Создание многоканального метода для одновременного восстановления высотных профилей концентраций атомарного кислорода, озона и углекислого газа ([O(3P)], [О3] и [CО2]) в мезосфере и нижней термосфере (МНТ) из наблюдений эмиссий электронно-колебательно возбужденного кислорода и возбужденного атома O(1D), которые являются трассерами соответствующих компонент. Для всестороннего анализа возможных трассеров, мы используем разработанную нами полную модель электронно- колебательной кинетики возбужденных продуктов O3 и O2 фотолиза в МНТ Земли (YM2011). В этой модели традиционная кинетика электронно-возбужденных продуктов O3 и O2 фотолиза дополняется процессами переноса энергии между синглетными электронно-колебательно возбужденными уровнями молекулы кислорода, O2(a, v) и О2(b, v), возбужденным атомарным кислородом O(1D) и колебательно возбужденными молекулами O2 в основном электронном состоянии O2(X, v). В рамках проекта по разработке многоканального метода для восстановления высотных профилей [О3], [O(3P)] и [CО2], для каждой целевой малой компоненты предложен оптимальный трассёр. Выбор трассёра обоснован проведёнными в проекте оценками интенсивности оптических эмиссий соответствующего трассёра, а также результатами анализа неопределенностей процедуры восстановления высотных профилей целевых компонент. Анализ неопределённостей проведён двумя методами, а именно, анализом чувствительности модели и методом Монте-Карло. Для каждого предлагаемого метода получены аналитические формулы, позволяющие алгоритмизировать процедуру восстановления высотного профиля целевой компоненты ( [О3], [O(3P)] или [CО2] ) из объемной скорости эмиссии соответствующего трассёра.
В данном исследовании мы обосновываем методs для восстановления высотных профилей концентраций атомарного кислорода, озона и углекислого газа в верхней атмосфере Земли на высотах от 50 до 125 км. Все эти три компоненты являются ключевыми параметрами при рассмотрении энергетики верхней атмосферы. Экспериментально измерить эти профили нет возможности, так как это - невозбуждённые компоненты. Поэтому, в данном проекте были найдены для каждой из этих целевых компонент подходящие трассёры (возбуждённые излучающие компоненты, концентрации которых легко измерить как спутниковыми, так и ракетными методами). Одним из основных требований, предъявляемых к трассёру, является следующее: измеренное значение концентрации трассёра должно быть непосредственно связано с концентрацией интересующей нас компоненты, но, в то же время, влияние трассёра на концентрации O3, O(ЗР) и CO2 должно быть минимальным. Идея метода базируется на возможности восстановления концентрации интересующих нас атмосферных газов, О(ЗР), O3 и СO2 из измерений со спутника интенсивностей эмиссий в спектральных полосах молекулярного кислорода и в линии атомарного кислорода. Итогом нашего исследования была не только разработка методов восстановления высотных зависимостей концентраций атомарного кислорода, [O(ЗР)], озона [O3], и углекислого газа [CO2] в мезосфере и нижней термосфере, но и многоканального метода для одновременного восстановления всех этих компонент. В результате оценки неопределенностей восстанавливаемых значений концентраций O3, О(ЗР) и СО2 для всех методов в зависимости от высоты были разработаны рекомендации для реализации спутникового дистанционного зондирования (измерения интенсивностей соответствующих эмиссий) в области МНТ.
1) Для восстановления концентрации атомарного кислорода в интервале 85 - 140 км можно использовать любой из трёх трассёров, О2(b1, v = 0), О2(b1, v = 1) или О2(b1, v = 2). Однако, опираясь на проведённые нами анализ чувствительности фотохимической модели YM2011, мы рекомендуем использовать трассёр О2(b1, v = 2).
2) Для восстановления концентрации озона в интервале высот 50 – 98 км наилучшим трассёром является О2(b1, v = 1), выше мезопаузы также можно использовать альтернативно трассёр О2(b1, v = 0). Выше 100 км концентрация озона резко падает, и, соответственно, неопределенность восстановления [O3] возрастает до 50% (примерно на высоте 100 км) и более для всех рассмотренных трассёров.
3) Концентрацию углекислого газа в интервале высот 50 – 100 км можно восстанавливать только с помощью одного трассёра – О2(b1, v = 0).
4) В рамках фотохимической модели YM2011 впервые разработан двухканальный метод одновременного определения объемных отношений смеси O3 и CO2 в диапазоне высот 50 - 85 км. Метод восстановления в диапазоне высот 50 – 85 км основан на измерениях излучения с уровня О2(b1, v = 1) в полосах 771, 874 или 688 нм, а метод восстановления Cv,CO2 – на измерениях излучения с уровня О2(b1, v = 0) в полосах 762 или 865 нм. Суть предлагаемого метода определения высотного профиля Cv,CO2 по измерениям концентраций возбужденных молекул О2(b1, v = 1) и О2(b1, v = 0) основана на следующем факте: при возбуждении этих уровней процессы фотодиссоциации О3 и О2 играют ключевую роль, но населенность О2(b1, v = 1) не зависит от [CO2], в отличие от О2(b1, v = 0). Для восстановления Cv,O3 и Cv,CO2 получены аналитические формулы, которые могут использоваться для дистанционного зондирования Cv,O3 и Cv,CO2 в атмосфере Земли со спутников. Используя анализ чувствительности, мы оценили значения ожидаемых неопределенностей полученных значений Cv,CO2, в интервале 50 – 85 км и эти значения лежат в интервале 15 – 30%.
5) В рамках фотохимической модели YM2011 впервые разработан трёхканальный метод для одновременного восстановления высотных профилей объемного содержания, Cv,CO2, Cv,O3, и Cv,О(ЗР). Этот метод актуален для интервала высот 85 – 105 км в области пика концентрации атомарного кислорода. В данном методе помимо трассёров О2(b1, v = 0) и О2(b1, v = 1), третий трассёр используется для восстановления концентрации атомарного кислорода из объемной скорости эмиссии молекулы О2(b1, v = 2) в полосах 629 или 697 нм. Полученные аналитические выражения могут использоваться для дистанционного зондирования Cv,O3 и Cv,CO2 в атмосфере Земли со спутников.
6) Основываясь на рассчитанных неопределенностях восстановления [O(3P)], [O3] и [CO2], проведенных по методам Монте-Карло и анализа чувствительности, мы рекомендуем следующие методы дистанционного зондирования с целью восстановления высотных профилей [O(3P)], [O3] и [CO2] из измерений интенсивностей эмиссий кислорода:
а. Хотя все рассмотренные трассёры пригодны для восстановления высотного профиля [O3], но оптимальным является [О2(b1, v = 1] что обеспечивает относительную погрешность восстановления около 6 – 12% в диапазон высот 50 – 96 км. Ниже 89 км также можно использовать трассёр О2(a1, v = 0) с относительной неопределенностью восстановления [О3], не превышающей 12%.
б. В диапазоне высот 90–140 км использование трассёра О2(b1, v = 2) позволяет восстановить высотный профиль [O(3P)] с относительной неопределенностью около 18%. В диапазоне 105 – 140 км можно также использовать метод одновременных измерений концентраций трассёров [О2(b1, v = 0) и [O(1D)] для восстановления [O(3P)] со средней относительной неопределенностью около 25 – 40%.
в. Для восстановления высотного профиля [CO2] мы разработали метод, который использует одновременное измерение объемных скоростей эмиссии для переходов с двух возбужденных уровней молекулы кислорода, О2(b1, v = 0) и О2(b1, v = 1). Предложенный метод позволяет получить высотный профиль [CO2] в диапазоне 50 – 85 км с неопределенностью 10 – 20% и в диапазоне 85 – 105 км с неопределенностью 20 – 60%.
В рамках фотохимической модели YM2011 впервые разработан трехканальный метод для одновременного восстановления высотных профилей объемного содержания, Cv,CO2, Cv,O3, и Cv,О(ЗР). Этот метод актуален для интервала высот 85 – 105 км в области пика концентрации атомарного кислорода. В данном методе помимо трассеров O2(b1, v = 0) и O2(b1, v = 1), третий трассер используется для восстановления концентрации атомарного кислорода в эмиссионных полосах 629 или 697 нм с уровня O2(b1, v = 2). Выбор оптимального трассера для каждой целевой компоненты основывался также на рассчитанных неопределенностях восстановления [O(3P)], [O3] и [CO2], проведенных как по методам Монте Карло, так и с помощью анализа чувствительности.
В рамках фотохимической модели YM2011 разработан трехканальный метод для одновременного восстановления высотных профилей объемного содержания, Cv,CO2, Cv,O3, и Cv,О(ЗР).
1) Янковский Валентин Андреевич - руководство проектом, разработка новых методов восстановления высотных профилей атмосферных компонент, программирование задач, подготовка статей и отчетов, (50%).
2) Воробьева Екатерина Викторовна - исполнитель проекта, разработка новых методов восстановления высотных профилей атмосферных компонент, программирование задач, расчет по методу Монте-Карло, подготовка статей, (30%).
3) Мануйлова Рада Олеговна - исполнитель проекта, разработка новых методов восстановления высотных профилей атмосферных компонент, подготовка статей и отчетов, (20%).
| Short title | __ |
|---|
| Acronym | RFBR_a_2017 - 3 |
|---|
| Status | Finished |
|---|
| Effective start/end date | 21/03/19 → 15/12/19 |
|---|
