МОДЕЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ТОЛЩИНЫ АТМОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ В ЗАДАЧАХ ОЦЕНКИ ОСЛАБЛЕНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ Текст научной статьи по специальности «Физика»

Статья поступила в редакцию 25.09.12. Ред. рег. № 1416

The article has entered in publishing office 25.09.12. Ed. reg. No. 1416

УДК 504.3.054:551.521.3

МОДЕЛЬНЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ТОЛЩИНЫ

АТМОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ В ЗАДАЧАХ ОЦЕНКИ ОСЛАБЛЕНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ СОЛНЕЧНОЙ РАДИАЦИИ

А.А. Ширин-заде, А.Дж. Алиева

Национальное аэрокосмическое агентство Баку, Азербайджан, AZ1106, ул. С.С.Ахундова, д. 1 E-mail: [email protected]

Заключение совета рецензентов: 30.09.12 Заключение совета экспертов: 10.10.12 Принято к публикации: 15.10.12

Критически проанализирован известный метод моделирования реального композитного аэрозоля взвешенной линейной комбинацией типовых компонентных составляющих атмосферного аэрозоля. На основании проведенного критического анализа предложен метод моделирования реального композитного аэрозоля взвешенной линейной комбинацией оптических толщин различных дисперсных составляющих атмосферного аэрозоля.

Ключевые слова: радиация, аэрозоль, атмосфера, ослабление, поглощение, оптическая толщина.

THE MODEL SIMULATION OF OPTICAL DEPTH OF ATMOSPHERIC AEROSOL IN TASK ASSESSMENT OF FORCING AND ABSORPTION OF SOLAR RADIATION

A.A. Shirin-zade, A.J. Aliyeva

National Aerospace Agency 1 S.S. Akhundov str., Baku, AZ1106, Azerbaijan E-mail: [email protected]

Referred: 30.09.12 Expertise: 10.10.12 Accepted: 15.10.12

The known method for simulation of real composite aerosol with weighted linear combination of optical depths of various types of components of atmospheric aerosol is analyzed. The method for modeling of real composite type aerosol with weighted linear combination of optical depth of various disperses components of atmospheric aerosol is suggested.

Keywords: radiation, aerosol, atmosphere, attenuation, absorption, optical depth.

Хорошо известно, что аэрозоль в значительной степени ослабляет солнечную радиацию, достигшую земной поверхности. Радиационным форсингом на верхней границе атмосферы называется разница между потоками радиации, проходящими через эту границу, в случае наличия и отсутствия аэрозольного загрязнения. Радиационным форсингом на нижней границе атмосферы называется разница между потоками радиации, достигающими земной поверхности. Разница между вышеуказанными радиационными форсингами называется атмосферным радиационным форсингом.

Как было показано в [1], разработка хорошо обоснованных методов различения эффектов рассея-

ния и абсорбции солнечной радиации аэрозолем позволяет формировать простые и оптически эквивалентные модели аэрозоля. При помощи таких моделей можно оценить альбедо однократного рассеяния аэрозоля и, следовательно, аэрозольный радиационный форсинг. Предлагаемый в [1] метод позволяет оценить радиационный форсинг аэрозоля, не зная химического состава аэрозоля или данных небесной радиации.

В таблице показаны значения некоторых физических и оптических параметров различных типов аэрозоля, приняты обозначения: гт - эффективный радиус; р - плотность; ю - альбедо однократного рассеяния.

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (115) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

Некоторые физические и оптические параметры различных типов аэрозоля Some physical and optical parameters of different types of aerosol

Тип аэрозоля Гш, мкм р, г/см-3 ю Коэффициент рефракции, ш

Действительная часть Мнимая часть

Водорастворимые (сульфаты, нитраты и др.) 0,029 1,8 0,99 1,44 -0,00265

Сажа 0,018 1,0 0,23 1,75 -0,45

Морская соль (аккумуляционный режим) 0,378 2,2 1,0 1,38 -4,5 10-9

Морская соль (крупнодисперсная) 3,17 2,2 2,2 - -

Минеральная соль 0,50 2,6 1,53 1,53 -0,0078

Как показано в работе [1], оптическая толщина аэрозоля сложного состава, измеренная солнечным фотометром, может быть определена в качестве суммы оптических толщин отдельных составляющих, т.е.

гь

Та (Ь) = !ПГ^ ( Г, Ь)Б1П1 (Г+

га

гь

(m2,г,Ь)Я2п2 (г)ёг +...

га

гь

... + /пг (, г, Ь)пПп (г , (1)

га

где - коэффициент эффективности экстинкции; Б, , = 1, п - коэффициенты масштабирования; п(г) -функция распределения аэрозольных частиц по размерам, определяемая как

dN 1

-exp[-(lnг - lnrm_ )) ] . (2)

сМг 2пот,

Согласно [1], если пг в формуле (1) является нормализованной функцией распределения по размерам и интеграл пгйг равен единице, то Бп можно рассматривать в качестве общей количественной плотности соответствующих аэрозольных частиц. В этом случае в формуле (1) имеет место равенство

пг2Qext (ш, г, А) = С (ш, г, А) ,

где С(ш,г,А) - поперечное сечение экстинкции. Следовательно,

(3)

Та (Ь) = 2С (т,,г,А)Б,.п,. (г)дг . (4)

1=1

Очевидно, что аэрозоли с разными размерами по-разному будут влиять на волновую зависимость оптической толщины суммарного аэрозоля. Например, как показано в [1], при увеличении массовой доли сажи, сульфатов и морской соли в общем балансе аэрозолей в раздельности показатель этих составляющих Ангстрома оказывается, соответственно,

постоянным, возрастающим и убывающим. Это позволяет моделировать путем изменения коэффициентов Б различные модельные составы композитных аэрозолей, у которых среднеквадратичная по длине волны разность оптических толщин с оптическими толщинами реально существующего композитного аэрозоля достигла бы минимальной величины. При этом предлагаемый в [1] критерий среднеквадрати-ческой разницы имеет вид

1 А=Р 2

= - Y^aobs (A)-Taes, (А)]

Р А=1

(5)

где р - количество длин волн; та оЦА) - измеренная величина оптической толщины; та етХА) - величина значения оптической толщины.

Кроме критерия (5), также применяется условие минимума разницы между величинами (та - та1)оЬх и (тж - та)^, чтобы минимизировать разбаланс на различных участках спектра.

Таким образом, общий смысл модельного представления реального композитного аэрозоля искусственно смоделированным составным аэрозолем заключается в вычислении такой расчетной величины

= ßiA-ai +ß2 А-"2 +ß3 А-а +ß4 А-

(6)

где в, - коэффициент аэрозольной мутности; , = 1,4; а, - показатель Ангстрома, который в широком диапазоне длин волн количественно дал бы тот самый эффект аэрозольного форсинга, который дает реальный композитный аэрозоль.

Однако, как нам представляется, метод, предложенный в [1], может быть применен не только к многокомпонентной модели, но и к многодисперсной модели атмосферного аэрозоля.

Хорошо известно, что реальный континентальный аэрозоль имеет двух- или трехмодальный дисперсный состав, и в большинстве случаев источники этих мод четко различаются. В принципе здесь возможны два случая:

1. Каждый из типов аэрозоля, указанных в таблице и входящих в реальный композитный аэрозоль,

т

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (115) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012

Солнечная энергетика

характеризуется только свойственным ему одним дисперсным размером.

2. Каждый из типов аэрозоля характеризуется суммой аэрозольных фракций с различными дисперсными размерами.

Рассмотрим первый случай. Здесь эквивалентное композитное моделирование реального составного аэрозоля возможно на основе оптических толщин дисперсных фракционных составляющих тс, тас и Tf, где тс - оптическая толщина гомогенной фракции крупнодисперсных составляющих; тас - оптическая толщина аккумуляционной фракции; Tf - оптическая толщина мелкодисперсной фракции. С учетом вышесказанного по аналогии с (1) можно написать

Ta (X) = f ПГ 2Qex4 ( r, X)Sini (Г )dr +

ra1

%

+ f ПГ 2Qexh (m2, Г, X)S2П2 (Г )dr +

Га2

%

+ f nr2Q<at¡ (mn, r, X) S3П3 (r)dr, (7)

ra 3

где Qexat , Qetf2 , Qex,3 - коэффициенты эффективности

мелкодисперсной, крупнодисперсной и аккумулятивной фракции аэрозоля.

С учетом выражения (3) по аналогии с формулой (4) для многодисперсной модели композитного аэрозоля запишем следующее уравнение:

Ta (X) = f fC (,r,X)S¡n¡ (r)dr . (8)

' = 1 ra¡

Выражение (8) позволяет нам по аналогии с формулой (6) для трехмодального аэрозоля записать следующее выражение:

т =ß, + ßaC +ßc At

(9)

Таким образом, появляется возможность представления оптической толщины атмосферного аэрозоля эквивалентной трехсоставной моделью оптических толщин.

Рассмотрим второй случай. Здесь подразумевается, что каждый тип аэрозоля, входящий в состав композитного аэрозоля, составлен из трех фракций, т.е.

Т , +Т af. +Tac +Taac

(10)

тa, (A) = J ПГ 2<2ещ ( r' (r )dr =

ra1

rb11

= J nr2Qe,4f (r> A)Sinif(r)dr +

r«11

V

+ J nr2QL1c (r, 2nic(r)dr +

ra,2 rb,3

+ J nr2QX1ac ( r> A)S3 niac (r )dr;

r43

rbl

тa2 (A) = J nr 2Qex,2 ( r> A)S2n2 (r) dr =

ra,

rb 21

= J nr2Qexhf ( r= A)S2П2f (r)dr +

^21 rb22

+ J nr2Qxhc ( r= 'k)S2n2c (r)dr +

ra22 rb23

+ J nrlQex,lc ( r = A)S2n2ac (r) dri

^23

rb3

т a3 (A) = J nr 2Qex,3 ( r. A)S3n3 (r) dr =

ra3

rb31

= J nr 2Qexh f ( r > A)S3n3 f (r )dr +

ra31

rb32

+ J nr 2Qext3c ( r. A)S3П2с (r )dr +

r32 rb33

+ J nr 2Qext3ac ( r. A)S3 n3ac (r ) dr ■

ra33

С учетом равенства

у — у — Y ' Y — Y — Y Y — Y — Y

'b13 'b23 'b33 ' 'b„ 'b21 'b31 ' 'b, 'b22 'b32 '

r = r = r ; r = r = r ; r = r = r .(14)

a13 a23 a33 ' a,, a21 a31 ' a12 a22 a32 V '

(13)

а также выражений (7) - (9), осуществив сложение уравнений (11), (12) и (13) по колоннам, получим

3 3 3

Т2 =Ta1 +Ta2 + Тa3 = £Тf +STc, +STac, . (15)

1=1 1=1 1=1

где

где - оптическая толщина мелкодисперсной фракции; тас - оптическая толщина крупнодисперсной фракции; та - оптическая толщина аккумуляционной фракции.

Следовательно, каждый тип аэрозоля, входящий в состав та(К) в формуле (7), может быть выражен следующим образом:

Tf =

т =

т„„ =

'b¡1

Jnr 2Q<x,lf (m.r. A)S<nif (r )dr;

ra.1

rb 11

J nr 2Qext¡c (mi. r. A)Sinic (r )dr;

ra 11 rb 1

J nr 2Qext1c (mi. r. A)Si"ac (r )dr;

i = 1^3. (16)

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 11 (115) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

Таким образом, как видно из (15), суммарная оптическая толщина аэрозоля и в этом случае может быть представлена модельной суммой раздельных сумм трех дисперсных компонент, входящих в рассматриваемые типы атмосферного аэрозоля.

В заключение сформулируем основные выводы и положения проведенного исследования.

1. Критически проанализирован известный метод моделирования реального композитного аэрозоля взвешенной линейной комбинацией типовых компонентных составляющих атмосферного аэрозоля.

2. На основании проведенного критического анализа предложен метод моделирования реального композитного аэрозоля взвешенной линейной комбинацией оптических толщин различных дисперсных составляющих атмосферного аэрозоля.

Список литературы

1. Satheesh S.K., Srinivasan J. A method to estimate aerosol radiative forsing from spectral optical depths // Journal of the atmospheric sciences. 2006. Vol. 63. P. 1082-1092.

2. Zhou J., Swietlicki E. Submicrometer particle size distribution and hydroscopic growth in the Amazon rain forest during the wet season // Journal of Geophysical Research. 2002. Vol. 107, No. D20, 8055, dou: 10.1029/2000JD00023.

3. Lecture 35. Visibility and light scattering in the atmosphere. http://jan.uc.nau.edu/~doetqp-p/courses/ env440/env440 2/lectures/lec35/lec35.htm.

ПОДПИСКА - 2013 на январь-июнь по Объединенному каталогу «Пресса России»

На почте с ноября 2012 г. проводится подписная кампания на

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология»

по Объединенному каталогу Пресса России «ПОДПИСКА-2010, первое полугодие»

Условия оформления подписки (аннотация, индексы, стоимость) вы найдете в I томе каталога

ТРЕБУЙТЕ ОБЪЕДИНЕННЫЙ КАТАЛОГ НА ПОЧТЕ!

Контактный номер телефона специалиста по распространению (495) 661-20-30

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 11 (115) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012