Журнал управления прибрежной зоной

Абстрактный

Изменение климата 2019: восстановление параметров стратосферного аэрозоля Земли с помощью поляриметрических измерений неба - О. Збруцкий - Киевский политехнический институт им. Игоря Сикорского, Украина

П. Неводовский, А. Видмаченко, О. Овсак, О. Збруцкий, Д. Гераимчук, Ж. Ивахив

Изменения климата Земли являются результатом естественных изменений энергетического баланса солнечного облучения и влияния антропогенных факторов на вариации толщины озонового слоя и содержания стратосферного аэрозоля. Разработан миниатюрный ультрафиолетовый поляриметр для спутниковых поляриметрических экспериментов в ультрафиолетовой области спектра солнечного излучения. Основной задачей этого прибора является получение информации о физических свойствах аэрозоля в результате фотополяриметрических измерений неба. Испытания прибора проводились на специально разработанном и изготовленном нами стенде. Разработан комплекс специальных компьютерных программ для анализа данных спектрально-поляриметрических измерений безоблачного неба, выполненных на телескопе АЗТ-2 (Главная астрономическая обсерватория, Киев, Украина). Таким образом, можно рассчитывать спектральные фазовые зависимости степени линейной поляризации рассеянного атмосферой Земли солнечного излучения. Используется модель однородной газоаэрозольной среды, при которой изменяются характеристики аэрозольных частиц и параметры функции их распределения по размерам. То есть наземные поляризационные наблюдения безоблачного неба позволяют изучать многие физические характеристики аэрозоля в тропосфере и нижней стратосфере Земли.

Предложен метод исследования стратосферного аэрозоля, основанный на использовании операций ультрафиолетового поляриметра (УФП). Подтверждена возможность определения микрофизических характеристик аэрозольных частиц в атмосфере, тропосфере и стратосфере Земли путем приближенного анализа данных поляризационных наземных измерений безоблачного неба, выполненных в течение дня и сразу после захода Солнца.

Объединились усилия трех институтов для подготовки возможного эксперимента по изучению с борта космического аппарата физических характеристик стратосферного аэрозоля. В результате был создан макет БПЛА. Этот прибор позволяет проводить поляризационные измерения стратосферы Земли с борта космического аппарата.

Фотоумножитель R1893 работает в режиме счета фотонов. Датчики температуры контролируют температуру как среды, так и приемника. Специально разработанный пьезоэлектрический двигатель с полым ротором вращает поляризационный элемент. Необходимые данные с датчиков температуры (на приемнике, на двигателе и т.д.) передаются в компьютерный интерфейс для обработки и дальнейшего анализа. Разработано специальное программное обеспечение для управления плоскостью поляризации и позиционирования соответствующих элементов относительно поставленной цели.

A special bench to set up and study the current prototype of the UVP, its individual blocks and their combination, was been developed. It can be divided into the separate interchangeable parts, units and blocks.Such a design makes it possible to change research tasks easily and quickly as well as constantly improve the bench itself. The UVP studies performed at the test bench made it possible to determine its technical parameters and performance characteristics.

With this equipment, that was thoroughly investigated the operation of the light emission receiver (R1893 photomultiplier) to determine its noise threshold at supply voltages in the 1050-1500V range (dark pulses are 2-4 pulses/sec) and the device operating voltage was selected. Reading stability of device output signals has been investigated extensively. It was determined during long hours of dark and useful signals measurements. To verify the methodology for conducting polarization observations of the cloudless sky, there was used a modification of current prototype the onboard ultraviolet polarimeter UVP. It was mounted on the AZT-2 telescope (70 cm mirror and 15 m focal length) . We have realized the polarimetric observations with improved prototype of ultraviolet polarimeter on 26-th and 27-th of September 2017. Remark, that from the 24-th till 29-th of September all days and nights were cloudless above Kyiv, Ukraine. We oriented the telescope at a part of the sky with the Sun declination equal to zero degree for an angle equal to 1h from the central meridian. Operation began by turning off the clockwork mechanism of the telescope at 14:00 UTC+2 and observations were completed at 20:00. We used for observations the λ = 362 nm filter located between the visible and ultraviolet light spectral regions and also have cut a portion of the sky using a diaphragm with a diameter of 0.5 mm. The piezoelectric motor rotates the modulator unit with the polarization element (Glan prism) at a 45° the same angle. Thus, one rotation through 360° the modulator carried out in 8 steps. Exposure was selected in 2 seconds. At the beginning of operation, the useful signal stream was about 300 k pulses per second with a dark stream of no more than 20 pulses per second. The results of obtained observations, as well as the additional results were used for analysis and subsequent processing.

Фазовая зависимость ДЛП света, рассеянного мелкими изотропными частицами с малым истинным поглощением, близка к рэлеевскому рассеянию. Однако, если мнимая часть комплексного показателя преломления этих частиц существенно увеличивается, то максимумы ДЛП от фазовых углов смещаются в сторону значений, равных 60°/300° соответственно. При неизменных физических параметрах аэрозоля ДЛП света, рассеянного частицами, уменьшается с уменьшением длины волны. Были смоделированы характеристики рассеяния света статическим ансамблем однородных хаотично ориентированных частиц, имеющих простейшую несферическую форму (например, вытянутые и сплющенные сфероиды, цилиндры). Результаты таких работ показали существенное влияние формы частиц на характеристики рассеянного ими излучения. Однако попытки моделирования характеристик рассеяния аэрозольных частиц сложной формы, реально существующих в природе (кристаллы, снежинки, сажа, пыль и т.п.), наталкиваются на невозможность аналитического описания и сложность алгоритмизации такой задачи. Результаты обработки данных наблюдений показали эффективность разработанной нами методики и программных кодов для анализа данных спектрально-поляриметрических измерений фазовых зависимостей значений степени линейной поляризации дневного и сумеречного зенитного неба. Совпадение формы и абсолютных значений расчетных модельных зависимостей с данными измерений в широком диапазоне длин волн свидетельствует о возможном соответствии значений восстановленных модельных параметров аэрозоля их реальным данным.

Следует подчеркнуть, что предлагаемая методика позволяет определить вероятные параметры газоаэрозольной среды, усредненные по всему столбу атмосферы, высота которой определяется зенитным расстоянием Солнца. Задача определения высоты и характеристик отдельных аэрозольных мод требует дополнительных исследований.