Работа посвящена принципу построения моделей оптических параметров вулканических облаков для применения в задачах дистанционного зондирования Земли из космоса. Построение моделей осуществлялось для широкого спектра различных вариаций магматических пород и их сочетаний с каплями воды, кристаллами льда и каплями водного раствора серной кислоты. В ходе работы рассмотрены следующие вопросы: принцип взаимодействия электромагнитного излучения с аэрозольными компонентами вулканического облака; смешивание аэрозольных компонентов вулканического облака между собой; использование оптических параметров для моделирования интенсивности излучения на верхней границе атмосферы. Установлено, что выбор модели напрямую влияет на результат получения массовых и микрофизических характеристик вулканического пепла.
Предпросмотр статьи
Идентификаторы и классификаторы
Вулканы являются одним из главных источников выброса в атмосферу аэрозольных частиц и малых газовых составляющих, которые существенно влияют на окружающую среду и климат нашей планеты. Стоит вспомнить такие знаковые события, как извержения вулканов Эль-Чичон в Мексике в 1982 г. и Пинатубо на Филиппинах в 1991 г. Согласно исследованиям, опубликованным в журнале Global Change Biology, извержение вулкана Эль-Чичон привело к резким изменениям окружающей среды, связанным с увеличением речных стоков, силы ветра и даже вымиранием некоторых видов животных. При извержении вулкана Пинатубо среднемировая температура понизилась на 0,5°С в первые два года. Выброшенные в высокие слои атмосферы после извержения Пинатубо вулканический пепел и диоксид серы (SO2) находились там в течение года и изменили интенсивность падающего на Землю солнечного излучения. Помимо влияния на климат и окружающую среду, облака вулканического пепла, распространяясь на тысячи километров от источника извержения, могут пересекать авиационные трассы, что угрожает безопасности полетов. Описаны опасные и трагические случаи прохождения воздушных судов через облака вулканического пепла, а также связанные с ними финансовые убытки.
Список литературы
1. Reid P.C., Hari R.E. Global impacts of the 1980s regime shift // Global Change Biol. 2016. V. 22. P. 682-703. EDN: WPSZYZ
2. Mccormick M.P., Thomason L.W., Trepte C.R. Atmospheric effects of the Mt Pinatubo eruption // Nature. 1995. V. 373(6513). P. 399-404.
3. Casadevall T.J. A History of Ash Avoidance. 2015. 77 p. [Electronic resource]. URL: https://www.wmo.int/ aemp / sites / default / files / P-02_10.00_Casadevall.pdf (last access: 25.09.2019).
4. Miller T.P., Casadevall T.J. Volcanic ash: Hazards to aviation // Encyclopedia of Volcanoes. 2000. V. 1. P. 915-930.
5. Clarisse L., Prata F. Chapter 11. Infrared sounding of volcanic Ash // Volcanic Ash. Elsevier, 2016. P. 189-215. DOI: 10.1016/B978-0-08-100405-0.00017-3
6. Dubuisson P., Herbin H., Minvielle F., Compiegne M., Thieuleux F., Parol F., Pelon J. Remote sensing of volcanic ash plumes from thermal infrared: A case study analysis from SEVIRI, MODIS and IASI instruments // Atmos. Meas. Tech. 2014. V. 7. P. 359-371.
7. Prata F. Detecting and Retrieving Volcanic Ash from SEVIRI Measurements. Algorithm Theoretical Basis Document. 2013. 68 p. [Electronic resource]. URL: http://vast.nilu.no/media/cms_page_media/5/VAST_ATBD_SEVIRI_Ash_v1.0_NILU_1.pdf (last access: 25.09.2019).
8. Prata A.J., Grant I.F. Retrieval of microphysical and morphological properties of volcanic ash plumes from satellite data: Application to Mt. Ruapehu, New Zealand // Q. J. Roy. Meteorol. Soc. 2001. V. 127. P. 2153-2179.
9. Watson I.M., Realmuto V.J., Rose W.I., Prata A.J., Bluth G.J.S., Gu Y., Bader C.E., Yu T. Thermal infrared remote sensing of volcanic emissions using the moderate resolution imaging spectroradiometer // J. Volcanol. Geotherm. Res. 2004. V. 135. P 75-89.
10. Wen S., Rose W.I. Retrieval of sizes and total mass of particles in volcanic clouds using AVHRR bands 4 and 5 // J. Geophys. Res.: Atmos. 1994. V. 99. P. 5421-5431.
11. Corradini S., Spinetti C., Carboni E., Tirelli C., Buongiorno M.F., Pugnaghi S., Gangale G. Mt. Etna tropospheric ash retrieval and sensitivity analysis using Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer measurements // J. Appl. Remote Sens. 2008. V. 2(1). 20 p.
12. Pavolonis M., Heidinger A.K., Sieglaff J. Automated retrievals of volcanic ash and dust cloud properties from upwelling infrared measurements // J. Geophys. Res.: Atmos. 2013. V. 118, N 3. P. 1436-1458.
13. Western L.M., Watson M.I., Francis P.N. Uncertainty in two-channel infrared remote sensing retrievals of a well-characterised volcanic ash cloud // Bull. Volcanol. 2015. V. 77(8). 12 p.
14. Гирина О.А., Лупян Е.А., Сорокин А.А., Мельников Д.В., Романова И.М., Кашницкий А.В., Уваров И.А., Мальковский С.И., Королев С.П., Маневич А.Г., Крамарева Л.С. Комплексный мониторинг эксплозивных извержений вулканов Камчатки // ИВиС ДВО РАН. 2018. 192 с. EDN: YYVFDN
15. Kylling A., Kristiansen N., Stohl A., Buras-Schnell R., Emde C., Gasteiger J. Impact of meteorological clouds on satellite detection and retrieval of volcanic ash during the Eyjafjallajökull 2010 and Grimsvötn 2011 eruptions: A modelling study // Atmos. Meas. Tech. Discuss. 2014. V. 7. P. 11303-11343.
16. Ohtake T. Freezing points of H2SO4 aqueous solutions and formation of stratospheric ice clouds // Tellus B. V. 45, N 2. P. 138-144.
17. Pollack J.B., Toon O.B., Khare B.N. Optical properties of some terrestrial rocks and glasses // Icarus. 1973. V. 19(3). P. 372-389.
18. Remsberg E.E., Lavery D., Crawford B. Optical constants for sulfuric and nitric acids // J. Chem. Eng. Data. 1974. V. 19. P. 263-255.
19. Hale G.M., Querry M.R. Optical constants of water in the 200-nm to 200-µm wavelength region // Appl. Opt. 1973. N 12. P. 555-563.
20. Warren S.G. Optical constants of ice from the ultraviolet to the microwave // Appl. Opt. 1984. V. 23. P. 1206-1225.
21. Oppenheimer C., Scaillet B., Robert S.M. Sulfur degassing from volcanoes: Source conditions, surveillance, plume chemistry and Earth system impacts // Rev. Mineral. Geochem. 2011. V. 73, N 1. P. 363-421. EDN: PMAROV
22. Sellitto P., Legras B. Sensitivity of thermal infrared nadir instruments to the chemical and microphysical properties of UTLS secondary sulfate aerosols // Atmos. Meas. Tech. 2016. V. 9. P. 115-132. EDN: WTWFJH
23. Prata A.J. Observations of volcanic ash clouds in the 10-12-micron window using AVHRR/2 Data // Int. J. Remote Sens. 1989. V. 10, N 4-5. P. 751-761.
24. Wiscombe W. Improved Mie scattering algorithms // Appl. Opt. 1980. V. 19. P. 1505-1509.
25. Mayer B., Kylling A., Emde C., Buras R., Hamann U., Gasteiger J., Richter B. LibRadtran User’s Guide. 2017. 155 p. [Electronic resource]. URL: http://www.libradtran.org/doc/ libRadtran.pdf (last access: 25.09.2019).
26. Roberts T.J., Vignelles D., Liuzzo M., Giudice G., Aiuppa A. The primary volcanic aerosol emission from Mt. Etna: Size-resolved particles with SO2 and role in plume reactive halogen chemistry // Geochim. Cosmochim. Acta. 2017. V. 222. P. 74-93.
27. Филей А.А. Автоматическое обнаружение вулканического пепла по спутниковым данным // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2019. Т. 16, № 4. С. 63-73. EDN: PVZPVI
28. Дейрменджан Д. Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами. М.: Мир, 1971. 303 с.
29. Шифрин К.C. Рассеяние света в мутной среде. М.-Л.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1951. 288 с.
30. Van de Hulst H.C. Light Scattering by Small Particles. Dover Publication, 1981. 453 p.
31. Klingmuller K., Steil B., Bruhl C., Tost H., Lelieveld J. Sensitivity of aerosol radiative effects to different mixing assumptions in the AEROPT 1.0 submodel of the EMAC atmospheric-chemistry-climate model // Geosci. Model Dev. 2014. V. 7. P. 2503-2516.
32. Emde C., Buras R., Mayer B., Blumthaler M. The impact of aerosols on polarized sky radiance: Model development, validation, and applications // Atmos. Chem. Phys. 2010. V. 10. P. 383-396. EDN: PLJHYN
33. Yu T., Rose W.I., Prata A.J. Atmospheric correction for satellite-based volcanic ash mapping and retrievals using split window IR data from GOES and AVHRR // J. Geophys. Res. 2002. V. 107, N D16. 16 p.
34. Liu X., Penner J.E. Effect of Mount Pinatubo H2SO4/H2O aerosol on ice nucleation in the upper troposphere using a global chemistry and transport mode // J. Geophys. Res. 2002. V. 107, N D12. 16 p.
35. Ensor D.S., Pilat M.J. Calculation of smoke plume opacity from particulate air pollutant properties // J. Air Pollut. Control Assoc. 1971. V. 21, N 8. P. 496-501.
36. Rybin A., Chibisova M., Webley P., Steensen T., Izbekov P., Neal C., Realmuto V. Satellite and ground observations of the June 2009 eruption of Sarychev Peak volcano, Matua Island, Central Kuriles // Bull. Volcanol. 2011. V. 73. P. 1377-1392. EDN: SQGFPJ
37. Prata A.J. Infrared Radiative transfer calculations for volcanic ash clouds // Geophys. Res. Lett. 1989. V. 16, N 11. P. 1293-1296.
38. Newman S.M., Clarisse L., Hurtmans D., Marenco F., Johnson B., Turnbull K., Havemann S., Baran A. J., O’Sullivan D., Haywood J. A case study of observations of volcanic ash from the Eyjafjallajökull eruption: 2. Airborne and satellite radiative measurements // J. Geophys. Res.: Atmos. 2012. V. 117, iss. D20. 19 p.
39. Pierangelo C., Chedin A., Heilliette S., Jacquinet-Husson N., Armante R. Dust altitude and infrared optical depth from AIRS // Atmos. Chem. Phys. 2004. V. 4. P. 1813-1822. EDN: LVJPIZ
40. Kylling A., Kahnert M., Lindqvist H., Nousiainen T. Volcanic ash infrared signature: Porous non-spherical ash particle shapes compared to homogeneous spherical ash particles // Atmos. Meas. Tech. 2014. V. 7. P. 919-929. EDN: YEKCVD
Выпуск
Другие статьи выпуска
Изучены характеристики грозового кучево-дождевого облака, из которого возник водяной смерч над Ладожским озером. Для исследования использованы результаты измерений метеорологического радиолокатора C-диапазона, грозопеленгационной системы и результаты высотного радиозондирования атмосферы. Анализ индексов конвективной неустойчивости показал малую и умеренную вероятность развития мощных конвективных процессов. Впервые применены алгоритмы классификации гидрометеоров и определения восходящих потоков по данным поляризационных характеристик, полученных радиолокатором ДМРЛ-С. С их помощью обнаружено появление крупных ледяных частиц в начале грозовой активности в облаке и зафиксирован протяженный восходящий воздушный поток, связанный со смерчем. Анализ зависимостей частоты молний от различных радиолокационных характеристик показал, что наиболее тесная корреляционная связь наблюдается с количеством крупных ледяных частиц, характеризуемым объемом переохлажденной части облака (выше изотермы 0 °C) с отражаемостью более 50 дБZ.
Разработана низкотемпературная вакуумная кювета длиной 17,5 см со сменными окнами из кварца, ZnSe и KBr для работы с Фурье-спектрометром высокого разрешения Bruker IFS 125M, обеспечивающая пороговую чувствительность к поглощению порядка 10-6 см-1. Кювета позволяет регистрировать спектры поглощения газов в области 1000-20000 см-1 в диапазоне температур от 108 до 298 К с погрешностью контроля температуры ± 0,1 К. В ходе испытаний кюветы Фурье-спектрометром IFS 125M зарегистрированы спектры поглощения 12CH4 в интервале от 9000 до 9200 см-1 со спектральным разрешением 0,03 см-1 при давлении 300 мбар и температурах 298 и 108 К. Эмпирические значения уровней энергии нижнего состояния переходов получены из отношений интенсивностей линий, измеренных при разных температурах.
Для региона Сибири (50-70° с. ш.; 60-110° в. д.) по данным приземных синоптических карт изучена многолетняя (1976-2018 гг.) изменчивость таких характеристик циклонов и антициклонов, как число, среднее многолетнее давление в центрах барических образований, средняя многолетняя продолжительность и траектории их движения. Установлено, что во вторую половину продолжительного периода увеличивается численность циклонов и антициклонов, наблюдается падение давления в центрах циклонов и его рост в центрах антициклонов. Можно сделать вывод, что в это время циклоны становятся более глубокими, а антициклоны - более интенсивными, в то время как их продолжительность воздействия; В течение года антициклональная погода наблюдалась над территорией Сибири чаще, чем циклоническая.
Проанализирована сезонная и долговременная изменчивость параметров энергетического баланса климатической системы Земли: альбедо и солнечной облученности. Показано, что параметрический резонанс климатической системы Земли с долгопериодными приливными колебаниями, а также деформации фотосферы Солнца под влиянием планет-гигантов и малые флуктуации солнечной постоянной могут привести к долговременным изменениям глобальной температуры, наблюдаемым с середины XIX в. Исследованы и физически обоснованы периоды медленных колебаний, приводящие к таким изменениям. Показано, что колебательная модель долговременных изменений глобальной температуры существенно эффективней трендовой, а также что случайные колебания, более чем на порядок уступающие наблюдаемым в эксперименте, с большой вероятностью могут сформировать кажущийся (диффузионный) тренд глобальной температуры, не уступающий предполагаемому в рамках антропогенной версии так называемого глобального потепления.
По данным многолетних наблюдений на сети станций «МосЭкоМониторинг» рассчитаны эмиссии CO, NO, NO2, SO2, PM10 от городских источников, их пространственное распределение и временная изменчивость. Полученная эмиссионная матрица использована в химико-транспортной модели SILAM для оценки качества воздуха в Московском мегаполисе. По результатам сравнения расчетов с данными наблюдений, проведенных с применением корреляционных соотношений и критерия Стьюдента, выполнена коррекция эмиссионной матрицы. Для оптимизации пространственного распределения источников и величины эмиссий в Московском мегаполисе проведены вычисления полей примесей для летнего и зимнего месяцев по химико-транспортным моделям SILAM и COSMO-ART с использованием как рассчитанных, так и взятых из базы данных инвентаризации TNO эмиссий. Сопоставление результатов этих расчетов позволило снизить неопределенности оценки качества воздуха в Московском регионе.
На основе данных измерений биооптических свойств вод оз. Иссык-Кульский комплекс пассивного дистанционного зондирования для экологических Диптихов морских акваторий (ЭММА) с борта судна, а также измерения на пробах воды созданы и апробированы методики определения состава олиготрофных вод. Это третья часть метода дистанционного измерения концентраций основных морских и озерных вод с использованием аспекта легкой морской воды, разработанного нами ранее для мезотрофных и эвтрофных вод. С помощью этой методики были получены результаты концентрации пигментов фитопланктона, окрашенного органического вещества, взвеси и распределения их в акватории озера в течение трехдневного эксперимента в июле 2018 г.
Реконструкция волнового фронта оптического излучения, искаженного турбулентностью, выполняется на основе метода Гартмана аппроксимацией волновой функции полиномами Цернике по оценкам локальных наклонов и анализируется для высокоинтенсивных турбулентных искажений. С опорой на результаты статистического анализа информации о фазовых искажениях излучения по гартманограмме, сформированной в плоскости приемного устройства, представлен способ, позволяющий уменьшить остаточную ошибку реконструкции, обусловленную наличием высокоинтенсивных фазовых флуктуаций в распределении волнового фронта.
Сформулированы условия принадлежности функций к классу структурных для стационарных случайных процессов. В пространственной области это соответствует однородному и изотропному скалярному полю. Показано, что степенная функция является структурной лишь при показателе степени не больше единицы. Также показаны связь спектральных плотностей стационарных и случайных процессов со стационарными приращениями и осциллирующий характер поведения спектральной плотности стационарных процессов. Получены аналитические выражения для их описания с анализом точностных характеристик, рекомендованные для широкого практического использования.
Изучается зависимость изотропной поляризуемости α молекулы Н2О от переменной θ, описывающей изгибное колебание большой амплитуды в молекуле. Функция α(θ) выбрана в виде степенного ряда. Коэффициенты ряда подбирались из условия, чтобы матричные элементы <ψn|α(θ)|ψn> в базисе ангармонических волновых функций ψn(θ) совпадали со значениями поляризуемости α(n), найденными при анализе сдвигов линий поглощения молекулы в колебательных полосах n × ν2( n = 1-6) давлением азота, кислорода, воздуха и аргона. Для численного расчета волновых функций ψn (θ) использовалась потенциальная функция с низким барьером к линейной конфигурации молекулы. Проведен численный расчет вращательных вкладов в эффективную поляризуемость молекулы и дано сравнение полученного представления α(θ) с ab initio расчетами.
Представлены результаты измерений концентрации молекул Н2 в нанопорах образца аэрогеля (SiO2) диаметром ~20 нм, выполненных по стандартной газометрической методике. На основе полученных данных о концентрации молекул в объеме нанопор и об интегральной интенсивности индуцированной столкновениями полосы поглощения Н2 0-1 сделаны оценки сечения поглощения в максимуме полосы.
Издательство
- Издательство
- СО РАН
- Регион
- Россия, Новосибирск
- Почтовый адрес
- 630090, Новосибирская обл, г Новосибирск, Советский р-н, пр-кт Академика Лаврентьева, д 17
- Юр. адрес
- 630090, Новосибирская обл, г Новосибирск, Советский р-н, пр-кт Академика Лаврентьева, д 17
- ФИО
- Пармон Валентин Николаевич (ПРЕДСЕДАТЕЛЬ СО РАН)
- E-mail адрес
- sbras@sb-ras.ru
- Контактный телефон
- +7 (495) 9381848