Натурные измерения собственного излучения атмосферного озона с высокой точностью

Сотрудниками отдела физики атмосферы и микроволновой диагностики Института прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН были обнаружены ранее неизвестные особенности собственного излучения атмосферного озона. Как известно, озоновый слой, расположенный, в основном, на высотах стратосферы (10–50 км), защищает все живые организмы на нашей планете, не скрытые постоянно слоем воды, земной твердью или ещё как-либо, от губительного воздействия ультрафиолетовой радиации Солнца. Поэтому его мониторинг критически важен для биосферы, особенно в контексте наблюдаемого с конца 1970-х годов глобального истощения слоя, а также весенних озоновых дыр в полярных областях.

Излучение/поглощение атмосферных газов в различных диапазонах электромагнитных волн (от ультрафиолетового до терагерцового) широко используется в целях экологического мониторинга окружающей среды и контроля её загрязнений посредством различных приборов с поверхности Земли, самолетов, стратостатов и спутников. С целью восстановления вертикального профиля озона по наземным измерениям в микроволновом диапазоне обычно используют две самые сильные линии, лежащие в соответствующих окнах прозрачности атмосферы вблизи частот 110,8 и 142,2 ГГц.

Исследования с помощью модернизированного нижегородского озонометра, работающего вблизи 110,8 ГГц, позволили геофизикам ИПФ РАН выполнить длительные натурные измерения излучения этой линии озона с наилучшим на сегодняшний день спектральным разрешением (~12 кГц). Ранее подобные прецизионные измерения начали проводить швейцарские учёные для разработки технологии измерения скорости зонального ветра по доплеровскому смещению центра линии озона вблизи 142,2 ГГц. Однако, известно, что эта линия чувствительна к величине приземной влажности, поэтому такие измерения можно проводить далеко не везде и не во все сезоны. В свою очередь, линия 110,8 ГГц расположена в окне прозрачности атмосферы с заметно меньшим поглощением и потенциально больше подходит для организации сетевых измерений зонального ветра.

Измерения в Нижнем Новгороде проводились в направлении на север, чтобы на первом этапе исключить влияние зонального ветра. Обработка длинных рядов спектров яркостной температуры атмосферы позволила впервые в натурных экспериментах определить центральную частоту линии 110,8 ГГц с рекордно высокой точностью (~16 кГц). Найденное значение оказалось на 130 кГц меньше лабораторно измеренного и заметно отличается от расчётов современных моделей, используемых для восстановления вертикального распределения концентрации озона по данным спектральных измерений.

Полученный результат может быть использован в качестве референтной точки как для создания новой микроволновой аппаратуры для мониторинга атмосферы, так и тестирования современных полуэмпирических и квантово-химических методов и моделей.

Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда 22-12-00064.

Kulikov M.Yu., Krasil’nikov A.A., Belikovich M.V., Ryskin V. G., Shvetsov A.A., Skalyga N.K., Kukikn L.M., and Feigin A.M., High precision measurements of resonance frequency of ozone rotational transition J = 61,5–60,6 in the real atmosphere // Remote Sensing, 15, 2259, 2023. https://doi.org/10.3390/rs15092259.