Вычисление потоков солнечного излучения в УФ-диапазоне с различными сечениями поглощения озона и диоксида азота

DOI:

Озон является основным поглощающим газом в УФ-диапазоне, защищающим все живое на Земле от губительного воздействия ультрафиолетового излучения. Помимо него дополнительный, хотя и меньший вклад в поглощение в УФ-диапазоне вносят такие газы, как NO2, SO2, BrO, OClO и др. Концентрация этих газов в атмосфере Земли может достаточно сильно меняться, причем их изменчивость обусловлена различными факторами, как естественными (например, циркуляция атмосферы), так и антропогенными. Контроль над содержанием газов в атмосфере проводится разными дистанционными методами, для которых необходим точный учет характеристик молекулярного поглощения. В УФ-диапазоне для вычисления атмосферного поглощения используются сечения поглощения O3, NO2, SO2, которые требуется знать с высокой точностью. В отчете за 2015 г. международной комиссии по изучению сечений поглощения озона ACSO [5] было отмечено, что для серийных измерений концентраций озона в атмосфере необходима точность данных по сечениям поглощения озона не хуже 1 %, чтобы ограничить системные погрешности восстановления содержания озона из атмосферных измерений. Кроме того, при моделировании радиационного переноса и решении обратных задач восстановления концентраций газов следует учитывать температурную зависимость сечений поглощения озона и диоксида азота.

В данной работе проведена оценка возможных погрешностей, возникающих при моделировании атмосферного радиационного переноса солнечного излучения в УФ-диапазоне за счет использования различных современных данных по сечениям поглощения озона и диоксида азота. Проведено сопоставление расчетных данных о прозрачности атмосферы, а также прямого и диф- фузно рассеянного потока солнечного излучения на поверхности Земли при регистрации наземными приборами различного спектрального разрешения. Особое внимание уделено разработанным в ИОА СО РАН солнечным фотометрам серии SPM [1], с помощью которых выполняются регулярные измерения прозрачности атмосферы в Томске и Волгограде. На основе этих данных возможно восстановление общего содержания озона в вертикальном столбе атмосферы.

Сечения поглощения озона и диоксида азота

К настоящему времени получено много экспериментальных данных по сечениям поглощения озона и диоксида азота при различных температурах и спектральном разрешении. В атмосферных приложениях наиболее часто используются сечения поглощения озона Bass, Paur [9], Daumont, Brion [6; 16] и Molina [13]. Недавно были проведены новые лабораторные измерения сечений поглощения озона в УФ и видимом диапазонах спектра Serdyuchenko, Gorshelev et al. [17; 18] с высоким спектральным разрешением.

В работе [4] показано, что сечения поглощения озона Bass [9], Daumont [6; 16] и Molina [13] отличаются более, чем на 4 % в спектральном диапазоне 300–370 нм. Это приводит к различию в спектральных потоках солнечного излучения у поверхности Земли, вычисленных на основе данных Molina [13] и Bass [9], на 8 % и более при разрешении 1 нм. Различие же между потоками для данных Daumont [6; 16] и Bass [9] не превысило 2 %.

В работе [3] проведено сопоставление лидарных измерений вертикальных профилей концентрации озона, восстановленных с применением температурной зависимости сечений поглощения озона Daumont [6; 16], с данными спутника Европейского космического агентства (MetOp). Восстановленные профили достаточно хорошо совпадают с данными измерений спутника на протяжении всего высотного диапазона измерений.

В нашей работе для расчета атмосферного поглощения в УФ-диапазоне были использованы данные по сечениям поглощения озона Bass [9], Daumont [6; 16], Molina [13], Serdyuchenko [17; 18] и диоксида азота Bogumil [11], Burrows [8], JPL [19]. Их некоторые характеристики приведены в таблице 1 (спектральное разрешение, температура). Данные по сечениям поглощения NO2, рекомендованные организацией JPL [19], – это усредненные по соответствующим интервалам данные из работы Vandaele [12] при температурах 220 и 294 К.

Таблица 1

Основные характеристики данных по сечениям поглощения O3 и NO2

Спектральный интервал, нм	Спектральное разрешение, нм	Температура, К	Ссылка
O 3
185–850	0,07	226, 263, 298	Molina and Molina [13]
195–850	0,01	228, 243, 273, 295	Daumont et al. [6; 16]
245–850	0,025	200, 220, 240, 260, 280, 300	Bass and Paur [9]
213–1 100	0,02–0,06 (УФ), 0,12–0,24 (ИК)	193, 203, 213, 223, 233, 243, 253, 263, 273, 283, 293	Serdyuchenko et al. [17; 18]
NO 2
241–760	0,21–0,22	203, 223, 243, 273, 293	Bogumil K. et al. [11]
230–794	0,2–0,4	221, 241, 273, 293	Burrows J.P. et al. [8]
240–662,5	–	220, 294	JPL [12; 19]

На рисунках 1 и 2 приведена температурная зависимость сечений поглощения O3 и NO2 на длине волны 324 нм. Как видно из рисунка 1, все измеренные сечения поглощения О3 имеют идентичную температурную зависимость. Однако разброс между данными разных авторов достигает 10 %. Следует отметить, что наиболее близки между собой данные Serdyuchenko et al. [17; 18] и Bass [9]. На рисунке 2 приведено сопоставление сечений поглощения NO2, измеренных тремя авторами. Различие в данных по сечениям поглощения NO2 при низких температурах не превышает 1,4 %, тогда как расхождение между данными Burrows [8] и JPL [19] при комнатной температуре составляет 12 %.

Рис. 1. Температурная зависимость сечений поглощения O3 на длине волны 324 нм

3.00E-019

A

О О

• ■ Bogumil

О Burrows

А JPL

1.50E-019-I-------1111111111—

200     220     240     260     280     300

Температура, К

Рис. 2. Температурная зависимость сечений поглощения NO2 на длине волны 324 нм

Спектры пропускания атмосферы с высоким спектральным разрешением

Чтобы оценить качество спектроскопической информации в УФ-диапазоне, было рассчитано для типичных метеорологических условий г. Томска и г. Волгограда атмосферное пропускание при использовании сечений поглощения O3 и NO2 разных авторов. Для расчета прозрачности атмосферы использовались вертикальные профили температуры, давления воздуха, озона и влажности для летних условий, реализуемых в Томске согласно метеомодели [2; 10]. Для Волгограда использовались вертикальные профили температуры, давления, концентрации озона согласно данным реанализа [14], усредненные за июль 2015 года. Общее содержание озона в столбе атмосферы составляло 334 еД (единица Добсона) для Томска и 320 еД для Волгограда согласно спутниковым измерениям [7].

На рисунке 3 приведено пропускание атмосферы для зенитного угла Солнца 60о в УФ области спектра, вычисленное на основе данных по сечениям поглощения O3 [9] и NO2 [11] для типичных метеорологических летних условий г. Томска. На рисунках 4 и 5 представлено различие в атмосферном пропускании для зенитного угла Солнца 60о, вычисленном с различными данными по сечениям поглощения O3 [6; 9; 13; 16–18] для г. Томска и г. Волгограда. Различие в пропускании озона, вычисленном с данными Serdyuchenko и Bass, достигает 18,4 % для метеорологических условий Волгограда и 22,3 % для Томска, в спектральном интервале вблизи 305 нм, который часто используется для восстановления общего содержания озона в атмосфере.

Рис. 3. Пропускание атмосферы для зенитного угла Солнца 60° в УФ области спектра, вычисленное на основе данных по сечениям поглощения O3 [9] и NO2 [11] для метеомодели лета г. Томска

Bass-Serdyuchenko Bass-Molina Bass-Daumont

0.06

0.04

0.02

0.00

-0.02

-0.04

-0.06

-0.08

300             310             320

330            340

Длина волны, нм

Рис. 4. Абсолютное и относительное различие в атмосферном пропускании, вычисленном с различными данными по сечениям поглощения O3, для зенитного угла Солнца 60°. Метеомодель – лето г. Волгограда

0.06

0.04

0.02

0.00

-0.02

-0.04

Bass-Serdyuchenko Bass-Molina Bass-Daumont

-0.06

-0.08 Н------------------1------------------1------------------1------------------1------------------1------------------1------------------1------------------1

300             310             320             330             340

Длина волны, нм

Рис. 5. Абсолютное и относительное различие в атмосферном пропускании, вычисленном с различными данными по сечениям поглощения O3, для зенитного угла Солнца 60°. Метеомодель – лето г. Томска

На рисунке 6 приведено различие в атмосферном пропускании, вычисленном с различными сечениями поглощения NO2 [8; 11; 19], для наклонной трассы с зенитным углом Солнца 60о. Также в расчетах использовались сечения поглощения O3 Serdyuchenko [17; 18] и SO2 из [11]. Профиль концентрации NO2 и SO2 задавался согласно метеомодели AFGL [15], содержание O3 согласно метеоусловий лета г. Томска [7]. Различие в пропускании, вычисленном с различными данными NO2, не превышает 0,9 %. Различие в данных по сечениям поглощения NO2 оказывает меньшее влияние на расчеты пропускания, чем различия в сечениях поглощения озона, так как в атмосфере содержится значительно меньше NO2 по сравнению с О3. Применение различных данных по сечениям поглощения NO2 не будет заметно влиять на результаты восстановления озона из измерений излучения в УФ-диапазоне.

0.002

0.000

-0.002

-0.004

-0.006

-0.008

260     280     300     320     340     360     380     400

Длина волны, нм

0.2

0.0

-0.2

-0.6

-0.8

260     280     300     320     340     360     380     400

Длина волны, нм

Рис. 6. Абсолютное и относительное различие в атмосферном пропускании, вычисленном с различными сечениями поглощения NO2, для наклонной трассы с зенитным углом Солнца 60°

Моделирование потоков солнечного излучения

Приведенные выше результаты демонстрируют, что использование приборов высокого спектрального разрешения для определения общего содержания озона (ОСО) в вертикальном столбе атмосферы приводит к значительным погрешностям в ОСО при решении обратной задачи из-за неопределенности в исходной спектроскопической информации. Однако при более грубом спектральном разрешении ситуация меняется, и как будет показано ниже, различие в сечениях поглощения, измеренных разными авторами, не будет так радикально сказываться на результатах моделирования.

Был проведен расчет прямых потоков УФ-излучения, измеряемых солнечным фотометром SPM, для типичных условий Волгограда и Томска. Спектральные фильтры фотометра SPM, установленного в Волгограде, показаны на рисунке 7. Фотометры, работающие в г. Томске, имеют близкие спектральные характеристики, поэтому мы для моделирования использовали одни и те же аппаратные функции.

Уравнение переноса солнечного излучения в атмосфере решалось с помощью метода дискретных ординат DISORT [19]. Входными данными для вычисления потоков излучения являются высотные профили оптической толщи газового поглощения и аэрозоля, альбедо однократного рассеяния аэрозоля, коэффициентов молекулярного (релеевского) рассеяния и поглощения, индикатрисы рассеяния аэрозоля, альбедо подстилающей поверхности.

—I1-------------1------------'------------1------------'------------111------------'------------1------------'------------1

29000    30000    31000    32000    33000    34000    35000

частота см ^-1

4.0

3.5

3.0

5 ё

£

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

-0.5-I------------1------------1-------------1------------.-------------1------------1------------1-------------1------------1-------------1------------)

30000     31000     32000      33000      34000     35000

-1 частота,см

Рис. 7. Аппаратные функции фотометра для каналов 305 и 324 нм

Индикатриса рассеяния аэрозоля рассчитывалась по формуле Хенни-Гринстейна со средним косинусом рассеяния, равным 0,7. Зенитный угол Солнца был 30о. В расчетах использовались вертикальные профили давления, температуры и концентрации газов для летних условий в Томске и Волгограде согласно данным [2; 7; 10; 14], дополненные на больших высотах модельными профилями AFGL [15].

Были сделаны расчеты потоков с использованием сечений поглощения озона Serdyuchenko [17; 18], Bass [9], Daumont [6; 16] и Molina [13] для метеомоделей лета г. Томска и г. Волгограда. Для аппроксимации температурной зависимости сечений поглощения использовался квадратичный полином. Общее содержание озона в столбе атмосферы было 334 DU для Томска и 320 DU для Волгограда согласно спутниковым измерениям [7]. В расчетах учитывалось также поглощение NO2 на основе данных Bogumil [11]. Так как разница в пропускании, вычисленном с учетом поглощения SO2 и без учета, незначительна в спектральном диапазоне 300–340 нм, поглощение диоксидом серы не учитывалось при моделировании потоков солнечного излучения.

Результаты сравнения потоков, вычисленные с различными данными по сечениям поглощения О3 и NO2, для фотометров с центрами фильтров на длине волны 305 и 324 нм представлены в таблицах 2 и 3. В таблице 3 приведено различие в потоках, рассчитанных с сечениями поглоще- ния озона Molina, Daumont, Serdyuchenko, относительно потоков, вычисленных с данными Bass. Сечения поглощения Bass были выбраны в качестве основы для сравнения, так как они содержатся в известной базе параметров линий поглощения HITRAN и часто используются в атмосферных расчетах. Использование новых данных по сечениям поглощения озона Serdyuchenko вместо данных Bass приводит к изменению в суммарном нисходящем потоке у поверхности Земли для метеоусловий г. Томска и г. Волгограда около 1 %, применение данных Molina дает различие в суммарном нисходящем потоке относительно данных Bass до 1,8 %, что может привести к погрешности определения озона до 4 %.

Потоки солнечного излучения у поверхности Земли, вычисленные с различными данными по сечениям поглощения озона, мВт/м ²

Таблица 2

Прямой нисходящий поток				Рассеянный нисходящий поток				Суммарный нисходящий поток
Bass	Molina	Dau-mont	Serdyu-chenko	Bass	Molina	Dau-mont	Serdyu-chenko	Bass	Molina	Dau-mont	Serdyu-chenko
Томск, фотометр с фильтром 305 нм
1258,9 1	1238,1 1	1264,7	1245,8	3693,6	3627,2	3712,6	3651,0 1	4952	4865,3	4977,3	4896,8
Волгоград, фотометр с фильтром 305 нм
1291,5	1269,21 1297,6 1		1278,6	3798,0	3726,9	3817,8	3755,9	5089,0	4996,1	5115,4	5034,5
Томск, фотометр с фильтром 324 нм
4636	4626	4626	4637	12245	12214	12214	12247	16881	16840	16840	16884
Волгоград, фотометр с фильтром 324 нм
4637 1	4628 1	4648	4638	12264	12234	12298	12267	16901	16862	16946	16905

Таблица 3

Относительное различие в потоках у поверхности Земли, вычисленных с сечениями поглощения озона Molina, Daumont, Serdyuchenko, относительно потоков, вычисленных с данными Bass, и различие в потоках, вычисленных с сечениями поглощения диоксида азота Bogumil и JPL, относительно потоков, вычисленных с данными Burrows, %

Прямой нисходящий поток			п Рассеянный нисходящий поток г					Суммарный нисходящий поток
					O 3
Molina	Daumont	Serdyu-chenko		Molina	Daumont	Serdyu-chenko		Molina	Daumont		Serdyu-chenko
Томск, фотометр с фильтром 305 нм
1,65 1	-0,46 1	1,04		1,80	-0,51 1	1,15		1,76    1	-0,5		1,12
		Волгоград, фотометр с фильтром 305						нм
1,72 1	-0,47 1	0,99		1 1,87	-0,52	1,11		1,8     1	-0,51		1,08
Томск, фотометр с фильтром 324 нм
0,21 1	0,21    1	-0,03		1 0,25	0,25	-0,02		0,24    1	0,24		-0,018
		Волгоград, фотометр с фильтром 324						нм
0,20 1	-0,24 1	-0,03		1 0,24 1	-0,28 1	-0,03    1		0,23    1	-0,27		-0,024
					NO 2
Bogumil		JPL		Bogumil		JPL		Bogumil		1	JPL
Томск, фотометр с фильтром 305 нм
0,0017		0,0088		0,0020		0,0095		0,0019		0,0094
		Волгоград, фотометр с фильтром 305						нм
0,0017		0,0088		0,0020		0,0096		0,0019		0,0094
Томск, фотометр с фильтром 324 нм
0,0013		0,0011		0,0015		0,0016		0,0015		0,0015
		Волгоград, фотометр с фильтром 324						нм
0,0013		0,0011		0,0015		0,0017		0,0015		0,0016

В таблице 3 приводятся относительные различия в потоках, вычисленных с данными по сечениям поглощения NO2 Bogumil [11], Burrows [8], JPL [19], относительно потоков, вычисленных с данными Burrows [8]. Различие в суммарном нисходящем потоке, рассчитанном с различными данными по сечениям поглощения NO2, не превышает 0,01 %, что значительно мень- ше погрешности измерений и моделирования. Поэтому различия в рассмотренных данных по сечениям поглощения NO2 не окажут существенного влияния на результаты определения общего содержания озона в атмосфере из измерений солнечного излучения фотометрами в диапазоне 280–340 нм.

Заключение

Результаты моделирования показали, что в спектральном интервале вблизи 305 нм при высоком спектральном разрешении 0,02–0,06 нм различие в пропускании озона, вычисленном с сечениями поглощения, используемыми в настоящее время при обработке данных оптических измерений, достигает 18,4 % для метеорологических условий Волгограда и 22,3 % – для Томска. Такой большой разброс может привести к большим неопределенностям при измерениях общего содержания озона в этих спектральных диапазонах.

Однако при использовании спектрометров среднего спектрального разрешения ~10 нм, к которым относятся фотометры SPM, разработанные в ИОА СО РАН, ситуация радикально улучшается. Использование сечений поглощения озона Serdyuchenko вместо сечений Bass, содержащихся в приложении к широко распространенной базе данных HITRAN, приводит к изменению как в прямом, так и в суммарном нисходящем потоке у поверхности Земли около 1 %. Применение данных Molina дает различие в суммарном нисходящем потоке относительно данных Bass до 1,8 %, что может привести к погрешности определения озона до 4 %.

Использование различных данных по сечениям поглощения NO2 в диапазоне 250–400 нм не оказывает значительного влияния на расчеты пропускания. Различие в пропускании составляет не более чем 0,9 %.