eng
Выпуск #2/2016
И. Абдуррахманова
Исследование влияния аэрозольного фактора на фотометрирование в береговых зонах
Исследование влияния аэрозольного фактора на фотометрирование в береговых зонах
Просмотры: 3492
Солнечные фотометры – универсальные приборы, позволяющие исследовать аэрозольные шлейфы, возникающие из-за песчаных бурь и извержений вулканов, а также концентрацию некоторых малых газов и водяных паров в атмосфере. Но при фотометрировании в береговых зонах результаты измерений оказываются зависимыми от ветровой обстановки и от аэрозольного фактора. Представлена методика поиска оптимальных комбинаций величин скорости ветра в выбранной точке измерений и относительного геометрического параметра фракционных составляющих, при которых удается полностью скомпенсировать влияние аэрозольного фактора на результат фотометрических измерений малых газов атмосферы.
Теги: aerosols factor cолнечные фотометры photometric measurements of trace atmosphere gases sun photometers аэрозольный фактор фотометрирование малых концентраций атмосферных газов
Хорошо известно, что локальная динамика ветровой обстановки в береговых зонах может привести к такому дисперсному составу аэрозольного загрязнителя атмосферы, который будет сильно отличаться от состава чисто морского или континентального аэрозоля. В качестве типичного примера (см. таблицу) приведем результаты работы [1], где исследовался процентный состав суммарного аэрозоля в береговой зоне города Мехико.
Как сообщается в работе [2], при наличии в береговых зонах производственных или других источников антропогенного аэрозоля, в том числе "черного углерода", специфические метеоусловия берега (ветер с моря) оказывают несущественное очищающее воздействие на аэрозольный состав атмосферы. Вместе с тем, как видно из таблицы, главенствующую роль в береговых зонах в общем аэрозольном балансе играет морской крупнодисперсный аэрозоль. Его массовая доля достигает 35%. Однако, в отличие от мелкодисперсного антропогенного аэрозоля, морской аэрозоль сильно зависит от метеорологических факторов, и в особенности, от скорости ветра.
Особенность влияния ветреной обстановки на крупнодисперсный морской аэрозоль заключается в следующем. Во-первых, в результате усиления ветра увеличивается концентрация морского аэрозоля. Во-вторых, с усилением ветра происходит перераспределение процентного состава фракционных составляющих морского аэрозоля.
В работах [3–7] показано, что распределение по размерам морского аэрозоля имеет двухмодальную структуру. В качестве типичного примера в работе [3] рассматривается случай, когда антропогенный аэрозоль с высокой концентрацией, появившийся в результате длительных праздничных фейерверков на берегу моря, присутствовал в атмосфере в течение нескольких дней и уменьшился до фонового уровня только через неделю. Указанный факт подтверждает высказанную в работе [2] мысль о том, что "черный углерод" не деградирует под воздействием атмосферных условий, и главным механизмом уменьшения концентрации этого вида аэрозоля в атмосфере является влажное и сухое осаждение. Время жизни "черного углерода" в атмосфере может продлиться до нескольких недель, что указывает на важность учета всех составляющих суммарного аэрозоля при проведении фотометрических атмосферных измерений в береговых зонах.
Наиболее упрощенная модель распределения потока F морских аэрозольных частиц по размерам характеризуется суммой двух логнормальных распределений [3]:
, (1)
где и являются постоянными величинами; – радиус частицы при относительной влажности 80%; – амплитуды, определяемые по следующим выражениям:
A1 = 0,0676 U + 2,43, (2)
A2 = 0,0959 U1/2 – 1,476, (3)
где – скорость ветра. Постоянные и соответственно имеют величины 3,1; 3,2; 2,1 и 9,2. Как сообщается в [3], измерения скорости ветра (м/с) были осуществлены на высоте 14 м.
С учетом этих особенностей морского аэрозоля рассмотрим особенности применения многоволновых солнечных фотометров с параметрической коррекцией в береговых зонах. При этом ставится задача осуществить параметрическую коррекцию влияния ветрозависимого атмосферного берегового аэрозоля.
Такая постановка задачи позволяет несколько сузить спектр рассматриваемых составляющих атмосферного берегового аэрозоля за счет исключения из поля зрения мелкодисперсного антропогенного аэрозоля, который проявляет устойчивость к метеофакторам, в частности к ветру. При том время жизни такого аэрозоля может длиться до нескольких недель. Для дальнейшего сужения спектра рассматриваемых видов аэрозоля проанализируем степень двухмодальности морского аэрозоля. Задачу исследования сформулируем следующим образом: нужно определить, при каких значениях скорости ветра обеспечивается неравенство
. (4)
С учетом выражений (2) – (4) получаем неравенство, решение которого дает условия для значения скорости ветра:
м/с,
следовательно, неравенство (4) выполняется практически всегда.
Таким образом, структурный состав ветрозависимого аэрозоля в береговых зонах соответствует классической классификации деления суммарного аэрозоля на мелкодисперсные и крупнодисперсные составляющие. При этом, как указано авторами работы [4], характер ветрозависимости концентрации мелкодисперсных и крупнодисперсных составляющих аэрозоля существенно различается для образцов аэрозоля, взятых в морской части и на суше береговой зоны.
Примем упрощенную схему измерений, расположив точки измерений А и В в морской и континентальной зонах (см. рисунок). Найдем общие выражения для вычисления суммарной концентрации аэрозоля на линии , соединяющей точки и . В соответствии с методикой, изложенной в работе [3], мелкодисперсный аэрозоль в точке обозначим как
.
Мелкодисперсный аэрозоль в точке обозначим как
.
В первом приближении считаем, что составляющая , изменяясь по линейному закону на трассе , принимает значение в точке . В этом случае концентрацию мелкодисперсного аэрозоля в любой точке трассы вычислим следующим образом. Сначала определим коэффициенты и
, .
Следовательно, мелкодисперсный аэрозоль на трассе изменяется по закону:
(5)
Аналогично выражению (5) можно записать следующее выражение для вычисления концентрации крупнодисперсной составляющей аэрозоля на трассе в точке
(6)
Если принять гомогенную модель загрязнения атмосферы морским аэрозолем и от концентрации аэрозоля перейти на оптическую толщину, то уравнение (5) можно записать следующим образом:
,
где ,,, – постоянные величины рассматриваемой модели, определяемые оптическими толщинами мелкодисперсного аэрозоля в точках А и В. Аналогичным образом, уравнение (6) может быть записано следующим образом:
,
где ,,, – также постоянные величины, характеризующие модель и определяемые крупнодисперсными составляющими аэрозоля в точках А и В. Следовательно, суммарная оптическая толщина аэрозоля в точке х может быть вычислена как
. (7)
Допустим, что на трассе осуществляются измерения малых газов атмосферы с помощью трехволнового фотометра с двухпараметрической коррекцией. Тогда используем традиционную методику, согласно которой в трехволновом фотометре с двухпараметрической коррекцией вводится на рассмотрение функция промежуточного преобразования, определяемая следующим образом [8]:
,
где – коэффициенты коррекции; – сигнал -го оптоэлектронного канала фотометра, определяемый как
,
где – величина солнечной постоянной; – оптическая толщина аэрозоля; – оптическая толщина измеряемого атмосферного газа на длине волны .
С учетом промежуточных преобразований получаем следующее условие устранения влияния аэрозоля на результат измерения малых газов:
. (8)
С учетом волновой зависимости , приняв , можно заключить, что значения и , приводящие к компенсации влияния аэрозоля, могут быть вычислены в следующих частных случаях:
• если величина фиксирована, то следует найти значение , при котором достигается компенсация влияния аэрозольного фактора;
• если величина фиксирована, следует найти величину , при которой достигается компенсация аэрозольного фактора.
Таким образом, выражения (7) и (8) позволяют определить то оптимальное значение скорости ветра, при которой на заданной точке в выбранной трассе можно было бы достичь полной компенсации влияния аэрозоля на результат измерения малых газов. Выражения (7) и (8) также позволяют вычислить координату такой оптимальной точки на трассе , на которой при известной скорости ветра можно было бы достичь полной компенсации влияния аэрозоля на результат измерения.
Литература
1. Baumgardner D., Raga G.B., Grutter M., Lammel G., Moya M. Evolution of anthropogenic aerosols in the coastal town of Salina Cruz, Mexiko: Part II particulate phase chemistry. – Science of the Total Environment, 2006, v.372, p. 287–298.
2. Babu S.S. and Moorthy K.K. Anthropogenic impact on aerosol black carbon mass concentration at a tropical coastal station: A case study. – Current science, vol. 81, № . 9, 10 November, 2001.
3. Smith M.H., Park P.M., Consterdine I.E. Marine aerosol concentrations and estimated fluxes over the sea. – Q.J.R. Meteorol. Sci., 1993, v.115, p.383–395.
4. Karl M., Gross A., Pirjola L., Leck C. A new flexible multicomponent model for the study of aerosol dynamics in the marine boundary layer. – Tellus, 2011, v.63, p.1001–1025.
5. Sayer A.M., Smirnov A., Hsu N.C. and Holben B.N. A pure marine aerosol model, for use in remote sensing applications. – Journal of geophysical research, 2012, v.117, D05213, doi:10.1029/2011JD016689.
6. Kawamura K., Lim H.J., Mochida M., Turpin B.J., Umemoto N. Birmodal size distribution of various organic acids and fatty acids in the marine atmosphere: Influence of anthropogenic aerosols, Asian dusts and sea spray off the coast of East Asia. – Journal of geophysical research, 2007, v.112, D15209, doi:10.1029/2006JD007773/
7. Eijk V. A.M.J. and de Leeuw G. Modeling aerosol particle size distributions over the North Sea. – Journal of Geophysical Research, 1992, v. 97, C9, p. 14417–14429.
8. Асадов Х.Г., Сулейманов Ш.Т. Синтез трехволновых скорректированных измерителей малых компонент атмосферы в ультрафиолетовом диапазоне. – Метрология, 2007, № 9, с. 3–7.
Как сообщается в работе [2], при наличии в береговых зонах производственных или других источников антропогенного аэрозоля, в том числе "черного углерода", специфические метеоусловия берега (ветер с моря) оказывают несущественное очищающее воздействие на аэрозольный состав атмосферы. Вместе с тем, как видно из таблицы, главенствующую роль в береговых зонах в общем аэрозольном балансе играет морской крупнодисперсный аэрозоль. Его массовая доля достигает 35%. Однако, в отличие от мелкодисперсного антропогенного аэрозоля, морской аэрозоль сильно зависит от метеорологических факторов, и в особенности, от скорости ветра.
Особенность влияния ветреной обстановки на крупнодисперсный морской аэрозоль заключается в следующем. Во-первых, в результате усиления ветра увеличивается концентрация морского аэрозоля. Во-вторых, с усилением ветра происходит перераспределение процентного состава фракционных составляющих морского аэрозоля.
В работах [3–7] показано, что распределение по размерам морского аэрозоля имеет двухмодальную структуру. В качестве типичного примера в работе [3] рассматривается случай, когда антропогенный аэрозоль с высокой концентрацией, появившийся в результате длительных праздничных фейерверков на берегу моря, присутствовал в атмосфере в течение нескольких дней и уменьшился до фонового уровня только через неделю. Указанный факт подтверждает высказанную в работе [2] мысль о том, что "черный углерод" не деградирует под воздействием атмосферных условий, и главным механизмом уменьшения концентрации этого вида аэрозоля в атмосфере является влажное и сухое осаждение. Время жизни "черного углерода" в атмосфере может продлиться до нескольких недель, что указывает на важность учета всех составляющих суммарного аэрозоля при проведении фотометрических атмосферных измерений в береговых зонах.
Наиболее упрощенная модель распределения потока F морских аэрозольных частиц по размерам характеризуется суммой двух логнормальных распределений [3]:
, (1)
где и являются постоянными величинами; – радиус частицы при относительной влажности 80%; – амплитуды, определяемые по следующим выражениям:
A1 = 0,0676 U + 2,43, (2)
A2 = 0,0959 U1/2 – 1,476, (3)
где – скорость ветра. Постоянные и соответственно имеют величины 3,1; 3,2; 2,1 и 9,2. Как сообщается в [3], измерения скорости ветра (м/с) были осуществлены на высоте 14 м.
С учетом этих особенностей морского аэрозоля рассмотрим особенности применения многоволновых солнечных фотометров с параметрической коррекцией в береговых зонах. При этом ставится задача осуществить параметрическую коррекцию влияния ветрозависимого атмосферного берегового аэрозоля.
Такая постановка задачи позволяет несколько сузить спектр рассматриваемых составляющих атмосферного берегового аэрозоля за счет исключения из поля зрения мелкодисперсного антропогенного аэрозоля, который проявляет устойчивость к метеофакторам, в частности к ветру. При том время жизни такого аэрозоля может длиться до нескольких недель. Для дальнейшего сужения спектра рассматриваемых видов аэрозоля проанализируем степень двухмодальности морского аэрозоля. Задачу исследования сформулируем следующим образом: нужно определить, при каких значениях скорости ветра обеспечивается неравенство
. (4)
С учетом выражений (2) – (4) получаем неравенство, решение которого дает условия для значения скорости ветра:
м/с,
следовательно, неравенство (4) выполняется практически всегда.
Таким образом, структурный состав ветрозависимого аэрозоля в береговых зонах соответствует классической классификации деления суммарного аэрозоля на мелкодисперсные и крупнодисперсные составляющие. При этом, как указано авторами работы [4], характер ветрозависимости концентрации мелкодисперсных и крупнодисперсных составляющих аэрозоля существенно различается для образцов аэрозоля, взятых в морской части и на суше береговой зоны.
Примем упрощенную схему измерений, расположив точки измерений А и В в морской и континентальной зонах (см. рисунок). Найдем общие выражения для вычисления суммарной концентрации аэрозоля на линии , соединяющей точки и . В соответствии с методикой, изложенной в работе [3], мелкодисперсный аэрозоль в точке обозначим как
.
Мелкодисперсный аэрозоль в точке обозначим как
.
В первом приближении считаем, что составляющая , изменяясь по линейному закону на трассе , принимает значение в точке . В этом случае концентрацию мелкодисперсного аэрозоля в любой точке трассы вычислим следующим образом. Сначала определим коэффициенты и
, .
Следовательно, мелкодисперсный аэрозоль на трассе изменяется по закону:
(5)
Аналогично выражению (5) можно записать следующее выражение для вычисления концентрации крупнодисперсной составляющей аэрозоля на трассе в точке
(6)
Если принять гомогенную модель загрязнения атмосферы морским аэрозолем и от концентрации аэрозоля перейти на оптическую толщину, то уравнение (5) можно записать следующим образом:
,
где ,,, – постоянные величины рассматриваемой модели, определяемые оптическими толщинами мелкодисперсного аэрозоля в точках А и В. Аналогичным образом, уравнение (6) может быть записано следующим образом:
,
где ,,, – также постоянные величины, характеризующие модель и определяемые крупнодисперсными составляющими аэрозоля в точках А и В. Следовательно, суммарная оптическая толщина аэрозоля в точке х может быть вычислена как
. (7)
Допустим, что на трассе осуществляются измерения малых газов атмосферы с помощью трехволнового фотометра с двухпараметрической коррекцией. Тогда используем традиционную методику, согласно которой в трехволновом фотометре с двухпараметрической коррекцией вводится на рассмотрение функция промежуточного преобразования, определяемая следующим образом [8]:
,
где – коэффициенты коррекции; – сигнал -го оптоэлектронного канала фотометра, определяемый как
,
где – величина солнечной постоянной; – оптическая толщина аэрозоля; – оптическая толщина измеряемого атмосферного газа на длине волны .
С учетом промежуточных преобразований получаем следующее условие устранения влияния аэрозоля на результат измерения малых газов:
. (8)
С учетом волновой зависимости , приняв , можно заключить, что значения и , приводящие к компенсации влияния аэрозоля, могут быть вычислены в следующих частных случаях:
• если величина фиксирована, то следует найти значение , при котором достигается компенсация влияния аэрозольного фактора;
• если величина фиксирована, следует найти величину , при которой достигается компенсация аэрозольного фактора.
Таким образом, выражения (7) и (8) позволяют определить то оптимальное значение скорости ветра, при которой на заданной точке в выбранной трассе можно было бы достичь полной компенсации влияния аэрозоля на результат измерения малых газов. Выражения (7) и (8) также позволяют вычислить координату такой оптимальной точки на трассе , на которой при известной скорости ветра можно было бы достичь полной компенсации влияния аэрозоля на результат измерения.
Литература
1. Baumgardner D., Raga G.B., Grutter M., Lammel G., Moya M. Evolution of anthropogenic aerosols in the coastal town of Salina Cruz, Mexiko: Part II particulate phase chemistry. – Science of the Total Environment, 2006, v.372, p. 287–298.
2. Babu S.S. and Moorthy K.K. Anthropogenic impact on aerosol black carbon mass concentration at a tropical coastal station: A case study. – Current science, vol. 81, № . 9, 10 November, 2001.
3. Smith M.H., Park P.M., Consterdine I.E. Marine aerosol concentrations and estimated fluxes over the sea. – Q.J.R. Meteorol. Sci., 1993, v.115, p.383–395.
4. Karl M., Gross A., Pirjola L., Leck C. A new flexible multicomponent model for the study of aerosol dynamics in the marine boundary layer. – Tellus, 2011, v.63, p.1001–1025.
5. Sayer A.M., Smirnov A., Hsu N.C. and Holben B.N. A pure marine aerosol model, for use in remote sensing applications. – Journal of geophysical research, 2012, v.117, D05213, doi:10.1029/2011JD016689.
6. Kawamura K., Lim H.J., Mochida M., Turpin B.J., Umemoto N. Birmodal size distribution of various organic acids and fatty acids in the marine atmosphere: Influence of anthropogenic aerosols, Asian dusts and sea spray off the coast of East Asia. – Journal of geophysical research, 2007, v.112, D15209, doi:10.1029/2006JD007773/
7. Eijk V. A.M.J. and de Leeuw G. Modeling aerosol particle size distributions over the North Sea. – Journal of Geophysical Research, 1992, v. 97, C9, p. 14417–14429.
8. Асадов Х.Г., Сулейманов Ш.Т. Синтез трехволновых скорректированных измерителей малых компонент атмосферы в ультрафиолетовом диапазоне. – Метрология, 2007, № 9, с. 3–7.
Отзывы читателей
