота пространственного распределения поля падающей на уголок волны. При отражении от зеркального диска, наоборот, дисперсия смещений его локационного изображения в два раза больше дисперсии смещений изображения источника такого же размера, удаленного от приемного телескопа на удвоенное расстояние [6,8].
Известно, что рассеяние света на совокупности большого числа статистически независимых частиц происходит некогерентно [3,9-11]. Поэтому суммарный эхосигнал, приходящий на приемник лидара из рассеивающего объема, можно представить как суперпозицию некогерентных волн от совокупности точечных отражателей, свойства которых определяются видом рассеивающих центров. Флуктуации амплитуды при отражении сферической волны от точечного отражателя исследованы в работе [6]. В ней показано, что увеличение приемной апертуры лидара более чем в 2-3 раза по сравнению с радиусом первой зоны Френеля ЛЕ (Л -длина волны, Ь- расстояние до отражателя) практически не снижает уровня флуктуаций амплитуды эхосигнала от точечного отражателя. В то же время увеличение размера отражателя до масштаба л/лх существенно уменьшает уровень флуктуаций. Следовательно, с целью уменьшения флуктуаций интенсивности отраженного сигнала параметры приемной и передающей систем лидара следует выбирать так, чтобы диаметр входного отверстия приемного телескопа и поперечный размер рассеивающего объема превосходили в несколько раз радиус корреляции флуктуаций интенсивности, который в области слабых флуктуаций для плоской волны имеет порядок радиуса первой зоны Френеля у/Л. В подтверждение приведем выражение для дисперсии флуктуаций центра тяжести изображения в фокальной плоскости линзы при локации ламбертовской поверхности, полученное в [12],
Д2^>=0,35/,2С>-1/3, (1) о где — фокусное расстояние; С £ — структурная характеристика флуктуаций диэлектрической проницаемости среды; Ь- расстояние до поверхности; г- эффективный размер освещенного пятна на отражающей поверхности. Выражение (1) получено при условии: г»гп (гп-эффективный размер приемной апертуры); г» л[ЯЬ; расстояние между источником и приемником (база) много больше среднего размера
2 14 2/3 неоднородностей среды. Если в (1) положим =100 см, СЕ = 2-10″ см» — наибольшее значение, реализующееся в приземном слое атмосферы [3,5,7], Ь= 105 см, г= 0пЬ (вп- угол расходимости излучения передатчика), при вп= 10″3 рад, то получим Л^ 1,23-10″3 см. Учитывая ряд условий при получении выражения (1), эту оценку следует считать довольно грубой. Но малость величины Лр не противоречит качественным рассуждениям выше, тем более, что в эксперименте с обычными лидарными системами не наблюдаются большие значения флуктуаций амплитуды отраженного атмосферой сигнала.
Рассеяние лазерного излучения. Рассеяние оптических волн обычно подразделяют на три вида: рассеяние Ми, релеевское рассеяние и комбинационное [13,14]. Первые два вида рассеяния происходят на длине волны падающего излучения и относятся к классу упругих взаимодействий поля с веществом. Хотя при релеевском рассеянии происходит некоторое уширение спектра излучения (вследствие эффекта Допплера), но в целом в условиях земной атмосферы частичное смещение спектра относительно мало [13]. Комбинационное рассеяние сопровождается обменом энергией электромагнитной волны с собственными энергетическими уровнями молекул или атомов. Поэтому частотный спектр комбинационного рассеяния представлен набором линий, смещенных относительно частоты падающего излучения в ту или иную сторону на величину, равную собственным частотам взаимодействующих с излучением молекул [13,15,16]. Интенсивность спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) на два-три порядка меньше интенсивности релеевского рассеяния, но использование этого явления для дистанционной диагностики атмосферы весьма перспективно [13], так как интерпретация данных лазерного зондирования в этом случае упрощается, например, при дистанционном определении прозрачности [17]. Поскольку подробное описание явления СКР выходит за рамки настоящей работы, ограничимся ссылками на соответствующие публикации [13,15,16] и перейдем к краткой характеристике других видов рассеяния.
Эффективность рассеяния оптического излучения на отдельной частице существенно зависит от относительного размера частицы по сравнению с длиной волны X. Для частиц сферической формы радиуса а эта зависимость выражается через параметр р= 2тш/Х: если р>1, -рассеяние Ми, при р<0,3- 0,5 — релеевское. Но, как показал Ван де Хюлст
18], для существования релеевского рассеяния необходимо выполнение двух условий: где т- комплексный показатель преломления вещества частицы. Физически это означает, что фазовый сдвиг между внешним (облучающим частицу) и внутренним полями должен быть пренебрежимо мал.
Линейные размеры частиц аэрозоля в атмосфере представлены широким спектром от 10″3 до 104 мкм. Поэтому для описания закономерностей взаимодействия оптического излучения с аэрозолем целесообразно пользоваться общей теорией Ми, которая в частном случае малых частиц при выполнении условий (2) дает приближение релеевского рассеяния. Но в то же время при рассеянии излучения оптического диапазона длин волн на молекулах воздуха вне резонансов всегда справедливы условия (2) и, как следствие, теория Ми. Поэтому для задач лазерного зондирования атмосферы, где, как правило, необходимо разделять рассеяние на ансамбле взвешенных в воздухе твердых или жидких частиц и рассеяние на газовом компоненте атмосферы, рассмотрим основные закономерности явления молекулярного (релеевского) и аэрозольного рассеяния. С учетом того, что теория Ми дает строгое решение задачи рассеяния электромагнитной волны на однородном шаре, а ее применение для описания закономерностей рассеяния излучения на неоднородных частицах неправильной формы связано с введением ограничений [18], при описании явления аэрозольного рассеяния в атмосфере будем руководствоваться экспериментальными результатами.
Численное значение фактора эффективности рассеяния или функции Ми определяет, какое количество падающей на геометрическое сечение частицы энергии волны выводится из потока за счет рассеяния (чистое рассеяние плюс поглощение). Функция Да) характеризует вероятность найти в единице объема частицу с размером а. Эта функция выбирается так, чтобы интеграл от нее в пределах всех размеров частиц был равен единице. Таким образом, мы видим, что объемный коэффициент рассеяния зависит от коэффициентов рассеяния отдельных частиц, их распределения по размерам (спектра размеров частиц) и концентрации частиц. Необходимо отметить, что атмосферные аэрозоли могут состоять как из прозрачных, так и поглощающих частиц, в зависимости от того, какой диапазон длин волн и какие частицы рассматриваются. Так, частицы жидкой воды прозрачны в видимой области спектра, в то время как в инфракрасной области они обладают достаточно сильным поглощением. При распространении оптической волны в среде с прозрачными частицами потери энергии волны обусловлены явлениями преломления, отражения и дифракции волны на частицах. В случае поглощающих частиц к этим потерям добавляются еще потери на поглощение энергии самими частицами. Вообще говоря, в этом случае, мы имеем дело с коэффициентом ослабления, представляющим собой сумму коэффициентов рассеяния и поглощения. И когда мы оперируем понятием коэффициента рассеяния, то, как это обычно принято,-подразумеваем под ним коэффициент ослабления.
Аэрозольные частицы в зависимости от размеров условно делят на три части: 1) ядра Айткена (размеры от 0,001 до 0,1 мкм); 2) большие частицы (размеры от 0,1 до 1,0 мкм); 3) гигантские частицы (размеры больше 1,0 мкм). Согласно большинству исследований, для частиц, линейные размеры которых больше 0,01 мкм, чаще всего наблюдаются одновершинные кривые для функции /(а) с максимумом в районе нескольких сотых долей микрона. Для описания распределения частиц с размерами больше 0,1 мкм Юнге предложил простую степенную функцию т=А-ер, (8) где А — масштабный множитель; ft — эмпирическая постоянная. Величина /3 может принимать значения от 2 до 5 в зависимости от времени и места. Хотя формула Юнге весьма приближенно описывает реальную картину распределения частиц по размерам, тем не менее при различных расчетах исследователи часто пользуются ею.
Концентрация частиц, размеры которых больше 0,1 мкм, изменяется в весьма широких пределах в зависимости от места и времени. Несмотря на это, можно назвать некоторые общие закономерности изменения концентрации частиц с высотой. Так, в нижней тропосфере обычно наблюдается быстрое экспоненциальное убывание этой величины. В верхней тропосфере не обнаруживается сильной зависимости концентрации от высоты, в стратосфере она сначала растет с высотой, достигая максимума на высотах от 15 до 23 км, затем уменьшается. Имеющихся данных измерений концентраций частиц выше 30 км не достаточно, поэтому пока нельзя вывести определенные заключения об ее абсолютных значениях и высотной зависимости. Однако факт присутствия в атмосфере аэрозольных частиц вплоть до высот порядка 500 км не вызывает сомнений.
В ряде исследований выявлена тонкая структура стратификации аэрозольных слоев тропосферы и стратосферы. В этом плане многообещающие результаты следует ожидать от использования метода лазерного зондирования аэрозолей, обладающего высокой потенциальной пространственной разрешающей способностью.
Для большого числа задач оптики атмосферы и прежде всего задач лазерного зондирования атмосферы весьма важно знать, как распределена рассеянная энергия по углам рассеяния, т.е. какова диаграмма или индикатриса рассеяния. Углы рассеяния отсчитывают от направления распространения. Так, например, углы 0 и 180° соответствуют направлениям вперед и назад. Для частицы с малым значением параметра р=2тш/Х и с комплексным показателем преломления, близким к единице, индикатриса рассеяния аналогична молекулярной, т.е. симметрична относительно направления распространения. Но уже у малых абсолютно отражающих частиц индикатриса рассеяния резко вытянута назад. С увеличением параметра р индикатриса рассеяния сферических частиц непрерывно изменяет свою форму, становясь все более вытянутой вперед. В общем случае угловое распределение интенсивности рассеянного излучения частицы выражается через первые и вторые производные полиномов Лежандра п-го порядка с аргументом cosy, где у угол рассеяния. В отличие от молекулярного рассеяния, величины рассеянной частицы энергии в переднюю и заднюю полусферы, неодинаковы, т.е. индикатриса рассеяния асимметрична. Коэффициент асимметрии, определяемый как отношение энергии, рассеянной переднюю и заднюю полусферы, с увеличением относительного размера частицы увеличивается. Теория Ми, отметим, строго применима только к изотропным сферам. Обычно полагают, что атмосферные частицы сферические и изотропные. Это допущение, вообще говоря, приемлемо только для «влажных» частиц дымки, тумана, облачности и малых дождевых капель, отвечающих за большинство случаев рассеяния в атмосфере [14], и менее пригодно для пылевых структур, ядер конденсации и индустриального аэрозоля.
Закономерности рассеяния на несферических частицах значительно сложнее и существенно отличаются от рассеяния на изотропных сферах. Ван де Хюлстом подробно рассмотрены случаи рассеяния света сфероидами, эллипсоидами, цилиндрами и дисками из поглощающих и непоглощающих веществ [18]. Аналогичные вопросы рассмотрены Керкером [19]. Большое количество расчетных данных получено А.П.Пришивалко [20] для неоднородных сфер с поглощением и двухслойных частиц.
В работе [20] исследовано угловое распределение интенсивности света, рассеянного ансамблями частиц, представленных изотропными сферами и частицами неправильной формы, но имеющими один и тот же закон распределения. Показано, что рассеяние, наблюдаемое под углами меньше 100°, хорошо согласуется с результатами теории Ми, а для больших углов интенсивность рассеянного света на частицах неправильной формы меньше, чем на изотропных сферах. Следовательно, в общем случае при интерпретации данных лазерного зондирования атмосферного аэрозоля теорию Ми следует использовать с большой осторожностью.
Экспериментально закономерности рассеяния и ослабления оптического излучения в атмосфере исследованы рядом авторов. Весьма полная библиография работ, посвященных этим вопросам, содержится в монографиях [3,4,5,9,14,22] и обзорных статьях [11,23].
Из уравнения лазерной локации следует невозможность в общем случае определения входящих в него величины прозрачности атмосферы и суммы объемных коэффициентов обратного молекулярного и аэрозольного рассеяния, не прибегая к ряду предположений. С точки зрения однозначности информации, извлекаемой из зарегистрированного обратного сигнала, эти предположения включают: прозрачность атмосферы между отражаемым объемом и лидаром известна, что вполне оправданно, если учесть, что существует целый ряд методов измерения спектральной прозрачности атмосферы. В качестве одного из них может быть использован метод измерения прозрачности атмосферы с помощью самого лазерного локатора; для нижнего 30- километрового слоя атмосферы известен вертикальный профиль объемного молекулярного коэффициента рассеяния, значит, и вертикальный профиль объемного молекулярного коэффициента обратного рассеяния. Естественно, что это предположение ограничивает возможности интерпретации результатов зондирования в нижнем 30- километровом слое атмосферы. Но, тем не менее, его можно считать приемлемым, т.к. вертикальный профиль плотности атмосферы и связанный с ним однозначно вертикальный профиль объемного коэффициента молекулярного рассеяния изменяются в этом слое не существенно. Так, в приземном слое атмосфере все колебания атмосферного давления заключены в пределах ±3%.
При выполнении указанных предположений из измеренного профиля эхосигнала лазерного импульса можно извлечь однозначную информацию о профиле объемного коэффициента обратного аэрозольного рассеяния, который дает представление о стратификации аэрозольных слоев атмосферы. Последняя характеристика имеет важное значение. Однако для решения многих задач оптики атмосферы обычно требуется знать по крайней мере профиль объемного коэффициента аэрозольного рассеяния. Объемный коэффициент аэрозольного рассеяния может быть однозначно выражен через объемный коэффициент обратного аэрозольного рассеяния только в том случае, когда задана индикатриса рассеяния (или иметь статистические данные о корреляционных связей одного коэффициента с другим). Во многих случаях пока из-за недостатка таких сведений при количественной интерпретации данных используют априорную информацию об аэрозоле. Чаще всего исходят из предположения о том, что комплексный показатель преломления и спектр размера частиц известны, а их форма считается сферической. Аналогично поступают при определении массы аэрозольных частиц в единице объема. И действительно, если считать известными химический состав частиц и их спектр размеров, тогда для сферических частиц можно найти отношение объемного коэффициента обратного рассеяния к объемному коэффициенту рассеяния. Следовательно, из результатов зондирования можно найти объемный коэффициент рассеяния, в который входят концентрация частиц, их спектр размеров и фактор эффективности рассеяния (см. формулу 7). Из этих трех величин неизвестной является только концентрация частиц, поскольку спектр размеров задан, а фактор эффективности рассеяния рассчитывается по заданным значениям комплексного показателя преломления. Концентрация частиц линейно входит в выражение для объемного коэффициента рассеяния (7), поэтому ее определение не представляет большого труда.
Без привлечения дополнительной априорной информации при одночастотном зондировании безоблачной атмосферы оказывается возможным решение следующих важных задач: 1) исследование стратификации и относительной интенсивности аэрозольных слоев (число слоев, их пространственная протяженность, тонкая структура); 2) исследование динамики пространственной структуры аэрозольных слоев атмосферы; 3) исследование пространственно-временных характеристик загрязнения атмосферы в результате индустриальной деятельности человека; 4) определение прозрачности однородной в горизонтальных плоскостях атмосферы по наклонной и горизонтальной направлениям. Обнаруженные корреляционные связи между стратификацией аэрозольных слоев и рядом метеорологических величин, прежде всего таких, как температура и относительная влажность, открывают дополнительные возможности одночастотного зондирования аэрозольного рассеяния атмосферы.
По мере накопления данных о спектрах размеров, концентрации, химическом составе и форме частиц атмосферных аэрозолей, с одной стороны, и данных об их индикатрисах рассеяния, с другой, одночастотное зондирование будет приносить все более и более точную количественную информацию о микроструктуре и оптических характеристиках атмосферных аэрозолей.
Линейная корреляционная связь между объемным коэффициентом обратного аэрозольного рассеяния и объемным коэффициентом аэрозольного рассеяния наблюдалось рядом авторов, например, группой Коллиса [24]. Однако полученных данных пока не достаточно, чтобы можно было сделать заключение об однозначной связи между этими коэффициентами при тех или иных условиях. Необходимо проводить серии новых специальных экспериментов в различных географических районах, в разные сезоны и на разных высотах.
Таким образом, из краткого обзора проведенных теоретических и экспериментальных исследований следует, что в основном они посвящены изучению закономерностей поведения лазерного излучения в случайно- неоднородных средах, какой является атмосфера, и влиянию на распространение излучения характеристик атмосферы. В стороне от решаемых в настоящее время лазерно-локационным методом задач остались такие важные в практическом отношении задачи, как диагностика состояния приземного слоя и аэрозольной атмосферы, в частности, стратосферы. Возможность количественной оценки объемной концентрации и массы аэрозольных частиц при одночастотном зондировании атмосферы имеет очень важное значение в связи с проблемой борьбы с загрязнениями атмосферы аэрозолями антропогенного происхождения. Эта проблема с каждым годом становится все более и более актуальной, которая связана не только с непосредственным влиянием загрязнений на жизнь человека. Более серьезное влияние загрязнение окружающей среды может оказать на изменение климата. В решении борьбы с загрязнениями окружающей среды немаловажную роль должны сыграть методы количественной оценки различных загрязнений атмосферы, среди которых метод лазерного зондирования призван сыграть особую роль. Этот метод может использоваться для дистанционного определения как аэрозолей, загрязняющих атмосферу, так и газовых компонентов. Прежде всего, необходимо подчеркнуть, что при лазерном зондировании можно не только количественно оценивать загрязнение свободной атмосферы аэрозолями в любой доступной лазерному импульсу локализованной области, но и детально исследовать пространственно-временную структуру загрязнений, источники загрязнений и их вклад в загрязнение атмосферы на различных расстояниях от источника.
Важной задачей в развитии методов лазерной локации атмосферы является также изучение природы, временной и пространственной изменчивости оптических свойств аэрозоля и его распределений, которые являются одним из основных предметов исследований при ракетных, самолетных, зондовых экспериментах, отработке методов дистанционной диагностики атмосферы из космоса. Подобная информация также необходима для прогнозирования условий переноса в атмосфере радиации различного спектрального состава, при оценках потолка зондирования атмосферы и точностных характеристик систем дистанционного зондирования атмосферы, моделировании климата, процессов воздействия на озоновый слой и т.д. При решении практических задач при указанных исследованиях используются некоторые модельные представления, т.к. для реальных условий пространственно-временные распределения нужного параметра в атмосфере неизвестны. Кроме того, растет потребность в знаниях о состоянии атмосферы и над локальными регионами, например, над Кыргызстаном.
При локационном зондировании определение свойств атмосферы по сигналу обратного рассеяния, образующегося вследствие упругого рассеяния на стратосферных газах и частицах, сводится к решению двух задач: переходу от сигнала к коэффициентам рассеяния, затем от этих оптических характеристик непосредственно к физическим характеристикам атмосферы. Главным источником погрешностей, возникающих при обработке сигнала обратного рассеяния на всех высотах, является погрешность профиля молекулярной плотности, которая является доопределяющим параметром при разрешении уравнения лазерной локации. Эта погрешность ниже 25 км является доминирующим источником погрешностей при работе лидарной системы с длиной волны менее 1,1 мкм.
В связи с этим, целью работы являются:
• разработка методик диагностики состояния приземного слоя лазерно-локационным методом, в т.ч. измерения градиента температуры, турбулентного потока тепла и дефицита влажности;
• экспериментальные исследования вертикального распределения оптических характеристик аэрозоля и температуры в стратосфере при различных состояниях атмосферы в режиме мониторинга над центрально-азиатским регионом лазерно-локационным методом;
• разработка региональных термодинамических и оптических моделей молекулярной атмосферы.
Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи исследований:
• разработать и обосновать методику диагностики состояния приземного слоя и системы «почва-растение-воздух» с помощью лазера; получить и проанализировать экспериментальные данные;
• получить и проанализировать экспериментальные данные мониторинга пространственно-временных распределений оптических характеристик стратосферного аэрозоля и температуры при различных состояниях атмосферы над центрально-азиатским регионом;
• обосновать выбор оптимальной модели молекулярной атмосферы, разработать методику и получить региональные модели термодинамических и оптических параметров молекулярной атмосферы;
• разработать региональную полуэмпирическую энергобалансовую методику учета влияния оптического состояния стратосферного аэрозоля на приземную температуру; получить с ее помощью численные оценки влияния оптического состояния стратосферного аэрозоля на приземную температуру региона.
Основные положения работы, выносимые на защиту:
1. Методики определения в приземном слое . лазерно-локационным методом градиента температуры, турбулентного потока тепла и дефицита влажности, в том числе:
• модель взаимодействия лазерного излучения с системой «почва-растение-воздух»;
• устройство для измерения структурной характеристики показателя преломления воздуха для исследования состояния турбулентности приземного слоя;
• способ измерения градиента температуры с помощью лазера, как характеристики состояния системы «почва-растение-воздух»;
• способ определения турбулентного потока тепла и дефицита влажности лазерно-локационным методом.
2. Региональные термодинамические (давление, температура, влажность, плотность) и оптические (коэффициент обратного молекулярного рассеяния, функция молекулярного пропускания) модели молекулярной атмосферы, основанные на выявленных закономерностях распределения плотности воздуха по широте и долготе, макроциркуляционных процессах, характерных для региона, и учете особых слоев в атмосфере.
3. Результаты длительного мониторинга оптического состояния стратосферного аэрозоля лазерно-локационным методом на единственной в Центральной Азии лидарной станции Теплоключенка, особенности динамики оптических характеристик при различных состояниях стратосферы, установленные связи с крупными природными и техногенными катастрофами, влияние на динамику оптических характеристик аэрозоля динамических процессов в атмосфере (тропопауза, струйные течения, мезомасштабные волновые возмущения). Региональная полуэмпирическая энергобалансовая методика учета влияния оптического состояния стратосферного аэрозоля на приземную температуру.
4. Результаты измерений температуры лазерно-локационным методом над центрально-азиатским регионом и установленные связи с динамикой оптических характеристик стратосферного аэрозоля в фоновые и возмущенные периоды. Выявленные особенности влияния динамики оптических характеристик аэрозоля на приземную температуру высокогорных и долинных районов региона.
Достоверность научных положений обеспечивается использованием апробированных приборов и методик измерения; согласием результатов измерений независимыми методами; статистической обработкой результатов; апробацией вновь предложенных методов известными ранее методами.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые разработаны методики определения в приземном слое градиента температуры, турбулентного потока тепла и дефицита влажности лазерно-локационным методом.
2. Впервые для региона разработаны термодинамические и оптические модели молекулярной атмосферы, применение которых существенно уменьшает погрешность профиля оптических характеристик аэрозоля при одночастотной лазерной локации.
3. Впервые над центрально-азиатским регионом в режиме мониторинга получены экспериментальные данные о вертикальных профилях оптических характеристик аэрозоля, закономерности их изменений под влиянием крупных природных и техногенных катастроф, в частности, получены новые данные о характере изменений оптических характеристик после крупнейшего в XX столетии извержения вулкана Пинатубо.
4. Проведена экспериментальная проверка метода измерения температуры над центрально-азиатским регионом с помощью лазерно-локационного метода; разработана модель температуры средней атмосферы над регионом для фонового и возмущенного периодов атмосферы.
5. Впервые в центрально-азиатском регионе разработана региональная полуэмпирическая энергобалансовая методика учета влияния оптического состояния стратосферного аэрозоля на приземную температуру и получены численные оценки чувствительности температуры приземного слоя высокогорных и долинных районов региона к оптическому состоянию фонового аэрозоля и аэрозоля вулканического происхождения.
Личный вклад автора заключается в следующем. Автору принадлежит обоснование основных физических подходов и разработка методов исследования, а именно:
• разработка модели взаимодействия лазерного излучения с параметрами системы «почва — растение — воздух»;
• формулировка и обоснование идеи регулирования водного и теплового режимов растений по характеристике локационного сигнала, разработка способа измерения градиента температуры, как характеристики состояния системы «почва — растение — воздух», с помощью лазера;
• разработка устройства для измерения структурной постоянной показателя преломления воздуха, как характеристики состояния турбулентности среды;
• разработка региональных термодинамических и оптических моделей молекулярной атмосферы;
• разработка модели температуры средней атмосферы над центрально-азиатским регионом для фоновых и возмущенных периодов;
• разработка региональной методики учета влияния оптического состояния стратосферного аэрозоля на приземную температуру.
При его активном и решающем участии экспериментально получены:
• закономерности изменения оптических характеристик аэрозоля над центрально-азиатским регионом при различных состояниях стратосферы;
• условия «прозрачности» атмосферы над регионом для прохождения стационарных внутренних мезомасштабных волн;
• возможность диагностики термического состояния средней атмосферы над регионом лазерно-локационным методом;
• численные оценки чувствительности температуры приземного слоя к оптическому состоянию фонового аэрозоля и аэрозоля вулканического происхождения.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
1. Методики определения состояния приземного слоя и диагностики состояния системы «почва-растение-воздух» лазерно-локационными методами могут быть использованы в автоматизированных системах оперативного управления поливами орошаемых земель и контроля влагообеспеченности сельскохозяйственных растений с целью регулирования сроков и норм полива в зонах недостаточной и резко меняющейся природной влагообеспеченности, какими являются, в частности, горные регионы.
2. Региональные термодинамические и оптические модели молекулярной атмосферы внедрены в алгоритм обработки сигналов обратного рассеяния на лидарной станции Теплоключенка для решения уравнения лазерной локации; могут быть примененены при решении практических задач, связанных с прогнозированием условий переноса в атмосфере радиации различного спектрального состава, моделированием климата и т.д.
3. Выявленные закономерности изменения оптических характеристик стратосферного аэрозоля при различных состояниях атмосферы применяются при физическом моделировании современного изменения регионального климата с учетом влияния оптического состояния стратосферного аэрозоля, а также могут быть использованы в качестве дополняющей и корректирующей информации при спутниковых измерениях.
4. Экспериментально подтвержденная методика измерения температуры лазерно-локационным методом позволяет обеспечивать в реальном масштабе времени нужды авиации и космонавтики, а также оперативную службу Гидрометцентра республики информацией, недоступной другими существующими методами.
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались и обсуждались на IV и V съездах Географического общества Киргизской ССР (1985, 1990 гг.); на Всесоюзных симпозиумах’ по распространению лазерного излучения в атмосфере (Томск, 1973, 1981 г.); Международной конференции по распространению лазерного излучения (Томск, 1990 г.); 5-й Международной конференции по атмосферной оптике (Томск, 1991 г.); Всесоюзном совещании «Состояние и охрана воздушных бассейнов курортных районов» (Кисловодск, 1989 г.); Советско-американском совещании по интеркалибровке лидаров (Обнинск, 1990 г.); Международном семинаре «Конверсионный потенциал Кыргызской Республики и проекты МНТЦ» (1998 г.); II Всероссийской научно-технической конференции «Физические проблемы экологии (Физическая экология)» (Москва, МГУ, 1999 г.), а также на заседаниях НТС, ежегодных научно-технических конференциях КГНУ (1985-1989 гг.), научных семинарах и ежегодных конференциях КРСУ (1995-2000 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 34 работы, в том числе две монографии и получено 2 авторских свидетельств на изобретения.