Definition of NO 2 concentration in surface atmospheric layer

Международная конференция «Обратные и некорректные задачи математической физики»,
посвященная 75-летию академика М.М.Лаврентьева, 20-25 августа 2007 г., Новосибирск, Россия
Определение концентрации NO2 в приземном слое атмосферы *
А.Н.Груздев(1), А.С.Елохов(1), А.Н.Рублев(2)
О.В.Николаева(3), Л.П.Басс(3), В.С.Кузнецов(2)
(1) Институт физики атмосферы им. А.М.Обухова РАН
(2) РНЦ "Курчатовский Институт"
(3) Институт Прикладной Математики им. М.В.Келдыша РАН
(bass@kiam.ru , nika@kiam.ru )
Антропогенное загрязнение двуоксью азота (NO2) приземного слоя воздуха в крупных
городах существенно ухудшает экологию мегаполисов. В стратосфере NO2 является одним из
ключевых компонентов озонного фотохимического баланса. Таким образом, очень важно иметь
эффективные (быстрые и точные) алгоритмы определения концентрации NO2 как на больших
высотах, так и в приземном слое воздуха.
Первые наземные измерения общего содержания NO2 были выполнены в видимой области
спектра в начале 70-х годов [1,2]. Первые попытки восстановления вертикального распределения
NO2 в стратосфере по наземным зенитным измерениям интенсивностей пропущенного
атмосферой излучения были предприняты в начале 90-х [3].
В настоящее время эффективная методика определения общего содержания NO2 в
стратосфере [4,5] применяется на Звенигородской научной станции Института физики атмосферы
РАН (Москва), включенной в международную сеть по обнаружению стратосферных измерений
(NDSC - Network for Detection of Stratospheric Change). В этой методике содержание NO2
находится по деформации спектра солнечного света, вызванной его поглощением в NO2 и озоне, а
также молекулярным и аэрозольным рассеянием. При этом интенсивность рассеянной из зенита
солнечной радиации измеряется с помощью автоматизированнного спектрометра (на базе
монохроматора МДР-23), сканирующего в диапазоне 435-450 нм.
Сигнал I(), регистрируемый спектро-фотометром, с помощью закона Бугера-Ламберта-Бера
представляется в следующем виде
I(i) = I0(i) exp(-(C0 + С1 iC2/( i) 4 + i Xθ)), i=1,…,7,
______________________________________________________________* Работа выполнена при поддержке гранта МНТЦ № 3254.
где
 - длина волны (нм),
I0() - внеатмосферная интенсивность солнечного излучения,
 - сечение поглощения на молекуле NO2 (см2),
 - содержание NO2 в вертикальном столбце воздуха (молекул/см2),
Xθ - эквивалентная воздушная масса NO2 ,
 Xθ - среднее взвешенное значение содержания NO2 на том пути, которое проходит попавшее в
прибор излучение.
При известных значениях величин I0() и I() значение Xθ в рамках этой модели определяется
методом наименьших квадратов.
Целью настоящей работы является проверка и модификация этой методики для определения
содержания NO2 в приземном слое, где существенны эффекты многократного рассеяния.
Влияние этих эффектов на эквивалентную воздушную массу Xθ исследуется с помощью
серии расчетов по программе Радуга-5.2(П) [6] типичных моделей атмосферы, каждая из которых
включает в себя
1. континентальную модель аэрозоля, в которой рассеяние моделируется фазовой функцией
Хеньи-Гринстейна или Ми,
2. модель рэлеевского рассеяния, в которой плотность воздуха экспоненциально убывает с
высотой,
3. модель молекулярного поглощения, в которой концентрация NO2 экспоненциально
распределена по высоте.
Полученные значения эффекта многократного рассеяния показаны на рис. 1. В докладе приведены
также другие результаты исследований.
Литература
1.
Brewer A.W., McEltroy C.T., Kerr J.J. Nitrogen dioxide concentrations in the atmosphere //
Nature, 1973, V. 246, № 5429, P. 129-133.
2.
Noxon J.F. Nitrogen dioxide in the stratosphere and troposphere measured by ground-based
absorption spectroscopy // Science, 1975, V. 189, № 4202, P. 547-549.
3.
McKenzie R.L., Johnston P.V., McEltroy C.T., Kerr J.B., Solomon S. Altitude distributions of
stratospheric constituents from ground-based measurements at twilight // J. Geophys. Res., 1991,
V. 96, № D8, P. 15499-15511.
4.
Елохов А.С., Груздев А.Н. Измерения общего содержания и вертикального распределения
NO2 на Звенигородской научной станции. Изв. АН, Физика атмосферы и океана, 2000, Т. 36,
№ 6, стр. 831-846
5.
Grusdev A.N., Elokhov A.S. Ground-based spectroscopic measurements of vertical distribution
and column abundance of NO2 of Zvenigorod, Russia. Proc. SPIE, 2005, V. 5832, doi:
10.1117/12.619837, P. 292-200
6.
Nikolaeva O.V., Bass L.P., Germogenova T.A., Kokhanovsky A.A., Kuznetsov V.S. and Mayer B.
The influence of neighbouring clouds on the clear sky reflectance studied with the 3–D transport
code RADUGA. JQSRT, 2005, V. 94, PP. 405-424.
1.3
1.2
1.1
1
0
20
40
60
80
Çåí è òí û é óãî ë Ñî ëí öà (ãðàä)
100
Рис. 1. Отношение эквивалентной воздушной массы Xθ, полученной в приближении
многократного рассеяния, к аналогичной величине, полученной в приближении однократного
рассеяния, когда рассеяние в аэрозоле моделируется фазовой функцией Хеньи-Гринстейна