Специалистам хорошо известно, что солнечные фотометры являются наиболее универсальными приборами, предназначенными для исследования атмосферы. Солнечные фотометры, установленные на Земле, позволяют исследовать состав аэрозолей, газы малых концентраций, водяные пары, имеющиеся в атмо- сфере. Солнечные фотометры исследуют облака, ионосферные излучения, аэрозольные шлейфы, возникающие из-за песчаных бурь, извержений вулканов и тому подобные объекты. Солнечные фотометры, установленные на борту, могут измерять как прямое, так и рассеянное излучение Солнца. Солнечные фотометры эффективно функционируют в составе различных глобальных и региональных сетей исследования атмосферы. Так, например, глобальная сеть AERONET содержит более 300 измерительных станций, распределенных по всему миру и построенных на базе солнечных фотометров типа Cimel. Очевидно, что, как и всякий измерительный прибор, солнечные фотометры должны быть тщательно откалиброваны. Согласно классическим представлениям, солнечные фотометры должны быть откалиброваны в высокогорных геофизических лабораториях, где атмосфера содержит малое количество аэрозоля. Например, солнечные фотометры всемирной сети AERONET обычно калибруются на высокогорной калибровочной станции NASA, расположенной в местечке Маона-Лоа, на Гавайских островах.
Основным методом, используемым для калибровки солнечных фотометров, является метод Ленгли. Алгоритм его вкратце заключается в следующем. Рассматривается закон Бугера-Бера, который без учета затухания интенсивности солнечного луча по расстоянию имеет следующий вид: , (1) где – выходной сигнал солнечного фотометра на длине волны λ; m – оптическая воздушная масса; k – коэффициент калибровки; τat – оптическая толщина атмосферы. Оптическая толщина атмосферы в общем случае определяется суммой , где τoz – оптическая толщина озона; τR – оптическая толщина релеевского рассеяния; τaer – оптическая толщина атмосферного аэрозоля. Логарифмирование выражения (1) приводит к следующему его виду
. (2) Зависимость (2) функции lnI1(λ) от m линейная. Для ее графического изображения (рис.1), называемого диаграммой Ленгли, используют следующую процедуру. Измеряют интенсивность I1(λ) при двух значениях оптических воздушных масс m1 и m2. Далее в системе координат lnI1(λ)–m наносят значения логарифмов обоих замеров и , которые соответствуют точкам и на двухмерной плоскости. Проводят через точки и прямую линию и экстраполируют ее до оси ординат. Это позволяет определить точку С пересечения линии АВ с осью ординат. Используя ординату точки Y(C) и вводя коэффициент калибровки , осуществляют калибровку фотометра. При отсутствии высокогорных условий для калибровки солнечных фотометров обычно используют метод диаграмм Ленгли, но из-за изменчивости атмосферных параметров он не позволяет достаточно точно откалибровать прибор [1]. И в этом его существенный недостаток. Например, в восточных регионах Китая в провинциях Кеианхи, Тайху и Шоксиан во время Регионального международного эксперимента по изучению тропосферного аэрозоля [2] в 2004 и в 2008 годах измерения, проводимые с помощью солнечного фотометра CIMEL, показали, что в течение дня оптическая толщина аэрозоля изменяется в пределах . Такая изменчивость аэрозоля не позволила откалибровать мультифильтровый теневой радиометр типа MFRSR. В работе [3] отмечается, что ошибки, допущенные при калибровке солнечного фотометра, приводят к искусственным дневным вариациям, симметричным относительно полдня, значений оптической толщины аэрозоля (AOD) и α – показателя Ангстрома. Особенно это сказывается при низких значениях оптической толщины аэрозоля. Для вычисления калибровочного коэффициента при минимизации дневных изменений показателей Ангстрома и ее кривизны был использован метод Монте-Карло. Для повышения точности калибровки при использовании классического метода диаграмм Ленгли мы предлагаем новый метод. Он основан на двух хорошо известных особенностях аэрозольной физики и атмосферной оптики. Первая – результаты многочисленных экспериментальных исследований показывают наличие отрицательной корреляционной связи между показателем Ангстрома и оптической толщиной аэрозоля [4–6]. Как сообщается в работе [4], измерения показателя Ангстрома и AOD проводились в течение 2004–2008 годов в северо-западном регионе Китая, в пустыне Таклимакан. Было обнаружено, что максимум AOD появляется в апреле (), в то время как в мае появляется минимум показателя Ангстрома. При этом минимальное значение AOD появляется в ноябре , а минимальное значение показателя Ангстрома появляется в мае . Взаимно-инверсный характер изменения значений показателя Ангстрома и оптической толщины аэрозоля в течение дня показан на рис.2. Взаимно-инверсный характер изменения оптической толщины аэрозоля и показателя Ангстрома также отмечается в работе [5]. На рис.3 показаны усредненные результаты измерений AOD по 57 станциям сети AERONET, а на рис.4 показаны усредненные результаты по 47 станциям. Взаимно-инверсный характер зависимости AOD и показателя Ангстрома можно считать общей закономерностью, и можно привести большое количество работ, где эта закономерность подтверждается. Вторая закономерность физики (оптики) атмо- сферы, используемая в предлагаемом усовершенствовании метода диаграмм Ленгли, – взаимно-инверсный характер, или отрицательная коррелированность между показателем видимости и оптической толщиной аэрозоля. Исследования, проведенные в работе [6], показали, что между видимостью и оптической толщиной аэрозоля существует значительная отрицательная корреляция . В таблице [6] приведены расчетные значения некоторых показателей видимости на поверхности Земли и оптической толщиной аэрозоля. Взаимно-инверсный характер изменения видимости и оптической толщины аэрозоля также отмечен в работе [7]. На рис.5 показаны кривые изменения оптической толщины аэрозоля и видимости в течение 15 месяцев, полученные в результате измерений, проведенных в Институте космических исследований Годдарда NASA. Как видно из графиков, приведенных на рис.5, взаимно-инверсный характер видимости и оптической толщины аэрозоля не вызывает сомнений. Оба рассмотренных положения атмосферной оптики положены в основу предлагаемого усовершенствованного метода диаграмм Ленгли. Его суть заключается в следующем. Напишем условие стабильности оптической толщины аэрозоля, используя для этого известную формулу Ангстрома , (3) где – оптическая толщина аэрозоля; – аэрозольная мутность атмосферы; – показатель Ангстрома. Из выражения (3) получаем: . (4) Смысл предлагаемого метода стабилизации диаграмм Ленгли заключается в изменении длины волны в соответствии с выражением (4). Как следует из вышеприведенного первого положения атмосферной оптики, взаимосвязь между и является взаимно инверсной. Следовательно, в первом приближении может быть записано следующее уравнение
. (5) С учетом выражения (5) получаем: . (6) Очевидно, что в выражении (6) является растущей функцией от . Для практической реализации предлагаемого метода изменения по выражению (6) должен быть осуществлен контроль над величиной , для чего используется вышеизложенное второе положение атмосферной оптики, т.е. значение контролируется путем наземного измерения видимости на поверхности земли. Следовательно, если допустить взаимо инверсную зависимость , (7) где – функция видимости, а , то из выражений (6) и (7) получим: . (8) Таким образом, полученное выражение (8) позволяет найти условия для стабилизации диаграммы Ленгли в случае изменения аэрозольной турбидности атмосферы путем соответствующего изменения длины волны проводимых измерений. Отметим, что диаграммы Ленгли обычно строятся на таких длинах волн, где, во-первых, релеевское рассеяние пренебрежимо мало по сравнению с оптической толщиной аэрозоля, а во-вторых, отсутствуют линии поглощения малых газов и паров воды. По этой причине предлагаемая стабилизация диаграмм Ленгли путем вариации длины волны проводимых измерений не приводит к дополнительным погрешностям. Практическая реализация предлагаемого метода построения диаграмм Ленгли может быть осуществлена по схеме, показанной на рис.6. Принцип работы такой установки полностью соответствует описанному выше методу стабилизации диаграмм Ленгли и не требует дополнительного пояснения. Подводя итоги, сформулируем основные выводы и положения проведенного исследования. 1. Предложено усовершенствование метода диаграмм Ленгли, используемого для калибровки солнечных фотометров и заключающегося в реализации стабилизации диаграмм Ленгли путем изменения длины волны измерений в соответствии с изменением видимости на поверхности земли в течение времени осуществления калибровки. 2. Изложены теоретические, физические и математические основы предлагаемого метода. 3. Предложена функциональная схема установки, с помощью которой может быть реализован предлагаемый метод. Литература Chang J.H.W., Dayon J., Sentain J. Development of near-sea-level calibration algorithm for aerosol optical depth measurement using ground-based spectrometer. – Aerosol and Air Quality Research, x: 1-10, xxxx. ISSN: 1680-8584 print /2071-1409 online. doi: 10.4209/aaqr.2013.04.0117. Lee K.H., Li Z., Cribb M.C., Liu J., Wang L. et al. Aerosol optical depth measurements in eastern China and a new calibration method. – Journal of Geophysical research, 2010, v.115, D00K11, doi:10.1029/2009JDO12812. Kreuter A., Wuttke S., Blumthaler M. Improving Langley calibrations by reducing diurnal variations of aerosol Angstrom parameters. – Atmos. Meas. Tech. Discuss, 2012, 5, 6479–6492 (www.atmos-meas-tech-discuss.net/5/6479/2012/doi:10.5194/amtd-5-6479-2012). Che H., Wang Y., Sun J., Zhang Xiaochun et al. Variation of aerosol optical properties over the Takilmakan Desert in China. – Aerosol and Air Quality Research, 13: 2013, 777–785. ISSN:1680-8584 print / 2071-1408. online. doi: 10.4209/aaqr.2012.07.0200. Xia X. Variability of aerosol optical and Angstrom wavelength exponent derived from AERONET observations in recent decades. – Environ. Res. Lett. 6 (2011) 044011 (9pp). doi:10.1088/1748-9326/6/4/044011. Podgorski J. Correlation between surface visibility and aerosol optical depth recorded at geophysical observatory at Belsk. – Publis. Inst. Geophys.Pol. Acad. Sc., 2006, D-67 (382). Correlation of aerosol optical depth with weather variables. – National Aeronautics and Space Administration Goddard Institute for Space Studies, http://icp.giss.nasa.gov/research/ppa/1999/solis/results.html.