Развитие методики фотометрии серебристых облаков c использованием данных их космического мониторинга

Одной из самых сложных задач в исследовании серебристых облаков является определение параметров их пространственной структуры. Уже в самой её постановке возникает неопределённость. Что понимать под структурой облака: распределение в пространстве структурных элементов облачности основным параметром, характеризующим которые, является плотность аэрозольной компоненты (водность), или распределение яркости облачного поля? Пример сложной ситуации такого рода показан на рисунке 1.

Рисунок 1. Сложная структура поля серебристых облаков, наблюдавшихся в пункте Бесколь в ночь с 20 на 21 июня 2014 года.

Первый из подходов предполагает применение методов, близких к стереографии. В этом направлении исследователю придётся столкнуться с множеством трудностей, связанных с особенностью объекта исследования. Прежде всего, речь идёт о неопределённости в структуризации большинства типов облачности. В самом деле, в облачном поле чрезвычайно трудно выделить требуемое количество опорных точек, без чего применение фотограмметрического подхода невозможно [1].

В том случае, когда исследуется фотометрическая структура облачного поля, появляются свои сложности. Яркость какого-либо элемента облачности определяется целым набором факторов. Здесь и расстояние до наблюдателя, и условие освещения облаков Солнцем, и возможное влияние теней, и изменения концентрации частиц, и учёт их размеров и формы (последние определяют вид индикатриссы рассеяния света), и влияние состояния атмосферы, наконец [2, 3]. Заметим, методика учёта второго и третьего факторов пока что совершенно не разработана. Поэтому требуется развитие совершенно нового подхода в изучении фотометрической а, в дальнейшем и пространственной структуры полей серебристых облаков.

Определённый прогресс в решении второй задачи возможен по нашему мнению на основании сопоставления данных космического мониторинга мезосферных серебристых облаков (MCO) и изображений облачных полей полученных с поверхности Земли. На снимках полей MCO полученных с наземных пунктов наблюдения (рис. 1) кроме различия структурных деталей внимание привлекают различия яркости участков облачности. Предлагается связать их с изменениями величины концентрации аэрозольной компоненты и с условиями освещенности облачности Солнцем.

Для этого можно воспользоваться новейшей методикой оценивания содержания аэрозольной компоненты в облачности, разработанной в ЦАИ СКГУ [4 ПЖ]. Она базируется на изучении вертикальных профилей относительной концентрации водяных паров и температуры, полученных в ходе выполнения спутниковой миссии AIM.Так вертикальные профили относительной

концентрации водяного пара в области высот, характерных для образования MCO имеют явные отличия для случаев наличия или отсутствия облачности [4]. Падение концентрации водяных молекул в верхней части мезосферы в отсутствии слояоблачности на трассе зондирования происходит плавно, а присутствия в этой области ледяных аэрозолей (фактически - наличия серебристых облаков) - напротив, очень резко (рис.2).

83km info Sun 2013-07-21 20:22 27 Lat: 68 6979 Lon: 74.3637

Рис.2. Вертикальные профили относительной концентрации водяных паров в отсутствии MCO (А), и при их наличии (Б)

Резкое падение концентрации молекул воды можно связать только с вымораживанием водяных паров. Исходя из этого оказалось возможным оценить абсолютную плотность содержания аэрозоля в облаках. На рисунке 3 приводится схема, лежащая в основе метода такой оценки. Если в отсутствии явления вымораживания падение концентрации водяных паров должно происходить плавно, то «дефицит» относительной концентрации водяных паров, на высотных профиляхпроходящих сквозь облачное поле (показан заливкой) позволит с достаточной точностью определить водность облачности.

Рис.З. Наблюдаемый реально (сплошная кривая) и ожидаемый в случае
отсутствия MCO (верхняя граница заливки) профили концентрации паров воды в
верхней части мезосферы MCO [4]

Отметим, что информация об относительной концентрации молекул воды кроме графического имеет табличное представление. Поэтому возможен расчёт абсолютного содержания ледяного аэрозоля в тонком по вертикальной протяжённости (1-2 км) слое мезосферы. Для этого определяется величина убывания относительной концентрации водяных паров для высоты облачного слоя (показана сплошной горизонталью). Для нахождения абсолютной плотности аэрозоля достаточно эту величину умножить на плотность воздуха соответствующую высоте образования MCO, которую в свою очередь можно найти на основании данных стандартной модели атмосферы [4].

Определив абсолютную плотность аэрозольной компоненты, можно оценить и концентрацию аэрозольных частиц в облаке, задавшись их средним размером или функцией распределения по радиусу. Следующим этапом нашего исследования должен стать поиск связи абсолютного содержания аэрозольной компоненты с яркостью полей серебристых облаков.

Для этого мы проанализировали материалы наблюдений MCO, полученные в сезон 2014 года с целью найти такие наземные изображения облачности, на которых возможно найти точки соответствующие по координатам профилям, полученным спутником AIM. Рассмотрим случай наблюдения обширного поля мезосферной облачности в ночь с 20 на 21 июня 2014 г. (рис. 1), которое развивалось всю ночь. В тот же период спутником были получен профили относительной концентрации водяного пара и температуры для точки с координатами 62° северной широты и 64° восточной долготы в момент времени около 4 часов (по декретному времени 5 часового пояса). Положение точки снятия профиля и пункта наблюдения на изображении облачного поля приведено на рисунке 4.

Рисунок 4. Положение точки снятия профиля и пункта наблюдения на фоне глобального поля MCO.

Несмотря на то, что точка снятия профиля как будто бы не проектируется на облако, мы уверены в его присутствии. В этом нас убеждают наземные снимки и вид самого профиля относительной концентрации содержания водяного пара. Далее, определив расстояние между пунктом наблюдения и точкой снятия профиля, задаваясь высотой облачного слоя, мы рассчитали угловую высоту и азимут положения интересующей нас точки на изображении поля MCO (рис. 5).

Рисунок 5. Положение точки снятия профиля относительной концентрации водяного пара на наземном снимке поля MCO полученном в тот же момент времени.

На заключительном этапе были определены водность (4.4ХІ0’11 кг/м3) и оценочная концентрация аэрозоля (исходя из среднего размера частиц - 0.1 мкм около 100 частиц на см3) для участка облачного поля. Мы полагаем, что развивая такой подход на как можно большую совокупность изображений MCO, полученных при разных высотах Солнцем можно решить задачу учета влияния концентрации аэрозоля и условий их освещения облаков Солнцем на яркость облачных элементов в отдельности.

 

Литература:

  1. Солодовник А.А., Пимонова Л.В. Изучение пространственной структуры и кинематики полей серебристых облаков. Часть 1. Общий анализ проблемы. // Материалы Международной научно-практической конференции «Достижения и перспективы исследований небесных тел и Земли: фундаментальные, прикладные и научно- методические аспекты», Петропавловск, СКГУ, 2014 с. 82 - 85
  2. Солодовник А.А., Сартин Д.А. К оценке влияния атмосферного аэрозоля на фотометрию серебристых облаков. // Материалы Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы физики небесных тел и плазменного состояния вещества. Эксперемент и математическое моделирование». Петропавловск, СКГУ, 2011, с. 52 - 56
  3. Сартин С.А., Рейбандт А.И. Определение слоистости MCO методом построения векторных полей скоростей отдельных структур. // Материалы Международной научно- практической конференции «Достижения и перспективы исследований небесных тел и Земли: фундаментальные, прикладные и научно-методические аспекты», Петропавловск, СКГУ. 2014. с. 164- 168.
  4. Солодовник А.А., Журавлёв П.Л. Обнаружение ледяных аэрозолей в мезосфере на основе анализа вертикальных профилей относительной концентрации водяного пара. // Сборник материалов XII Международной научно-практической конференции «Новое слова в науке и практике: гипотезы и апробация результатов исследований», Новосибирск, 2014. с. 27 - 32.
Год: 2014
Категория: Педагогика