Динамика приземного аэрозоля по лидарным наблюдениям в Калининграде

УДК 550.338

О. П. Суслова, И. В. Карпов, Ф. С. Бессараб, А. В. Радиевский

ДИНАМИКА ПРИЗЕМНОГО АЭРОЗОЛЯ ПО ЛИДАРНЫМ НАБЛЮДЕНИЯМ В КАЛИНИНГРАДЕ

Представлены результаты наблюдений динамики приземного аэрозоля, выполненные с применением двухволнового (532 и 1064 нм) атмосферного лидара (LSA-2S) с декабря 2011 по январь 2012 г. в утренние часы (8 — 10 ч) — во время прохождения солнечного терминатора. Установлено, что в данный период появляются осцилляции характеристик аэрозоля с периодами 15—20 мин. Предполагается, что они могут быть вызваны возбуждением внутренних гравитационных волн в области солнечного терминатора.

This paper presents the results of observations of the dynamics of ground-level aerosol made using two-wavelength (532, 1064 nm) atmospheric lidar (LSA-2S). The observations were made in December 2011 — January 2012 in the morning (8 — 10 h LT) in order to study the dynamics of aerosol during of the solar terminator period. In the observations revealed that appear aerosol characteristics oscillations with periods of 15 — 20 min during the period of the solar terminator. It is assumed that these oscillations can be caused by the excitation of internal gravity waves in the solar terminator.

Ключевые слова: атмосфера, аэрозоль, лидар, солнечный терминатор, внутренние гравитационные волны.

Key word: atmosphere, aerosol, lidar, solar terminator, internal gravity waves.

В настоящее время в исследованиях атмосферы широко используются активные методы зондирования, в частности лидарное зондирование для изучения характеристик атмосферного аэрозоля в экологических целях. Аэрозольный лидар представляет собой аналог радара, работающего в оптическом диапазоне. Источником излучения в лидаре является лазер. Распространение лазерного луча в атмосфере сопровождается его рассеиванием на флуктуациях плотности (релеевское рассеивание) и мельчайших частицах — аэрозолях, которые во многих случаях являются загрязняющим атмосферу компонентом. По величине и форме рассеянного сигнала, принимаемого лидаром, можно судить о распределении аэрозоля и его характеристиках.

В данной статье представлены результаты наблюдений атмосферного аэрозоля, выполненные с помощью лидара в декабре 2011 — январе 2012 г. Измерения характеристик аэрозоля с целью определить особенности вертикальной структуры и динамики аэрозоля в период прохождения солнечного терминатора проводились в утренние часы.

В наблюдениях применялся атмосферный двухволновой (532 и 1064 нм) лидар ЛСА-2С производства ООО «Обнинская фотоника» (Россия), предназначенный для экологических наблюдений характери-

73

Вестник Балтийского федерального университета им. И. Канта. 2012. Вып. 4. С. 73—77.

стик аэрозоля и позволяющий осуществлять зондирование на расстояниях до 10 — 12 км. Характеристики аэрозоля могут быть определены на различных высотах в атмосфере, в пределах длины трассы зондирования, при изменении угла наклона трассы к поверхности. Методы обработки результатов измерений, позволяющие определить коэффициенты обратного рассеивания в обоих каналах излучения, объемную концентрацию аэрозоля и эффективный радиус рассеивания, изложены в работах [1; 2] и реализованы в виде программного комплекса для обеспечения измерений и их обработки на лидаре ЛСА-2С.

На рисунке 1 отражены результаты измерений коэффициентов обратного рассеивания, выполненные 14.12.2011 г. Измерения проводились приблизительно 1,5 ч (08.25 — 10.00). Местное время восхода солнца — 8 ч 54 мин. На рисунке 1, а показаны изменения интенсивности сигналов обратного рассеивания при излучении волны длиной 532 нм и 1064 нм на высоте около 400 м, на рисунке 1, б — на высоте около 1,6 км.

На низких высотах отмечается достаточно монотонный ход интенсивности рассеянного сигнала с увеличением ее интенсивности на длине волны 532 нм и понижением на длине волны 1064 нм на высоте 400 м (рис. 1, а). На высоте около 1600 м (рис. 1, б) проявляются предвос-ходные колебания интенсивности рассеянного сигнала на обеих длинах волн. Такие же колебания в этот период наблюдений наиболее отчетливо видны на высотах 1000 — 1600 м. На меньших высотах пред-восходные осцилляции менее выражены.

На рисунке 2 показано изменение со временем объемной концентрации аэрозоля на различных высотах. Здесь отчетливо выделяется область значительных изменений объемной концентрации в период прохождения солнечного терминатора. При этом на меньших высотах возмущения возникают до восхода солнца, а на больших высотах — после восхода.

Пространственное изменение объемной концентрации вдоль трассы зондирования характеризуется понижением концентрации аэрозоля в предвосходный период на малых высотах и увеличением ее на больших высотах после восхода. Наблюдения показали, что с восходом солнца атмосферный аэрозоль поднимается вверх. При этом на фиксированных высотах отмечаются осцилляции объемной концентрации с периодами 15 — 20 мин.

На рисунке 3 представлена временная изменчивость эффективного радиуса аэрозоля: в течение всего периода наблюдения отмечаются осцилляции эффективного радиуса аэрозоля на высотах более 1000 м, на меньших высотах изменения радиуса аэрозоля наблюдаются только непосредственно перед восходом и сразу после восхода солнца. Период осцилляций эффективного радиуса аэрозоля на высотах более 1000 м в целом совпадает с периодом осцилляций объемной плотности аэрозоля — 15 — 20 мин. Фазы осцилляций на разных высотах не совпадают, а непосредственно в окрестности терминатора осцилляции на разных высотах противофазны (рис. 3).

а

б

Рис. 1. Уровень обратного рассеивания лидарного сигнала на длине волны 532 (слева) и 1064 нм (справа):

а — высота отражающего слоя 400 м; б — высота слоя 1600 м

76

Местное время, ч

Рис. 2. Изменение со временем объемной концентрации аэрозоля на высоте 100

£

ч:

Местное время, ч

Рис. 3. Изменение во времени эффективного радиуса аэрозоля на высоте 100

Кроме того, после восхода солнца наблюдается тенденция к уменьшению эффективного радиуса аэрозоля с увеличением высоты.

Такое поведение аэрозоля может быть объяснено многими причинами. Однако не вызывает сомнений, что концентрация и радиус аэрозоля определяются главным образом температурой и давлением в атмосфере. Следовательно, изменение характеристик аэрозоля является отражением динамических процессов в атмосфере, а аэрозоль — трассер этих изменений.

Результаты выполненных измерений характеристик приземного аэрозоля показывают, что в период прохождения солнечного терминатора отмечаются важные особенности динамики приземного аэрозоля. В измерениях отчетливо видны осцилляционные изменения характеристик аэрозоля в предвосходной области. Характерные времена осцилляций составляют 15 — 20 мин и могут наблюдаться за 0,5 — 1 ч до восхода солнца. Такие особенности проявляются в периодическом изменении интенсивности рассеянного сигнала на длине волне зондиро-

вания, объемной концентрации аэрозоля, а также в эффективном радиусе аэрозоля. При этом относительно большие значения радиуса аэрозоля уменьшаются в приземном слое по мере приближения терминатора и смещаются вверх по вертикали.

Можно предположить, что в области солнечного терминатора формируются волновые структуры — внутренние гравитационные волны с определенными периодами, распространение которых приводит к изменению характеристик атмосферного аэрозоля. Отметим, что в верхней атмосфере в радиофизических измерениях также установлено, что в области солнечного терминатора формируются волновые структуры типа внутренних гравитационных волн с частотами, близкими к частоте Вяйсяля — Брента [3].

Список литературы

1. Коршунов В. А. Алгоритм автоматизированной обработки данных двухволнового лидарного зондирования на наклонных трассах // Экологическое приборостроение. 2009. № 12. С. 3 — 10.

2. Коршунов В. А. О восстановлении интегральных параметров тропосферного аэрозоля по данным двухволнового лидарного зондирования // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2007. Т. 43, № 5.

3. Карпов И. В., Бессараб Ф. С. Модельное исследование влияния солнечного терминатора на параметры термосферы // Геомагнетизм и аэрономия. 2008. Т. 48, № 2. C. 217—227.

Об авторах

Ольга Павловна Суслова — ассист., Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Калининград.

E-mail: opsuslova@kantiana.ru

Иван Викторович Карпов — д-р физ.-мат. наук, проф., Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Калининград.

E-mail: ivkarpov@inbox.ru

Федор Семенович Бессараб — канд. физ.-мат. наук, доц., Балтийский федеральный университет им. И. Канта, Калининград.

E-mail: pcizmiran@gazinter.net

Александр Викторович Радиевский — канд. физ.-мат. наук, доц., ст. науч. сотр., ЗО ИЗМИ РАН, Калининград.

E-mail: pcizmiran@gazinter.net

About authors

Olga Suslova — assistant professor, I. Kant Baltic Federal University, Kaliningrad.

E-mail: opsuslova@kantiana.ru

Ivan Karpov — Dr, professor, I. Kant Baltic Federal University, Kaliningrad.

E-mail: ivkarpov@inbox.ru

Fedor Bessarab — PhD, associate professor, I. Kant Baltic Federal University, Kaliningrad.

E-mail: pcizmiran@gazinter.net

Aleksander Radievsky — PhD, associate professor, pr. sci. col., W. O. IZMI RAN, Kaliningrad.

E-mail: pcizmiran@gazinter.net

77