ОПТИМИЗАЦИЯ СЕРИЙ МУЛЬТИСПЕКТРАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ АТМОСФЕРЫ В МОРСКОЙ СРЕДЕ В УСЛОВИЯХ ВЕТРА Текст научной статьи по специальности «Физика»

Статья поступила в редакцию 16.01.2012. Ред. рег. № 1181 The article has entered in publishing office 16.01.12. Ed. reg. No. 1181

УДК 535.24: 551.556: 504.42

ОПТИМИЗАЦИЯ СЕРИЙ МУЛЬТИСПЕКТРАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ АТМОСФЕРЫ В МОРСКОЙ СРЕДЕ В УСЛОВИЯХ ВЕТРА

К.Х. Исмаилов, Т.А. Ахундова, Э.С. Аббасова, В.К. Меджидова

Национальное аэрокосмическое агентство Азербайджан, Баку, AZ1106, ул. С.С. Ахундова, д. 1 Тел.: 994503247240, e-mail: [email protected]

Заключение совета рецензентов: 20.01.12 Заключение совета экспертов: 25.01.12 Принято к публикации: 31.01.12

Показана необходимость учета зависимости оптической толщины морского солевого аэрозоля от скорости ветра при проведении спектральных измерений атмосферы в морских зонах.

Сформулирована и решена оптимизационная задача минимизации суммарного влияния морского солевого аэрозоля на результаты серии атмосферных спектрометрических измерений в морских зонах.

Показаны некоторые задачи исследований, где может быть применена изложенная в настоящей статье оптимизационная процедура.

Ключевые слова: атмосфера, оптимизация, ветер, морская среда, экологический контроль.

OPTIMIZATION OF SERIES OF MULTISPECTRAL ATMOSPHERIC MEASUREMENTS IN MARINE MEDIUM IN WIND CONDITION

K.Kh. Ismaylov, T.A. Akhundova, E.S. Abbasova, V.K. Medjidova

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

Referred: 20.01.12 Expertise: 25.01.12 Accepted: 31.01.12

It is shown that the dependence of sea salt aerosol's optical depth on wind speed is necessary upon carrying out atmospheric spectral measurements in sea zones.

The optimization task of minimization of total effect series of atmospheric spectrometric measurements in sea zones is formulated and solved.

The some research tasks, where the optimization procedure described in the present article may be used are shown. Keywords: atmosphere, optimization, wind, sea medium, ecological control.

Хорошо известно, что с развитием морской нефтедобычи наблюдается увеличение степени загрязнения как морских вод, так и атмосферы над морем. Загрязнение окружающей среды при морской нефтедобыче является прямым следствием относительной несовершенности всего технологического цикла разведки, добычи и транспортировки морской нефти. При этом очевидно, что морская нефтедобыча должна предусмотреть проведение экологического контроля загрязнения окружающей среды в целях осуществления как мер рекреации особых зон загрязнения, так и принятия оперативных мер по корректировке и возможного усовершенствования всего технологического цикла морской нефтедобычи.

Экологический контроль атмосферы над зонами нефтедобычи должен быть осуществлен в широком спектральном интервале в целях проведения наибо-

лее полномасштабных спектрометрических исследований компонентной структуры и степени загрязнения атмосферы. Однако при проведении морских спектрометрических измерений должны быть приняты во внимание те специфические условия морской среды, которые в определенных условиях, усиливая свое влияние на качество спектрометрических съемок, могут в конечном счете существенно снизить эффективность проводимых исследований. Одним из таких специфических особенностей морской среды является существенная зависимость оптической толщины морского солевого аэрозоля от скорости ветра. В настоящей статье мы рассмотрим возможность оптимизации серии морских спектрометрических измерений с учетом фактора ветра.

Согласно работе [1], увеличение оптической толщины морского солевого аэрозоля в зависимости от

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 01 (105) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012

Энергетика и экология

скорости ветра является результатом формирования крупнодисперсного аэрозоля из-за воздействия ветра. При увеличении силы ветра структурный состав аэрозоля смещается в сторону крупнодисперсной фракции. Экспериментальные исследования зависимости между скоростью ветра и оптической толщиной аэрозоля, проведенные в [1], показали, что на длинах волн 0,87 мкм и 0,55 мкм эта зависимость имеет единую закономерность.

Согласно [1] были проведены соответствующие экспериментальные исследования, которые охватывали следующие зоны:

1. Юго-запад Тихого океана;

2. Юг Атлантического океана;

3. Юг Индийского океана.

В результате проведенных исследований авторы работы [1] предложили две аппроксимации зависимости оптической толщины аэрозоля от скорости ветра при высокой степени коэффициента корреляции, равной 0,95: экспоненциальное приближение:

т = d^xp(d2v),

где d1 = 0,09; d2 = 0,03, линейное приближение:

т = 0,091 + 0,004v.

(i)

(2)

Ta = d3V + d4;

тс = d5v - d6; Tf = d7v + d8,

(3)

(4)

(5)

Ta Tan + Td + Tm

(6)

где Tan - аэрозоль антропогенного происхождения; Td - аэрозоль пылевого происхождения; тт - аэрозоль морского происхождения.

Согласно известной формуле Ангстрома оптическая толщина атмосферного аэрозоля может быть аппроксимирована выражением

= ßX-

(7)

где в - коэффициент аэрозольной мутности; в = та(Х = 1 мкм); X - длина волны; ас - показатель Ангстрома.

С учетом выражений (1), (6) и (7) задача оптимизации для длительной серии атмосферных измерений ставится следующим образом: найти такую функцию Л(у), при которой суммарное воздействие морского солевого аэрозоля за весь цикл спектрометрических измерений было бы сведено к минимуму.

С учетом формул (1) и (7) оптическую толщину морского солевого аэрозоля определим следующим образом:

= d1 exp (d2v)X(v) а.

(8)

Примем, что в течение цикла измерений скорость ветра изменяется от нуля до величины утах. Исходный целевой функционал оптимизации сформулируем следующим образом:

F1 = J d1 exp (d2v)X(v) a dv.

(9)

Для нахождения оптимальной функции Л(у) примем следующее ограничительное условие:

J X (v) dv = C,

(10)

Как отмечено в работе [2], зависимости оптической толщины суммарного морского аэрозоля, а также крупнодисперсных и мелкодисперсных фракций морского аэрозоля от скорости ветра могут быть аппроксимированы, соответственно, следующими выражениями:

где й3 = 0,013; йА = 0,21; йъ = 0,01; ё6 = 0,009; ё7 = 0,003; ё8 = 0,028.

Согласно работе [2], атмосферный аэрозоль может быть представлен в виде суммы

где C = const.

С учетом выражений (9) и (10) сформулируем окончательный функционал безусловной вариационной оптимизации:

vmax

F = J F3 |>(v)]dv =

0

= J d1exp(d2v)A,(v) a'c dv + Y J X(v)dv, (11)

0 0

где у - множитель Лагранжа.

Согласно правилу Эйлера для нахождения оптимальной функции X(v) должно быть вычислено следующее условие:

dF3 [X(v)]

= 0 .

d X(v)

С учетом выражений (11) и (12) получаем

-d1 exp (d2v)ac X(v) (ac +1) + у = 0 . Из выражения (13) имеем X (v)-(ac

d1 exp (d2 v )ac Из выражения (14) окончательно получаем

(12)

(13)

(14)

X (v) ='

+1 -V

d1 exp (d2 v)ac

(15)

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 01 (105) 2012

© Scientific Technical Centre «TATA», 2012

Y

К.Х. Исмаилов, Т.А. Ахундова и др. Оптимизация серий мультиспектральных измерений атмосферы в морской среде в условиях ветра

С учетом выражений (10) и (12) имеем

Y d exp (d2v)ac

J ac +1 1 V 2 ' c dv = C. (16)

Y

Из последнего выражения находим величину множителя Лагранжа:

Y =

1

C а

J ac +\jdj exp (d2v)ac dv

(17)

С учетом выражений (13) и (17) находим

C a +\¡d,exp(d2v)ac X(v) =---,

(18)

где

X = J ac +Vdj exp(d2v)ac dv . (19)

0

Выражение (18) может быть записано в следующем виде:

Mv) = C1 exp| О^^+Т

(20)

Отметим, что сформулированная и решенная задача оптимизации имеет универсальный характер и может быть распространена на мелкодисперсные и крупнодисперсные фракции аэрозоля раздельно. Кроме того, на основе предложенной задачи оптимизации может быть сформулирована и решена задача оптимальных спектрометрических измерений морской поверхности с различных носителей измерительной аппаратуры. При этом в любом случае следует иметь в виду, что базовое выражение (1) имеет эмпирический характер и его применение оправдано в случаях анализа результатов длительных серий спектрометрических измерений.

В заключение сформулируем основные выводы и положения проведенного исследования:

1. Показана необходимость учета зависимости оптической толщины морского солевого аэрозоля от скорости ветра при проведении спектральных измерений атмосферы в морских зонах.

2. Сформулирована и решена оптимизационная задача минимизации суммарного влияния морского солевого аэрозоля на результаты серии атмосферных спектрометрических измерений в морских зонах.

3. Показаны некоторые задачи исследований, где может быть применена изложенная в настоящей статье оптимизационная процедура.

C а +\[dp~ где C1 =---= const.

X

Таким образом, вычислена функция A(v), приводящая функционал (11) к его экстремальному значению. Для проверки того, что этот экстремум является минимумом, достаточно вычислить вторую производную выражения (11) по X(v). Как можно увидеть из выражения (13), искомая вторая производная всегда имеет положительное значение, что является доказательством того, что найденная зависимость (20) на самом деле может привести к минимизации суммарного воздействия морского солевого аэрозоля на результат спектрометрических измерений атмосферы в морской зоне.

Список литературы

1. Huang H., Thomas G.E., Grainger G. Relationship between wind speed and aerosol depth over remote ocean // Atmos. Chem. Phys., 10, 5643-5950, 2010. www.atmos-chem-phys.net/10/5943/2010/.

2. Lehahn Y., Koren I., Boss E., Ben-Ami., Altaratz O. Estimating the maritime component of aerosol optical depth and its dependency on surface wing speed using satellite data // Atmos. Chem. Phys., 10, 6711-6720, 2010. www.atmos-chem-phys.net/10/6711/2010/.

ГхГ>

- TATA —

LXJ

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 01 (105) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012