Разделы

Авто
Бизнес
Болезни
Дом
Защита
Здоровье
Интернет
Компьютеры
Медицина
Науки
Обучение
Общество
Питание
Политика
Производство
Промышленность
Спорт
Техника
Экономика

Влияние атмосферы

При дистанционном зондировании поверхности Земли атмосфера является возмущающей средой, которая искажает спутниковые данные, а в некоторых участках электромагнитного диапазона, например в дальнем инфракрасном с длиной волны около 100 мкм, вообще препятствует дистанционному зондированию. С другой стороны, спектральные линии поглощения газов однозначно характеризуют эти газы, а интенсивность и ширина линий отражают физические параметры газов (температуру, плотность, общее количество молекул). Поэтому спектральные линии являются важным показателем при дистанционном зондировании самой атмосферы.

До высоты 100 км атмосферные газы равномерно перемешаны. К главным газам атмосферы относят кислород O2 (около 21 % воздуха по объему), азот N2 (около 78 %) и аргон Ar (несколько менее 1 %). Влияние их на наблюдение Земли из космоса незначительно.

Важным компонентом атмосферы является водяной пар, содержание которого в атмосфере не постоянно и относительно невелико. Он имеет очень большое число линий поглощения в инфракрасном и микроволновом диапазонах спектра, начиная с l = 0,72 мкм и далее у 0,81; 0,94; 1,1; 1,38; 1,87; 2,7-3,2; 6,3 мкм. Широкая линия поглощения с центром на 50 мкм перекрывает диапазон длин волн примерно от 10 мкм до 1 см.

Углекислый газ CO2 имеет две узкие линии поглощения при l =2,7 мкм, l = 4,26 мкм и вызывает сильное поглощение в дальней инфракрасной зоне спектра начиная с l =13 мкм; центр линии приходится на l = 15 мкм.

Известны 20-30 газов, содержащихся в атмосфере в небольших количествах (так называемых малых газов), имеющих как естественное, так и антропогенное происхождение. Некоторые из них, а также углекислый газ, могут оказывать влияние на климат Земли и на здоровье человека.

К числу малых газов естественного происхождения относят закись азота N2O и метан CH4 (результат деятельности бактерий), сернистый ангидрид SO2, сернистый карбонил COS, сероводород H2S и др. (вулканические выбросы). К числу малых газов относится также озон O3, возникающий в верхних слоях атмосферы под воздействием ультрафиолетового излучения Солнца.

К малым газам антропогенного происхождения относят отходы топок, производства, транспорта, сельского хозяйства: SO2, CO, хлороводород HCl, фреоны CClxFy и другие.

Естественный аэрозоль - твердые и жидкие частицы, взвешенные в воздухе, включают космическую, вулканическую и почвенную минеральную пыль, пыльцу растений, частицы морской соли, капли облаков и туманов, частицы дыма лесных и торфяных пожаров. Антропогенный аэрозоль - это частицы сажи, пепла, цемента и другие отходы производства и транспорта. Существенным источником загрязнения являются топки печей, ГРЭС, тепловые двигатели.

Малые газы, а также СO2 - это многоатомные газы, имеющие электронные переходы с энергией диссоциации порядка 3-5 эВ, а также вращательно-колебательные переходы с энергией возбуждения порядка 0,1 эВ и менее. Первые из них могут быть возбуждены солнечным излучением УФ и видимого диапазона, вторые – квантами ИК и радиодиапазона.

Молекулы озона O3, находящиеся в основном в стратосфере, сильно влияют на общее поглощение только в одном небольшом участке инфракрасной зоны (l = 9,59 мкм). Однако озон активно поглощает энергию в ультрафиолетовой зоне и в зоне миллиметровых радиоволн. Например, слой озона толщиной всего 3 мм (при нормальном давлении и температуре) ослабляет УФ излучение Солнца с длиной волны l = 0,255 мкм в 1040 раз. И озон, и другие газы при поглощении преобразуют энергию Солнца в тепловую.

Малые газы, водяной пар и CO2 вызывают ослабление излучения из-за дискретного поглощения в таких важных диапазонах длин волн, как ближний инфракрасный (~1 мкм) и тепловой инфракрасный (l >10 мкм). В результате в дальнем ИК прозрачным сохраняется только один широкий диапазон длин волн 8–12 мкм, в то время как в ближнем и среднем ИК в зоне длин волн менее 4 мкм имеются четыре узких диапазона, которые используются для дистанционною зондирования. Прозрачен и видимый диапазон, однако в наиболее коротковолновой его части (фиолетовый и голубой участки) велики "помехи" от молекулярного рассеяния солнечного света.

Рис. 1.6. Окна прозрачности атмосферы в оптическом диапазоне

 

Атмосфера не является прозрачной в дальней инфракрасной зоне спектра с длиной волны более 14 мкм. И только при длине волн намного длиннее этих (около 1 мм) атмосфера вновь становится все более прозрачной, поскольку лишь некоторые более слабые переходы вызывают поглощение. На рис. 1.6 показаны окна прозрачности атмосферы в ИК диапазоне.

Искусственные спутники Земли позволяют не только наблюдать из космоса поверхность суши, водоемов и облаков, но и определять средствами оптической спектроскопии концентрацию некоторых газов и аэрозоля.

Естественные и антропогенные примеси вызывают локальное загрязнение территорий, но они могут разноситься потоками воздуха по всему земному шару. Например, выбросы в атмосферу Норильского горно-металлургического комбината заметны на Аляске и в Канаде, в Японии идут кислотные дожди из-за промышленных выбросов в Китае. Основную роль в выявлении глобального загрязнения атмосферы отводится спутниковым методам. Для оценивания содержания малых газов, СO2 и аэрозолей используются спутниковые спектрофотометры. Облака SO2 можно видеть на рис. 1.17, построенным по данным спутника TOMS/EP за 1 октября 1994 г. Здесь видны выбросы при извержении вулкана Ключевская сопка (отмечена крестом), выброс Норильского комбината (стрелка) и выбросы из Китая (внизу рисунка).

Рис. 1.17. Выбросы SO2 по спутниковым данным за 1 октября 1994 г.

 

Спектрофотометры УФ и видимого диапазона регистрируют интенсивность рассеянного "назад" излучение Солнца. Спектрофотометры ИК диапазона регистрируют интенсивность прошедшего через атмосферу теплового излучения от поверхности Земли и облаков. Частицы аэрозолей, как правило, имеют несферическую форму; под действием воздушных потоков они ориентируются приблизительно в одном направлении, поэтому солнечный свет, рассеянный аэрозолями, имеет эллиптическую поляризацию. Измеряя характеристики поляризации рассеянного излучения, можно оценить концентрацию аэрозолей. На спутнике ADEOS (Япония) был установлен французский прибор POLDER, содержавший детекторы излучения, перед которыми вращались спектральные (на l=0,443, l=0,670 и l= 0,865 мкм) и поляризационные фильтры на 3 значения угла поляризации.

В качестве примера рассмотрим методику определения общего содержания озона O3 (ОСО) в атмосфере. Озон имеет интенсивные полосы поглощения в ультрафиолетовой области, которые используются для определения ОСО наземными и спутниковыми приборами.

На поверхности Земли общее содержание озона в столбе атмосферы определяют, измеряя интенсивность ультрафиолетового излучения Солнца в узких интервалах на двух длинах волн с различным показателем поглощения озона, например при l = 0,3 мкм и l = 0,348 мкм. Использование двух близких длин волн позволяет исключить при последующих расчетах поглощение и рассеяние другими газами и аэрозолем. Еще более точно ОСО можно измерять, применяя не одну, а несколько пар длин волн.

Спутниковые озонометры УФ диапазона регистрируют солнечное излучение, рассеянное назад молекулами озона. В приборе TOMS (Total Ozone

Mapping Spectrometer) для этой цели используются две пары длин волн: l = 0, 3125 и l = 0,3312 мкм, l=0,3175 и l = 0,3398 мкм, выделяемые монохроматором на дифракционной решетке. Озонометр TOMS (США) успешно работал на российском спутнике "Метеор-3"; этот прибор установлен также на специальном озонометрическом спутнике TOMS/EP (США) и японском спутнике ADEOS. Погрешность определения ОСО прибором TOMS около 1– 2 %, точность не хуже, чем при наземных измерениях. TOMS позволяет также определять концентрацию метана и двуокиси серы в атмосфере.

Прибор HIRS спутника NOAA регистрирует восходящее излучение от Земли в полосе поглощения озона на l= 9,59 мкм. Температура поверхности Земли и атмосферы определяется со спутника с хорошей точностью, плотность потока энергии от них может быть вычислена, разница измеренной и вычисленной плотности потока на l=9,59 мкм дает общее содержание озона в столбе атмосферы. Однако на этой длине волны присутствует небольшое поглощение излучения водяным паром, и потому HIRS несколько завышает ОСО (в среднем, до 6 % ). На рис. 1.18 приведена карта озонового слоя над Сибирью и Средней Азией, полученная с помощью прибора HIRS (спутник NOAA-12). ОСО измеряют в единицах Добсона. Если собрать озон в столбе атмосферы и поместить при нормальном давлении и температуре, то получится слой в 3-4 мм. 100 единиц Добсона соответствуют слою в 1 мм.

Рис. 1.18. Карта озонового слоя 25 апреля 1998 г. 11час. 25мин. по Гринвичу. Среднее ОСО 361, СКО 55 единиц Добсона

 

Дата публикации:2014-01-23

Просмотров:670

Вернуться в оглавление:

Комментария пока нет...


Имя* (по-русски):
Почта* (e-mail):Не публикуется
Ответить (до 1000 символов):







 

2012-2018 lekcion.ru. За поставленную ссылку спасибо.