Оптические свойства атмосферного аэрозоля над якутском

для ЛЬ < 0, И с применением однопунктового и триангуляционного и гибридного двухпунктовых методов приведен на рис.5. Из рисунка видно, что при определенных углах пеленгов необходимо пользоваться разными методами для получения максимально достижимой точности местоположения грозового разряда.

Анализ погрешностей трех рассмотренных методов определения координат в зависимости от углов прихода атмосфериков в пункты регистрации приводит к следующему алгоритму, учитывающему точности различных методов и достигающему наименьших ошибок местоопределения грозового разряда.

Если отсчитывать углы от линии I, соединяющей два пункта регистрации, то в пределах от 0 до п, при значениях обоих углов менее 1,4 радиана, нужно пользоваться разностно-временным методом. Причем выбирается наименьший по абсолютной величине из двух углов, под которыми наблюдается грозовой разряд из двух пунктов наблюдения. При значениях обеих углов в пределах 1,4 < р < 2,3 радиана - триангуляционным, а при больших углах, вплоть до п, работает только од-нопунктовый метод.

❖

❖

Работа поддержана грантами РФФИ 08-02-00348-а, 09-05-98540-р_восток_а, ФЦП НОЦ г.к. 02.740.11.0248 и программами президиума РАН 16 и РНП 2555.

Литература

1. Верещагин И.П., Кошелев М.А., Орлов А.В., Темников А.Г. Анализ опыта работы автоматизированных систем определения мест удара молнии // Новое в российской электроэнергетике. - 2004. - № 4. - С.6-15.

2. Козлов В.И., Муллаяров В.А., Каримов Р.Р. Инструментальные наблюдения гроз в Якутии в 2003-2006 годах // Известия вузов. Радиофизика. - 2008. - T.LI. №10. - С. 825-829.

3. Адамович А. Модули GPS . Электроника // Наука. Технология. Бизнес. - 2004. - № 3. - С. 10-12.

4. Wood T. G. and Inan U. S. Localization of individual lightning discharges via directional and temporal triangulation of sferic measurements at two distant sites // Journal of geophysical research. - 2004. - Vol. 109. -D21109, doi: 10.1029/2004JD005204.

5. Ремизов Л.Т. Естественные радиопомехи. - М.: Наука, 1985. - 196 с.

6. Козлов В.И., Муллаяров В.А. Грозовая активность в Якутии. - Якутск: ЯФ Изд-ва СО РАН, 2004. - 104 с.

7. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. - М.: Наука, 1973. -832 с.

*

УДК 551.510

Оптические свойства атмосферного аэрозоля над Якутском

С.В. Николашкин, Г.А. Тимофеева, С.В. Титов

Исследованы вариации оптической толщины (АОТ) атмосферного аэрозоля по измерениям солнечного фотометра CIMEL CE 318 глобальной сети «AERONET», установленного вблизи Якутска, изучены его климатические особенности и связь с гелиогеофизическимиусловиями. Приведены предварительные результаты по оценке фонового уровня АОТ, месячной, сезонной и межгодовой вариаций для Якутска и сделан сравнительный анализ с другими аналогичными станциями Сибирского региона.

Ключевые слова: атмосферный аэрозоль, климат, оптический метод, солнечный фотометр, солнечноземные связи.

Variations of the Aerosol Optical Thickness (AOT) of the Atmospheric Aerosol with CIMEL CE 318 Sun photometer of the Aerosol Robotic Network (AERONET) installed near Yakutsk, and their climatic characteristics have been investigated. Preliminary results of estimation of background level of the AOT, monthly, seasonal and annual variations for Yakutsk site have been reduced, also a comparable analysis with analogous sites of Siberia was fulfiled.

Key words: аtmospheric aerosol, climate, optical method, solar photometer, solar-earth connection.

Атмосферный аэрозоль представляет собой наиболее распространенный в природных условиях тип дисперсной системы. В общем случае под ат-

НИКОЛАШКИН Семен Викторович - к.ф.-м.н., с.н.с. ИКФИА СО РАН, 39-04-67; nikolashkin@ikfia.ysn.ru; ТИМОФЕЕВА Галина Александровна - аспирант ИКФИА СО РАН, 1inka.85@1ist.ni; ТИТОВ Семен Вячеславович - аспирант ИКФИА СО РАН, stitov@ikfia.ysn.ru.

мосферным аэрозолем понимают такие дисперсные системы, которые состоят из частиц твердого или жидкого вещества, находящихся во взвешенном состоянии в атмосферном воздухе, как дымки, туманы, различные типы облаков (жидкокапельные, кристаллические, смешанные), дымы лесных пожаров и промышленных предприятий, пылевые бури, извержения вулканов и многие другие. Аэрозольные частицы играют существенную

OnTH4ECKKE CBOЙCTBA ATMOCФEPHOГO AЭPOЗOЛЯ HAД Л^ТОШМ

роль в переносе солнечного и теплового излучений, влияя на радиационный режим системы ат-мосфера-земная поверхность и, таким образом, на погоду и климат Земли. В процессах облакообра-зования, возникновения туманов и т.д. аэрозоли выступают как ядра конденсации - зародыши, на которых начинается конденсация насыщенного водяного пара.

Основными климатообразующими параметрами аэрозоля являются его поглощающая способность, размеры и количество частиц. Диапазон размеров аэрозольных частиц очень широкий - от менее чем 10-4 до более чем 10-2 микрон. При этом различные метеорологические явления и процессы связаны с разными интервалами диапазонов размеров аэрозольных частиц. Так, например, частицы с радиусами меньше 0,1 микрона (частицы «Айткена») существенно влияют на электрические характеристики атмосферы, а частицы от 0,1 до 1 микрона - на перенос коротковолнового и инфракрасного излучения, формирование облаков и осадков, химический состав атмосферы [1].

Указанные параметры являются осредненными и для спокойных условий, в реальных ситуациях, в зависимости от метеорологических и геофизических условий, от географического местоположения, картина может быть совсем иной.

Отсутствие на территории Якутии местных мощных загрязняющих атмосферу объектов определяет низкий фоновый уровень содержания атмосферного аэрозоля и позволяет оценить принос воздушными массами аэрозолей и загрязняющих веществ из других регионов посредством крупномасштабной циркуляции атмосферы, а также аэрозолей космического происхождения. Проблеме влияния солнечной активности на состояние атмосферы Земли в настоящее время уделяется значительное внимание как из-за вопросов, связанных с выявлением физических механизмов солнечно-земных связей, так и из-за практического значения для метеорологии и климатологии.

В настоящее время экспериментально установлено существование корпускулярно-атмосферных связей и их влияние на изменение метеорологических параметров. На большом экспериментальном материале был обнаружен эффект запаздывания на 3±1 дня изменений барических полей от геомагнитной активности, обусловленной корпускулярной активностью Солнца. Было изучено, что интенсивные вторжения высокоэнергичных солнечных протонов в значительной степени активизируют процессы ионизации и диссоциации К2.

02, Оз и других компонентов в верхней и средней атмосфере [2].

Воздействие солнечных и галактических космических лучей (ГКЛ) на состав стратосферы изменяется как во времени (различные периоды цик-

лoв coлнeчнoй aктивнocти), так и no вьютте. Ta-ким oбpaзoм, влияние coлнeчнoй актившсти на npo^ccm в aтмocфepe пpoявляeтcя в ocнoвнoм в изменении ее xимичecкoгo шстава c то^едую-щим активным пoдключeниeм N02 к пpoцeccaм пpeoбpaзoвaния coлнeчнoй радиации (oблacть длин вoлн 350-550 нм) в тепго. Былo изучеш вoз-действие TKH на xapaктepиcтики нижней aтмoc-феры, зaключaющeecя в том, что в першд Oop-бyш-пoнижeния TKH наблюдается увеличение ypoвня coлнeчнoй радиации на 10% в першд через два дня nocne начала Фopбyш-пoнижeния TKH [3].

Bыяcнeниe причин пpoиcxoдящиx климaтичec-кж изменений и улучшение пpoгнoзoв нeвoзмoж-ны без peгyляpнoгo ^ежения за удержанием aэpoзoля (AOT) и пapникoвыx гaзoв в мacштaбax планеты и oтдeльныx регштов. Для дocтижeния этой цели пpoвoдятcя регулярные eдинooбpaзныe Сетевые) измерения c иcпoльзoвaниeм галечный фoтoмeтpoв. Ha^onee развитой является между-нapoднaя cera AERONET (NASA) на базе галечник фoтoмeтpoв типа CE-318 для пpoвeдeния наблюдений за cвoйcтвaми aэpoзoля при пoмoщи oдинaкoвыx, cтaндapтизиpoвaнныx пpибopoв. Oc-нoвoпoлaгaющими принципами дaннoй ceти являются eдинooбpaзиe мeтoдoв и cpeдcтв измерений, кaлибpoвкa пpибopoв и первичная oбpaбoткa дaнныx в oднoм месте [4].

Принцип измерений заключается в измерении интeнcивнocти галичей радиации в разньк уча-cткax cпeктpa ^т УФ дo ИK). Coлнeчнaя радиация измеряется пpямo на ддаке Coлнцa и на различные yглax no вертикали и гориюнтали eгo no-лoжeния. Taким oбpaзoм oпpeдeляeтcя pacceяниe cвeтa на различные yглax нeбocвoдa, чтo дает cвe-дения o наличии и шнцентрации pacceивaющиx чacтиц в небе, т.е. aэpoзoляx. Измерения на различные длинax вoлн (340, 380, 440, 500, б70, 870, 940, 1020 нм) дают инфopмaцию o pacпpeдeлeнии чacтиц no размерам, кoнцeнтpaции влаги, гока-зателе пpeлoмлeния, aльбeдo oднoкpaтнoгo pacce-яния и oбщeй толщине aэpoзoля в aтмocфepe. A^ мocфepнaя aэpoзoльнaя oптичecкaя тoлщинa on-ределяется как кoэффициeнт пoглoщeния и pac-ceяния coлнeчнoгo cвeтa no вceй тoлщe aтмocфe-ры на той или ишй длине вoлны om'me^oro отек-тра, кoтopaя oтpaжaeт размер pacceивaющиx ча^ тиц и xapaктepизyeт интегральную кoнцeнтpaцию aэpoзoля.

B Институте кocмoфизичecкиx иccлeдoвaний и aэpoнoмии CO PAH coздaн oптичecкий экотери-ментальный кoмплeкc для иccлeдoвaний cвoйcтв aтмocфepнoгo aэpoзoля, кoтopый включает в ceбя cтpaтocфepный лидар и coлнeчный фoтoмeтp CIMEL CE-318, вxoдящий в мeждyнapoднyю ceть AERONET, pacпoлoжeнный oкoлo c. Oктeмцы на голишне 0An.

ІЗ

В этой статье проанализированы данные солнечного фотометра. Нами были рассмотрены регулярные вариации АОТ, а также вариации концентрации паров воды в атмосфере. Для рассмотрения месячных, сезонных, межгодовых вариаций аэрозоля были взяты данные измерений АОТ для станции Якутск на длинах волн 340,

380, 440, 500, 675, 870, 1020 нм с 2004 по 2008 г. За эти годы солнечный фотометр работал с весеннего сезона (март-апрель) до начала зимы (декабрь). За все периоды наблюдений был определен фоновый средний уровень АОТ с нахождением стандартного отклонения для каждой длины волны и каждого года в отдельности. Далее были найдены средние значения АОТ и построен ход атмосферного аэрозоля по месяцам, сезонам и годам.

На рис. 1 показан сезонный ход атмосферного аэрозоля на длине волны 500 нм за 2004-2008 гг. Для построения сезонного хода данные были усреднены по следующим сезонам: весна - до 19 мая; лето - с 20 мая по 31 августа; осень - с 1 сентября по 10 октября; зима - с 11 октября. Данное разбиение было произведено с учетом основных сезонных явлений в атмосфере, таких как активность биологического аэрозоля, лесные пожары и зимний туман. По оси абсцисс расположены сезоны, по оси ординат - АОТ. Как видно отсюда, сезонный ход АОТ за 2004-2008 гг. почти синхронен с достижением минимума содержания аэрозоля в осенний период. А в 2006 и 2008 гг. наблюдается общее увеличение концентрация аэрозоля

и, в отличие от предыдущих годов, наблюдается рост концентрации во время перехода с лета на осень и, наоборот, резкое ее уменьшение к концу осеннего сезона и в начале зимнего. Из приведенных результатов следует, что наиболее чистой по содержанию аэрозоля является атмосфера в осенне-зимний период, а весенне-летний период отличается максимальными замутнением и изменчивостью АОТ.

Относительно высокое содержание аэрозоля в летний период можно объяснить активностью биологического аэрозоля, лесными пожарами и местной пылью. Весенний максимум АОТ, по-видимому, связан с принесением извне аэрозольных масс аридного и морского происхождения глобальной атмосферной циркуляцией. Возможно такая же картина наблюдалась бы и в зимние месяцы. Похожий результат, также по данным солнечного фотометра сети ЛЕЯОКЕТ, был получен и в Томске [5].

На рис. 2 приведен сезонный ход концентрации паров воды в атмосфере за 2004-2006 гг. Содержание водяного пара определяется по поглощению проходящего солнечного излучения в так называемых полосах поглощения воды, находящихся в ближней инфракрасной области спектра, в данном случае используются соотношения полос 820 и 1020 нм либо 940-1020 нм. Хорошо прослеживается ожидаемая форма сезонного распределения концентрации паров воды с максимумом концентрации в летний сезон, объясняемая большей активностью нижней атмосферы летом и более интенсивным испарением в теплое время.

На рис. 3 и 4 показаны годовые (помесячные) вариации содержания аэрозоля и водяного пара в атмосфере за 2004-2008 гг. Видно, что атмосферный аэрозоль испытывает сильную изменчивость в весенне-летние месяцы, отражая гидрометеорологическую и космофизическую активности. Четко прослеживается летний максимум содержания водяного пара в атмосфере.

Из рис. 5 видно, что АОТ в 2004-2008 гг. почти неизменна, а в 2006 и 2008 гг. резко увеличена кон-

2,5

о -I---------------,---------------,----------------,--------------

Весна Пето Осень Зима

Сезоны

Рис. 2. Сезонный ход содержания водяного пара за 20042006 гг.

Рис.3. Годовой ход аэрозоля за 2004-2008 гг.

Рис. 4. Годовой ход содержания водяного пара за 20042008 гг.

Рис.5. Межгодовой ход АОТ за 2004-2008 гг.

центрация аэрозоля в среднем в 1,5 раза. Также наблюдается уменьшение АОТ с ростом длины волны. В 2008 г. отмечается также увеличенное количество аэрозоля (около 2 раз), рассеивающего на более коротких длинах волн.

Рис. 6. Межгодовой ход содержания водяного пара за 2004-2008 гг. в см3/см2

Увеличение содержания аэрозоля в 2006 и 2008 гг. можно объяснить различными факторами, но наиболее вероятна теория воздействия так называемой квазидвухлетней изменчивости атмосферной циркуляции. На этот вопрос можно точно ответить только после проведения многолетнего ряда наблюдений [6].

Рис. 6 отражает содержание ненасыщенного свободного водяного пара в атмосфере, а межгодовой ход показывает его уменьшение с годами, которое резко повысилось в 2008 г.

Оценка пространственной изменчивости аэрозольных характеристик и влагосодержа-ния атмосферы на территории Сибири была проведена в работе [5]. Показано, что среднемесячные значения влаго содержания атмосферы в различных районах близки, а аэрозольные характеристики имеют заметные различия. Обратим внимание на следующие особенности:

1) минимальное замутнение атмосферы замечено в районе Якутска, величина АОТ здесь меньше, чем в Екатеринбурге и Томске, в 1,5-2 раза; в видимой области спектра тх в Томске чуть ниже, чем в Екатеринбурге, а в ИК-диапазоне - наоборот;

2) для Якутска присуща максимальная селективность спектрального хода АОТ, свидетельствующая об относительно большем содержании в атмосфере мелкодисперсного аэрозоля;

3) для Якутска характерны также большие значения X, т.е. меньшее содержание в аэрозоле поглощающего вещества.

Оценка географической изменчивости объемного распределения частиц по размерам для лета 2004 г. показала, что в Якутске содержание практически всех частиц заметно меньше, чем в районах Томска и Екатеринбурга. Результаты, полученные в Томске и

CMИPHOВ, KOБЯKOВA

Екатеринбурге для мелких частиц (до размеров 45 мкм по радиусу), практически одинаковы, а самых крупных частиц больше в районе Томска. Достоверные различия для этих географических пунктов, вероятнее всего, обусловлены разным временем наступления цветения и выхода пыльцы трав и деревьев. Следует отметить, что в микроструктуре частиц аэрозоля, полученных при обращении оптических данных, наиболее определенно проявляются две фракции - мелкодисперсных и крупнодисперсных частиц. В то же время по кривым распределений можно судить о наличии завуалированной фракции «среднедисперсных» частиц в диапазоне размеров 0,6-1 мкм.

Из приведенных данных следует, что Якутск отличается минимальными величинами не только концентрации частиц, но и других характеристик - модальных и эффективных радиусов, мнимой части показателя преломления.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ-РС(Я) рвостока 09-05-98573 и интеграционного проекта СО РАН № 75.

Литература

1. Тимофеев Ю.М., Васильев А.В. Теоретические основы атмосферной оптики. - СПб.: Наука, 2003. - 474 с.

2. Скрябин Н.Г., Соколов В.Д., Моисеев В.Г. О возможном механизме передачи воздействия высыпающихся частиц в нижнюю атмосферу // Труды III Всесоюзного совещания по исследованию динамических процессов в верхней атмосфере. - М.: Московское отделение Гидрометеоиздата, 1983. - С.17-22.

3. Вовк В.Я., Егорова Л.В., Москвин И.В. Влияние Форбуш-понижений ГКЛ на характеристики атмосферы в Антарктиде // Геомагнетизм и аэрономия. - 2000.

- Т. 40, №6. - С. 117-123.

4. КабановМ.В., Панченко М.В. Рассеяние оптических волн дисперсными средами. Ч. III. Атмосферный аэрозоль. - Томск: Издание Томского филиала СО АН СССР, 1984. - 189 с.

5. Сакерин С.М., Кабанов Д.М., Панченко М.В. и др. Результаты мониторинга атмосферного аэрозоля в азиатской части России по программе АЕКО8ШМЕТ в 2004 г. // Оптика атмосф. и океана. - 2005. - Т. 18, № 11. - С. 968-975.

6. Labitzke, K. Sunspots, the QBO and stratospheric temperature in the north polar region // Geophys. Res. Lett.

- 1987. - V. 14. - P. 535-537.

V V ♦

УДК 550.388.2

Долговременные тренды Е2-слоя субавроральной ионосферы

В.Ф. Смирнов, С.Е. Кобякова

Проведен статистический анализ ионосферных данных вертикального зондирования на ст. Якутск за период 1956-2003гг. с целью выявления многолетних, климатического масштаба, изменений в Р-слое субавроральной ионосферы, их связи с солнечной и геомагнитной активностью. Рассмотрены вариации основных параметров слоя Р2 ионосферы: критической частоты и минимальной высоты слоя. Показано, что в течение четырех циклов солнечной активности (20-23 циклы) обнаруживается тенденция роста средних значений высоты и критических частот слоя Р, положительная корреляция в линейных трендах критической частоты и числах солнечных пятен, а также в линейных трендах минимальной высоты слоя и планетарного индекса геомагнитной активности.

Ключевые слова: долговременные тренды, Б-слой субавроральной ионосферы, критические частоты и минимальные высоты Б-слоя.

The statistical analysis ionospheric data of vertical sounding at the Yakutsk station ((p=62,010N, X=129,430E) for the 1956-2003 period was carried out with the purpose of revealing long-term changes of the climatic scale in subauroral ionosphere F-layers, their connections with solar and geomagnetic activity. Variations of main parameters of ionosphere F-layers - the critical frequency and the minimum altitude of layer are considered. It is shown that during four cycles of solar activity (20-23) it is found out, basically, the tendency of growth of average value of the F-layers altitude and critical frequencies, positive correlation between the linear trends of critical frequency and sunspot number, and also linear trends of the layer minimum altitude and planetary index of geomagnetical activity.

Key words: long-term trends, F-layer of subauroral ionosphere, critical frequencies and minimum altitudes of F-layer.

CMИPHOВ Владимир Фадеевич - к.ф.-м.н., с.н.с. ИKФИA CO PAH, 8 (4112) 39-04-75, v.f.smirnov@ikfia. ysn.ru; KOБЯKOВA Cаргылана Егоровна - м.н.с. ИKфИA CO PAH, 8 (4112) 39-04-57, s.e.kobyakova@ikfia. ysn.ru.