Физические основы дистанционных методов зондирования атмосферыБакалаврская программа по специальности "Физика"
Объём: 32 академических часа.
СОДЕРЖАНИЕ СПЕЦКУРСА
1. Введение
Прямые и обратные задачи матфизики. Примеры обратных задач в различных областях науки. Прямые и обратные задачи атмосферной оптики. Различные типы обратных задач атмосферной оптики.
Дистанционные методы измерений атмосферных параметров. Классификация дистанционных методов по различным признакам. Блок-схема дистанционных измерений.
Роль априорной информации при решении обратных задач атмосферной оптики. Радиационные и радиационно-физические обратные задачи атмосферной оптики.
Преимущества и недостатки дистанционных методов измерений. История развития дистанционных методов измерений.
2. Методы прозрачности
Физико-математическая модель дистанционных измерений, основанных на регистрации ослабления солнечного излучения. Различная геометрия измерений. Использования Луны и звезд.
Наземные методы измерений. Определение оптической толщи атмосферы. Методы разделения оптической толщи различной физической природы. Долгий и короткий методы Бугера. Факторы, определяющие точности методов Бугера.
Определение характеристик газового состава атмосферы. Полосы поглощения атмосферных газов в различных областях спектра.
Особенности дистанционных методов измерений характеристик газового состава в УФ, видимой и ИК областях спектра. Анализ точности метода. Учет характеристик аппаратуры при дистанционном зондировании атмосферы.
Определение общего содержания озона - метод Добсона и метод Гущина. Аппаратура для определения общего содержания озона. Анализ точности дистанционных измерений.
Определение характеристик газового состава атмосферы по измерениям прозрачности атмосферы в ИК области. Модель реального эксперимента. Методы анализа данных. Факторы, определяющие точность дистанционного метода.
Возможности наземных измерений вертикальных профилей содержания поглощающих газов.
Определение оптических и микрофизических характеристик атмосферного аэрозоля и облаков.
Спутниковые методы прозрачности. Преимущества и недостатки спутникового метода.
Методы разделения оптической толщи атмосферы на различные компоненты. Алгоритмы интерпретации данных измерений. Анализ факторов, определяющих точность метода. Примеры и результаты спутниковых экспериментов. Определение характеристик аэрозольного и газового состояния атмосферы.
Методы определения вертикальных профилей плотности и температуры атмосферы. Использование излучения звезд - особенности метода.
3. Методы теплового излучения
Формулировка физико-математической модели дистанционных измерений. Используемые упрощения и их обоснование.
Спектр поглощения атмосферы в ИК и микроволновой областях спектра. Анализ преимуществ различных диапазонов спектра.
Определение температуры подстилающих поверхностей. Излучательные способности различных подстилающих поверхностей в окнах прозрачности атмосферы. Факторы, определяющие точность измерений температуры подстилающих поверхностей - погрешности измерений уходящего излучения, влияние атмосферы, вариации излучательных способностей подстилающих поверхностей. Методики определения температуры поверхности суши.
Методы учета влияния атмосферы при определении температуры подстилающих поверхностей. Передаточная функция атмосферы. Двухволновый ( двухугловой ) метод. Комплексное решение задачи.
Определение высоты верхней границы облаков.
Определение вертикального профиля температуры атмосферы. Формулировка обратной задачи. Спектральный и угловой методы температурного зондирования. Преимущества и недостатки различных областей спектра. Основные факторы, определяющие точность температурного зондирования атмосферы. Влияние погрешности измерений, точности задания радиационных характеристик атмосферы, метода интерпретации, вертикального разрешения, спектральных характеристик аппаратуры..
Температурное зондирование в условиях облачной атмосферы.
Микроволновое температурное зондирование. Влияние облаков и осадков. Современные приборы для температурного зондирования атмосферы. Проблема определения точности измерений температуры атмосферы. Касательное температурное зондирование атмосферы - преимущества и недостатки метода.
Температурное зондирование неравновесной атмосферы.
Дистанционный метод определения характеристик газового состава атмосферы. Формулировка задачи для ИК и микроволновой областей спектра. Пространственные особенности поведения весовых функций. Факторы, определяющие точность восстановления вертикальных профилей содержания газовых составляющих атмосферы.
Определение вертикальных профилей содержаний водяного пара и озона.
Современные спутниковые приборы для определения характеристик газового состава атмосферы.
Формулировка задачи определения общего содержания водяного пара и водности облаков в микроволновой области спектра. Определение интенсивности осадков и скорости приводного ветра.
Методы измерений влажности почв и скорости ветра в атмосфере.
4. Дистанционные методы отраженного и рассеянного солнечного излучения
Формулировка физико-математической модели дистанционных измерений. Приближение однократного рассеяния.
Определение высоты верхней границы облаков. Влияние рассеяния в облачном слое. Современная точность дистанционного метода.
Определение вертикального профиля и общего содержания озона. Факторы, определяющие точность метода. Современные спутниковые приборы и реальная точность дистанционного метода. Определение трендов в содержании озона.
Наземный метод определения вертикального профиля и общего содержания озона. Точность и вертикальное разрешение метода.
Определение аэрозольных характеристик атмосферы. Общая формулировка дистанционного метода измерений. Влияние априорной информации на точность определения аэрозольных характеристик атмосферы.
Поляризационный метод определения содержания озона и характеристик аэрозольного состояния атмосферы.
Дистанционные методы измерений поля ветра.
Определение содержания малых газовых составляющих атмосферы. Примеры спутниковых и наземных экспериментов.
Сумеречные методы зондирования.
5. Дистанционная рефрактометрия
Явление рефракции в атмосферах планет. Особенности рефракции в различных областях спектра. Уравнение светового луча. Явления регулярной и случайной рефракции. Различные схемы рефракционных измерений. Использование излучения Солнца и звезд для зондирования атмосферы. Рефракционные методы определения плотности и температуры атмосферы. Анализ точности методов.
Использование мерцаний звезд для определения параметров атмосферы.
Космические методы рефрактометрии. Анализ точности определения вертикальных профилей температуры и влажности с помощью рефракционных наблюдений в радиодиапазоне.
6. Лазерное (лидарное) зондирование атмосферы и подстилающей поверхности
Характеристики современных лазеров: непрерывные и импульсные лазеры, мощность импульса, частота, монохроматичность, длительность импульса.
Различные схемы лидарных наблюдений: моностатическая и бистатическая схемы, горизонтальные трассы. Основные составные части лидарной системы.
Общий анализ преимуществ и недостатков лазерных методов зондирования. Уравнение лазерной локации для различных типов взаимодействия излучения со средой. Применимость приближения однократного рассеяния.
Пространственное разрешение лидарного зондирования - основные факторы его определяющие.
Лидарные методы определения плотности ( температуры) атмосферы, основанные на релеевском рассеянии. Области применимости метода. Погрешности определения плотности и температуры. Характеристики современных лидаров для зондирования средней атмосферы. Примеры определения плотности и температуры атмосферы.
Лидарные методы определения температуры атмосферы с помощью комбинационного рассеяния.
Лидарные методы определения характеристик атмосферного аэрозоля. Различные методы введения дополнительной информации для получения однозначного решения. Многоспектральный метод определения характеристик атмосферного аэрозоля. Погрешности лидарного зондирования атмосферного аэрозоля. Примеры лидарного зондирования атмосферного аэрозоля.
Лидарные методы определения характеристик газового состава атмосферы: метод прозрачности на горизонтальных трассах, метод дифференциального поглощения, методы комбинационного рассеяния.
Теория метода дифференциального поглощения, анализ погрешностей метода. Примеры использования метода - определение вертикального профиля содержания озона.
Определения характеристик газового состава атмосферы с помощью комбинационного рассеяния. Сравнение преимуществ и недостатков различных лидарных методов определения характеристик газового состава атмосферы.
Определение характеристик облаков: высоты и протяженности облаков, фазового состава. Поляризационные лидарные методы.
Лидарные методы определения характеристик подстилающих поверхностей. Зондирование водных поверхностей и водных сред.
Космические лидарные методы зондирования атмосферы и подстилающей поверхности.
Особенности космического лидарного зондирования. Примеры космических экспериментов.
7. Радиолокационное зондирование атмосферы и подстилающей поверхности
Физические принципы радиолокации. Оптические характеристики атмосферы и облаков в радиодиапазоне. Уравнение радиолокации. Эффективная площадь рассеяния сферическими водяными и ледяными частицами.
Радиолокационное определение высоты облаков. Радиолокационные методы исследования облаков и осадков. Анализ факторов, определяющих точности исследований водности облаков и интенсивности осадков.
Радиолокационные методы зондирования подстилающих поверхностей.
Определение приводного ветра.
Космическая радиолокация.
8. Акустическое зондирование атмосферы
Физические принципы дистанционных акустических методов. Особенности распространения акустических волн в атмосфере.
Акустические методы зондирования приземного слоя атмосферы.
Радиолокационно-акустическое зондирование атмосферы.
9. Заключение
Глобальная система мониторинга параметров окружающей среды. Основные задачи мониторинга параметров окружающей среды. Роль различных систем наблюдений в мониторинге. Спутниковая подсистема глобальных наблюдений.
Исследования атмосфер планет.
Перспективы развития глобальной системы наблюдений.
Рекомендуемая литература
1. Розенберг Г.В. Сумерки. М. Гос. Изд. Ф.-М. лит. 1963. - 380 с.
2. Кондратьев К.Я., Тимофеев Ю.М. Термическое зондирование атмосферы со спутников. Л. Гидрометеоиздат. 1970. 410 с.
3. Турчин В.Ф., Козлов В.П., Малкевич М.С. Использование методов математической статистики для решения некорректных задач. УФН. 1970. т. 102, N 3, с. 33-55.
4. Малкевич М.С. Оптические исследования атмосферы со спутников. М. Наука, 1973. 303 с.
5. Степаненко В.Д. Радиолокация в метеорологии. Л. Гидрометеоиздат. 1973. 343 с.
6. Башаринов А.Е., Гурвич А.С., Егоров С.Т. Радиоизлучение Земли как планеты. М. Наука. 1974. 188 с.
7. Зуев В.Е. Лазер-метеоролог. Л. Гидрометеоиздат. 1974. 179 с.
8. Захаров В.М., Костко О.К. Метеорологическая лазерная локация. Л. Гидрометеоиздат. 1977. 222 с.
9. Кондратьев К.Я., Тимофеев Ю.М. Метеорологическое зондирование атмосферы из космоса. Л. Гидрометеоиздат. 1978. 280 с.
10. Лазерный контроль атмосферы. Под ред. Э.Дэ Хинкли. М. Мир. 1979. 416 с.
11. Кароль И.Л., Розанов. В.В., Тимофеев Ю.М. Газовые примеси в атмосфере. Л. Гидрометеоиздат. 1983. 192 с.
12. Кондратьев К.Я., Мелентьев В.В. Космическая дистанционная индикация облаков и влагосодержания атмосферы. Л. Гидрометеоиздат. 1986. 263 с.
13. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. М. Мир. 1987. 550 с.
14. Stephens G.L. Remote Sensing of the Lower Atmosphere. An Introduction. New York, Oxford. Oxford University Press. 1994. 523 p.