Satellite investigation of atmospheric gas composition

Full Text

1. Введение

Газовый состав атмосферы Земли в значительной степени определяет многочисленные погодные и климатические процессы и явления [WMO, 2018; IPCC, 2013; IPCC, 2023]. Например, водяной пар является важнейшим парниковым газом для нашей планеты и существенно повышает ее среднюю температуру. Озон ответственен за радиационный и термический режим стратосферы, ультрафиолетовую (УФ) освещенность поверхности и экологическое состояние нижней тропосферы. Углекислый газ является важнейшим антропогенным парниковым газом. Его непрерывный рост в последние десятилетия существенно меняет радиационный режим нашей планеты и приводит к увеличению температуры нижней тропосферы. Многие другие газы участвуют в формировании радиационного баланса планеты, состояния озоносферы, изменений климата Земли и экологии окружающей среды. Десятки токсичных газов существенно влияют на экологию атмосферы [WMO, 2006; WHO, 2024; ВМО, 2010]. Поэтому наблюдения, например, в рамках GAW (Global Atmospheric Watch) сосредоточены на трех классах газов:

(1) озон (общее содержание (ОС) и вертикальные профили озона) с акцентом на стратосферу и верхнюю тропосферу; озоноразрушающие газы);

(2) парниковые газы (CO₂, δ14C, δ13C, δ18O в CO₂, O₂/N₂, CH₄, δ13C и δD в CH₄, N₂O и галогенированные соединения, например SF₆);

(3) активные газы (приземный и тропосферный озон, CO, летучие органические соединения, NOx, SO₂, H₂ и NH₃) [WMO, 2023a].

Целесообразно объединить все эти газы в категорию климатически и экологически важных газов. Они часто измеряются одними и теми же приборами, хотя к ним предъявляются различные требования по пространственному и временному разрешению, высотным областям и погрешностям измерений. Рост средней температуры Земли, особенно интенсивный в высоких широтах, формирование озоновых дыр в Антарктике и в Арктике, уменьшение температуры в средней атмосфере, различия в оценках временных трендов содержания озона в стратосфере и другие факторы свидетельствуют о значимости исследований влияния этих газов на климат и экологию нашей планеты [WMO, 2018; ВМО, 2010; IPCC, 2013; IPCC, 2023; WHO, 2024].

Важность изучения состава атмосферы стимулировала создание за последние десятилетия глобальных и региональных систем наблюдений за содержанием водяного пара, озона и его разрушителей, углекислого и других парниковых газов, и десятков газов-загрязнителей. Системы наблюдений состоят из наземных, самолетных, аэростатных и судовых измерений, а также дистанционных, прежде всего спутниковых, измерений. Эти системы позволяют контролировать содержание газов, влияющих на климат и экологию, с различными пространственным и временным разрешением и погрешностями, проводить научные и прикладные исследования, а также контролировать оперативную обстановку, например, с загрязнениями атмосферы в мегаполисах и промышленных районах [WHO, 2024; ВМО, 2010; WMO, 2006; WMO, 2018; WMO, 2023a; Кароль и др., 1983].

Важную роль в глобальном мониторинге газового состава атмосферы играют спутниковые системы наблюдений, позволяющие получать регулярные, глобальные и высококачественные (по точности и пространственному разрешению) данные о состоянии атмосферы, в том числе о ее газовом составе [WMO, 2006; WMO, 2023a; Кароль и др., 1983; Кондратьев и Тимофеев, 1970; Кондратьев и Тимофеев, 1978; Малкевич, 1973; Houghton et al., 1984; Timofeyev and Vasiliev, 2008; Cracknell and Varotsos, 2012; Hassler et al., 2014; Тимофеев, 2016].

2. Классификация методов измерений

По характеру взаимодействия измерительных средств с исследуемым газом в атмосфере методы измерений можно разделить на следующие три группы [Кароль и др., 1983]:

1. Отбор проб воздуха или отдельных, содержащихся в нем, газов из определенных частей атмосферы с их последующей обработкой, анализом и измерением, обычно в лабораторных условиях;
2. Контактные измерения, которые отличаются от отбора проб тем, что измерительный прибор взаимодействует с воздухом или его определенным объемом сразу на месте и во время осуществления измерений;
3. Дистанционные измерения, основанные преимущественно на измерениях прямого, рассеянного, отраженного солнечного и собственного электромагнитного излучения (ЭМИ) и восстановления информации о характеристиках атмосферы и поверхности земли.

Дистанционные методы измерений интенсивно используются в наземных, самолетных, аэростатных, судовых, а также в космических схемах измерений. В последних схемах приборы помещаются на полярные, геостационарные и высокоэллиптические спутники и международные космические станции [ВМО, 2010; Тимофеев, 2016; WMO, 2023; Асмус и др., 2021].

Как было сказано, дистанционные методы измерений параметров атмосфер планет и их поверхностей в большинстве случаев основаны на измерениях ЭМИ разного происхождения и в различных диапазонах спектра. Существуют также дистанционные акустические измерения, но они не так популярны в силу относительной ограниченности информативности.

Классификация дистанционных методов измерений параметров атмосферы и поверхности основана на следующих принципах:

1. Происхождение излучения – естественное или искусственное (пассивные и активные методы, соответственно).
2. Тип носителя и положение измерительной аппаратуры – наземные, самолетные. аэростатные, спутниковые и др.
3. Область спектра – ультрафиолетовый (УФ), видимый (ВИД), инфракрасный (ИК), микроволновый (МКВ) диапазоны и другое радиоизлучение.
4. Основной механизм взаимодействия излучения со средой – методы поглощения (ослабления), рассеяния, отражения, излучения, рефракции и др.
5. Геометрия измерений – например, у спутниковых измерений это – надирные, касательные, лимбовые.
6. Исследуемая область атмосферы – тропосфера, стратосфера, мезосфера и др.
7. Тип спутниковых носителей – например, полярные и геостационарные спутники и орбиты.
8. Исследуемый параметр атмосферы и поверхности.
9. Инструментальная основа метода измерений – дифракционные спектрометры, фотометры, Фурье-спектрометры и др.

На рис. 1 представлен пример классификации современных дистанционных методов измерений, основанный на природе используемого источника излучения (пассивные и активные методы) и основных процессах генерации и взаимодействия излучения со средой.

 

Рис. 1. Классификация дистанционных методов измерений.

 

В пассивных методах используется излучение от естественных источников (например, прямое солнечное излучение), а в активных – излучение от искусственных источников (например, лазерное излучение).

Пассивные методы измерений включают: (1) метод прозрачности (МП, иногда называемый методом поглощения) или затменный метод для спутниковой геометрии измерений; (2) методы собственного атмосферного излучения (АИ); и (3) методы отраженного и рассеянного солнечного излучения (ОРСИ).

Методы собственного атмосферного излучения часто подразделяются на методы теплового излучения (ТИ), ИК неравновесного излучения и свечения атмосферы. Метод ОРСИ часто подразделяют на методы отражения и рассеяния. В первом случае – при исследовании характеристик поверхности, во втором – атмосферы. Отметим также четвертый пассивный метод рефракции, который основан на регистрации углов преломления солнечного или звездного излучения и позволяет определять профили температуры и давления. Его реализация в радиодиапазоне позволяет получать также информацию о содержании водяного пара. Однако, он относительно малоинформативен по отношению к газовому составу атмосферы и в данном обзоре не затрагивается.

Активные методы подразделяются на прожекторные, лидарные, радиолокационные и рефрактометрические, а также на их комбинации, например, радиоакустический метод. Мы не рассматриваем эти методы в данном обзоре, т.к. они пока не дают заметного объема информации о газовом составе атмосферы с помощью именно космических носителей.

На рис. 2 приведены примеры геометрий (затменные, надирные и лимбовые) пассивных и активных спутниковых измерений параметров атмосферы и поверхности. В затменных методах используется излучение от источника естественного происхождения (прежде всего Солнца) во время его захода и восхода за горизонт планеты. При надирной геометрии измерений поле зрения прибора обращено на поверхность планеты, а в лимбовой – на её горизонт. Каждая геометрия измерений имеет преимущества и недостатки, которые будут обсуждаться далее. Можно лишь отметить, что затменная и лимбовая геометрии измерений, как правило, имеют относительно высокое вертикальное (1–5 км) и достаточно грубое горизонтальное разрешение (200–300 км). Надирные пассивные измерения, в целом, характеризуются довольно грубым вертикальным разрешением (5–15 км) и высоким горизонтальным разрешением (до десятков метров).

 

Рис. 2 Примеры дистанционных спутниковых методов измерений и их геометрии.

 

3. Физико-математические основы дистанционных измерений

Физико-математические модели дистанционных измерений основаны на уравнениях переноса излучения, являющихся основой решения прямых и обратных задач атмосферной оптики. Эти уравнения содержат характеристики излучения (чаще всего – интенсивность излучения) и параметры (функции), описывающие взаимодействие излучения со средой атмосфера-поверхность. К параметрам относятся коэффициенты ослабления, поглощения, рассеяния, отражения, преломления, индикатрисы рассеяния и др. [Тимофеев и Васильев, 2003]. В свою очередь, параметры, описывающие взаимодействие излучения со средой, зависят от состояния атмосферы, которое ученые стремятся измерить.

В качестве примера рассмотрим дистанционный метод определения содержания поглощающего газа по измерениям солнечного излучения, ослабленного атмосферой. Воспользуемся простейшей формой уравнения переноса монохроматического излучения – законом Бера–Бугера–Ламберта (1). Это уравнение описывает ослабление, например, солнечного излучения $I_0$ в слое ($0-z$ ) [Тимофеев и Васильев, 2003]:

$I\left(z\right)=I_{0}exp\left(-sec\theta {\int }_0^z\alpha \left(z^{\text{'}}\right)d{z}^{\text{'}}\right)$, (1)

где $I\left(z\right)$ – измеренное ослабленное солнечное излучение; $\alpha \left(z^{\text{'}}\right)$ – коэффициент ослабления, в общем случае состоящий из коэффициентов рассеяния и поглощения; $\theta$ – зенитный угол Солнца.

Элементарное решение обратной задачи теории переноса ЭМИ, которое заключается в определении оптической толщи, например, всей атмосферы ($0-\infty$ ), можно записать в форме (2):

${\tau }_0={\int }_0^{\infty }\alpha \left(z\right)dz$. (2)

Дальнейшая детализация процессов взаимодействия излучения со средой, например, выделение молекулярного поглощения атмосферного газа, которое описано коэффициентом поглощения k_m , из суммарной оптической толщи, приводит к выражению:

${\tau }_m=k_{m}U*Sf\left(v,v^{\text{'}}\right)U$, (3)

где S – интенсивность линии поглощения; $f\left(v,v^{\text{'}}\right)$ – форма контура линии поглощения, измерения в которой дают возможность определения содержания поглощающего газа U. Однако, из-за зависимости коэффициентов молекулярного поглощения от давления и температуры атмосферы необходимо использовать измерения этих параметров в качестве дополнительной информации, или решать комплексную обратную задачу по определению содержания газа, температуры и давления в атмосфере. Таким образом, использование зависимости оптических характеристик взаимодействия излучения со средой от параметров атмосферы позволяет реализовать дистанционные измерения параметров атмосферы.

Аналогичным образом можно описать физико-математические основы других пассивных методов, например, методов рассеяния и собственного излучения атмосферы. Для этого используются интегральная или интегро-дифференциальная форма уравнения переноса ЭМИ в атмосфере и соотношения, описывающие зависимости атмосферных оптических характеристик (коэффициенты излучения, рассеяния, индикатрисы рассеяния и т.д.) от физических характеристик атмосферы и поверхности (температуры, содержания газов и т.д.), для формулировки обратных задач относительно параметров атмосферы и поверхности.

Так, интегральную форму уравнения переноса теплового излучения для интенсивности восходящего излучения на высоте z можно записать с учетом ослабления и собственного излучения в форме (4) из [Тимофеев и Васильев, 2003]:

$I_{\nu }^{\uparrow }\left(z\right)=I_{\nu , 0}{P}_{\nu }\left(\mathrm{0,} z\right) + {\int }_0^z{B}_{\nu }\left[T\left(z\right)\right]\frac{d{P}_{\nu }\left(z^{\text{'}}, z\right)}{d{z}^{\text{'}}}d{z}^{\text{'}}$, (4)

где $P_{\nu }\left(z^{\text{'}}, z\right)$ – функция пропускания слоя атмосферы ( $z-z^{\text{'}})$, $B_{\nu }$ – функция Планка излучения абсолютно черного тела; $T\left(z\right)$ – вертикальный профиль температуры воздуха. Информация о газовом составе атмосферы содержится в функциях пропускания $P_{\nu }\left(z^{\text{'}}, z\right)$ и в соотношениях, описывающих метод ОРСИ.

4. Пассивные спутниковые методы измерений газового состава

Опишем кратко пассивные спутниковые дистанционные методы, позволяющие в настоящее время получать основную информацию о газовом составе атмосферы. С математической точки зрения все дистанционные методы (за исключением определения общего содержания газов) относятся к некорректным по Адамару обратным задачам атмосферной оптики. В частности, как это видно, например, из формулы (4), – к нелинейным интегральным уравнениям Фредгольма первого рода [Тимофеев, 2016]. Эти уравнения корректны по А. Н. Тихонову, и за последние десятилетия предложены регуляризационные численные методы их решений (см., например, [Rodgers, 2000]). Важной особенностью этих методов является использование при решении не только данных измерений (например, спектров излучения), но и априорной информации об искомом решении. Так, при численной реализации дистанционных методов задается, например, среднее состояние атмосферы (средний профиль содержания исследуемого газа) и свойства искомой функции – ограниченность, положительность, принадлежность к эмпирическому статистическому ансамблю и т.д. Зависимость решения от априорной информации может быть очень сильная при малой информативности самих измерений излучения. Математические особенности реализации дистанционных измерений атмосферных параметров подробно изложены в работах [Тимофеев, 2016; Rodgers, 2000; WMO, 2023b, c].

4.1. Метод прозрачности (МП), затменный метод

Метод основан на регистрации величин ослабления солнечного, лунного, звездного и другого излучения в различных областях спектра (от гамма-излучения до радиоволн) и при разной геометрии измерений (наземная, самолетная, аэростатная, спутниковая) за счет молекулярного поглощения атмосферных газов для определения их содержания. Высокая информативность метода обусловлена наличием большого количества полос поглощения десятков газов, а также высоким отношением сигнал/шум при измерениях солнечного излучения. Методу характерна простая модель переноса излучения; высокая точность измерений солнечного излучения и, как следствие, содержания газов, широкая высотная область и высокое вертикальное разрешение (при применении касательной спутниковой геометрии). Важное преимущество метода заключается в использовании относительных измерений излучений.

Из недостатков метода можно выделить малое количество измерений (~30 измерений в сутки) по излучению восходящего и заходящего за горизонт планеты Солнца, ограничение высотного диапазона измерений, связанное с наличием облачности, влияние нестационарного состояния атмосферы при измерениях по восходящему и заходящему Солнцу (например, содержания NO₂ в стратосфере, содержания озона в мезосфере), что отрицательно сказывается на точности, а также значительное горизонтальное усреднение содержания исследуемого газа (200–300 км). Отметим, что использование излучения звезд на порядок повышает число спутниковых измерений в сутки и позволяет исследовать атмосферу в ночное время. Однако, при этом отношение сигнал/шум на порядки ниже, чем при применении Солнца в качестве источника излучения.

4.2. Метод атмосферного излучения (АИ)

Метод АИ часто подразделяется на три метода:

1. Метод теплового излучения (ТИ).
2. Метод ИК неравновесного излучения атмосферы.
3. Метод свечения атмосферы.

Наиболее активно в последние десятилетия используется метод АИ, который обладает высокой информативностью (большое количество излучающих газов при измерениях с высоким спектральным разрешением и охлаждении приемников). Кроме того, данный метод возможно использовать в отсутствии солнечного излучения (например, в период полярной ночи). Недостатком метода является сильная зависимость информативности (относительно газового состава атмосферы) от температурной вертикальной неоднородности атмосферы [Кондратьев и Тимофеев, 1978; Timofeyev and Vasiliev, 2008; Houghton et al., 1984]. Отметим, что спутниковые методы, основанные на измерениях собственного излучения атмосферы, используют надирную и лимбовую геометрии.

4.3. Методы отраженного и рассеянного солнечного излучения (ОРСИ)

Метод основан на измерениях отраженного и рассеянного солнечного излучения (ОРСИ) [Малкевич, 1973; Cracknell and Varotsos, 2012] в диапазонах длин волн от УФ до ближнего ИК (БИК). В отличие от метода ТИ, ОРСИ используется в дневное время или при сумерках. Это связано с зависимостью метода от наличия прямого солнечного излучения. Измерения рассеянного солнечного излучения в полосах поглощения газов позволяют определять общее содержание и элементы вертикальной структуры их содержания. Метод ОРСИ в спутниковых измерениях используется с лимбовой, надирной или другими близкими геометриями.

Все представленные выше дистанционные методы измерений позволяют получать информацию о газовом составе атмосферы. Однако, важнейшие характеристики данных дистанционных методов, такие, как погрешности, высотные диапазоны измерений, пространственный и временной охват измерениями, пространственное и временное разрешение, стоимость и др. сильно различаются. Именно поэтому, а также из-за требований к измерениям газового состава атмосферы в научных и прикладных задачах, существующие системы глобального мониторинга состоят из совокупности различных методов, приборов и геометрий измерений.

В табл. 1 приведены основные характеристики пассивных дистанционных методов измерений.

 

Таблица 1. Основные характеристики пассивных спутниковых методов измерений газового состава атмосферы.

Метод	Геометрия измерений	Источник ЭМИ	Спектральная область	Вертикальное/ горизонтальное разрешение, км
Прозрачности (МП), затменный	Лимбовая, касательная	Солнце, Луна, звезды, галактики	От гамма-излучения до дальнего ИК	1–3/200–300
Атмосферного излучения (АИ)	Надирная, лимбовая	Тепловое и ИК неравновесное, свечения атмосферы	БИК–МКВ	5–10/5–50 2–5/200–300
Отраженного и рассеянного солнечного излучения (ОРСИ)	Надирная, лимбовая	Солнце	УФ–ВИД– БИК	5–15/2–30 2–4/200–300

 

Из табл. 1 следует, что в МП используется излучение в очень широкой области – от гамма-излучения до МКВ диапазона. Метод имеет достаточно высокое вертикальное разрешение, но грубое горизонтальное (если не используется томографический подход). В методах АИ используются измерения ЭМИ в областях от УФ до МКВ. Метод ОРСИ (солнечного излучения) распространяется на области от УФ до ближней ИК. Современные надирные методы имеют, как правило, высокое горизонтальное разрешение, но низкое – вертикальное.

5. Спутниковые системы мониторинга газового состава атмосферы

Измерения газового состава атмосферы из космоса осуществляются с использованием нескольких типов орбит и геометрий наблюдений. В настоящее время имеются три важнейшие орбитальные системы спутниковых измерений – полярная, геостационарная и высокоэллиптическая [Асмус и др., 2021]. На рис. 3 приведена для примера действующая и создаваемая группировка российских космических аппаратов (в соответствии с Федеральной космической программой России на 2016–2025 гг.), состоящая из трех указанных выше типов орбит.

 

Рис. 3. Действующая и создаваемая в интересах Росгидромета группировка российских космических аппаратов.

 

На этом рисунке приведены также примеры многочисленных российских спутников, используемых для решения научных и прикладных задач в областях метеорологии и экологии (например системы Электро-Л, Метеор-М, Ресурс-П, Арктика-М и др.). Из них можно выделить полярные спутники, которые позволяют осуществлять периодический глобальный мониторинг характеристик газового состава атмосферы с определенной частотой; геостационарные спутники с временным разрешением 15–30 мин. в тропиках и средних широтах и высокоэллиптические спутники с временным разрешением ~30 мин. в полярных районах [Асмус и др., 2021]. Существенную роль в информативности спутниковых дистанционных методов играют такие параметры космических носителей, как высоты над поверхностью, углы наклоны, типы орбит, полосы обзора и др.

Другими важными факторами, которые обусловливают информативность спутниковых методов определения газового состава атмосферы, являются используемые спектральные области измерений, характеристики применяемой аппаратуры и дистанционных методов. К этим характеристикам относятся спектральное разрешение, случайные и систематические погрешности и угловое разрешение измерений, качество используемой априорной информации, точность задания характеристик молекулярного поглощения, в частности интенсивностей, полуширин спектральных линий и их зависимостей от давления и температуры, контуров линий поглощения и др.

В следующем разделе мы рассмотрим основные характеристики трех пассивных спутниковых методов и приборов, активно использовавшихся для получения информации о газовом составе атмосферы в последние два-три десятилетия, и с помощью которых был получен основной объем данных наблюдений. Активные спутниковые методы (в частности, лидарный метод) интенсивно применяются в настоящее время для мониторинга характеристики облаков и аэрозолей. Использование их для мониторинга газового состава атмосферы планируется в самые ближайшие годы.

6. Аппаратура для спутникового мониторинга газового состава атмосферы земли и ее информативность

Первыми метеорологическими спутниками, исследовавшими газовый состав атмосферы и измерявшими тепловое излучение, содержащее информацию об облаках и водяном паре, были американские спутники серии TIROS. Спутники TIROS 2, 3 и 4 (запущенные в 1960, 1961 и 1962 годах) использовали сканирующие радиометры, чувствительные к содержанию водяного пара в спектральном интервале 6.0–6.5 мкм [Hanel and Wark, 1961]. Первые советские наблюдения общего содержания озона (ОСО) с помощью спектрофотометра, измеряющего отраженное и рассеянное земной поверхностью УФ излучение Солнца, были осуществлены на КА «Космос-121» [Березин и др., 1972; Хргиан и др., 1973].

6.1. Методы прозрачности

Метод прозрачности уже длительное время используется для изучения газового и аэрозольного состава в наземных, аэростатных, самолетных и спутниковых измерениях [Тимофеев, 2016; WMO, 2023b, c; Rodgers, 2000]. В середине 80-х годов в СССР проводились спутниковые измерения содержания озона и аэрозолей методом прозрачности, а также с помощью измерений сумеречного лимба Земли [Гречко и др., 1988; Grechko et al., 1991; Elansky et al., 1991; Elansky et al. 1991a]. Схема таких измерений представлена на рис. 4. Прибор измеряет ослабленное солнечное излучение, которое проходит через разные слои атмосферы, характеризуемые прицельной высотой zt. При измерениях на трассах, не проходящих через атмосферу, он измеряет также и прямое, не ослабленное атмосферой, солнечное излучение (на схеме не представлено). Отношение между измеренным ослабленным и не ослабленным солнечным излучением является функцией пропускания атмосферы на касательных трассах и зависит от двух переменных – прицельной высоты и длины волны ЭМИ. Измерения солнечного излучения осуществляются при его восходе и заходе за планету, и поэтому этот метод также называют затменным.

 

Рис. 4. Схема затменных спутниковых экспериментов с использованием излучения Солнца.

 

Эпизодические затменные спутниковые эксперименты проводились на орбитальной станции «Салют», по данным измерений восстанавливались вертикальные профили содержания водяного пара [Кондратьев и др., 1976, 1978]. Первые регулярные спутниковые измерения вертикальных профилей содержания O₃ и NO₂ этим методом были выполнены с помощью прибора SAGE I (Stratospheric Aerosol and Gas Experiment) в 1979–1981 гг. [Chu and McCormick, 1979; McCormick et al., 1989]. Комплексные исследования газового состава стратосферы были проведены в 1983 г. прибором GRILLE-1 [Muller et al., 1985]. В этих измерениях были определены вертикальные профили содержания H₂O, CO₂, CO, NO, NO₂, N₂O, CH₄.

В 1984 г. начались исследования усовершенствованным прибором SAGE II, которые продолжались до 2003 г. С 2002 г. примерно 3 года усовершенствованный прибор SAGE III функционировал на спутнике «Метеор-3M». Позднее прибор SAGE III с 2017 г. работал на Международной космической станции (МКС) [McCormick et al., 1991]. Одной из особенностей SAGE III была возможность измерений с помощью отраженного от Луны солнечного излучения. Спутниковые приборы SAGE постоянно совершенствовались и в общей сложности участвуют в мониторинге озоносферы уже более 40 лет. В Приложении приведена табл. П1 с примерами затменных спутниковых экспериментов по излучению Солнца и звезд, проводимых с 1979 г.

Приборы UVISI (Ultraviolet and Visible Imagers and Spectrographic Imagers) на спутнике MSX (Midcourse Space Experiment) [Yee et al., 2002] и GOMOS (Global Ozone Monitoring by Occultation of Stars) на спутнике Envisat (Environmental Satellite) [Kyrola et al., 2004] измеряли излучение звезд, что позволило увеличить число измерений в сутки более чем на порядок по сравнению с солнечными экспериментами и изучать ночную озоносферу. В период функционирования прибора UVISI (Ultraviolet and Visible Imagers and Spectrographic Imagers) (1996–2004 гг.), с помощью которого измерялось ЭМИ в области 114–897 нм, удалось восстановить профили содержания ${\text{O}}_{\text{2}}{\text{, Î}}_{\text{3}}{\text{, NO}}_{\text{2}}$ и температуры воздуха. Высотный диапазон измерений прибора GOMOS (Global Ozone monitoring by Occultation of Stars) составлял 10–100 км при вертикальном разрешении 2–4 км. Спектрометр GOMOS измерял излучение от ~180 звезд в следующих областях спектра: 248–690, 755–774 и 926–954 нм. Это позволяло получать в определенные периоды функционирования аппаратуры за сутки ~400 измерений (280 измерений в сутки после июля 2007 г.) с глобальным покрытием, в том числе и в условиях полярной ночи. В общей сложности с начала измерений за 10 лет (в апреле 2012 г. была потеряна связь со спутником Envisat) прибор GOMOS осуществил 866000 затменных измерений. Измерения излучения звезд в УФ и ВИД областях спектра позволили определить вертикальные профили O₃, NO₂, NO₃, H₂O, O₂, характеристики натриевого слоя, турбулентности, гравитационных волн, стратосферного аэрозоля и полупрозрачных облаков различного типа.

Прибор ATMOS (Atmospheric Trace MOlecule Spectroscopy experiment), представлявший собой Фурье-интерферометр, открыл «новую эру» в методе прозрачности и в исследованиях газового состава атмосферы [Farmer, 1987]. Измерения проводились в 1985, 1992, 1993 и 1994 гг. на шаттлах и продолжались в течение 10 дней. Прибор ATMOS измерял спектры прямого солнечного излучения с высоким спектральным разрешением (0.01 см^–1) в широкой спектральной области (600–4800 см^–1). Важной особенностью прибора являлось малое время измерений (~2 сек), что давало возможность реализации достаточно высокого вертикального разрешения (1–2 км) при затменных наблюдениях [Farmer, 1987]. Проведенные эксперименты позволили определить вертикальные профили концентраций более 30 малых газовых составляющих атмосферы, в том числе ряда их изотопических разновидностей. На рис. 5 представлены измеренные прибором ATMOS газы, высоты их измерений и погрешности определения содержания [Gunson et al., 1996].

 

Рис. 5. Газы, измеренные в затменных экспериментах с помощью прибора ATMOS, погрешности и высоты измерений [Gunson et al., 1996].

 

Отметим российские затменные эксперименты с аппаратурой «Озон-Мир», созданной в Санкт-Петербургском государственном университете (СПбГУ). С ее помощью измерялось солнечное излучение в УФ, ВИД и БИК областях спектра на научном модуле «Природа» станции «Мир» в 1996–1997 гг. [Поберовский и др., 1999; Поляков и др., 1999]. Спектральные особенности прибора позволяли осуществлять независимую высотную привязку данных с помощью анализа измерений в полосах поглощения кислорода и получить информацию о содержании озона до высот 70–80 км.

На рис. 6 приведен пример сопоставлений измеренных вертикальных профилей содержания озона приборами «Озон-Мир» на орбитальной станции «МИР» и HALOE (Halogen Occultation Experiment) на борту спутника UARS (Upper Atmosphere Research Satellite, NASA), демонстрирующий высокое качество спутниковых измерений [Поберовский и др., 1999; Поляков и др., 1999].

 

Рис. 6. Пример сопоставлений вертикальных профилей содержания озона на основе измерений спутниковыми приборами «Озон-Мир» и HALOE.

 

Как продолжение исследований газового состава с помощью интерферометра ATMOS можно рассматривать эксперименты с интерферометром ACE (Atmospheric Chemistry Experiment) на канадском спутнике SCISAT (Science Satellite), запущенном 12 августа 2003 г. [Bernath et al., 2005, 2021] и действующего до сих пор (более 20 лет). Прибор АСЕ измеряет спектры солнечного излучения в области 2.2–13.3 мкм (750–4400 см^–1) с разрешением 0.02 см^–1. Высотный диапазон измерений составляет ~6–100 км в зависимости от газа. Данные измерений позволяют получать информацию о вертикальных профилях температуры, давления, отношения смеси многих газов, оптических и микрофизических характеристиках аэрозолей и облаков. Из измерений прибора АСЕ была получена информация о содержании следующих газов: H₂O, O₃, N₂O, CO, CH₄, NO, NO₂, HNO₃, HF, HCl, N₂O₅, ClONO₂, CFC-12 (CCl₂F₂), CFC-11 (CCl₃F), COF₂, HCFC-22 (CHClF₂), HDO, SF₆, OCS, HCN, CF₄, CH₃Cl, C₂H₂, C₂H₆, N₂, CO₂, H₂CO, H₂O₂, O₂, HO₂NO₂, HCOOH, CH₃OH, COCl₂, CCl₄, COClF, HCFC-142b (ClF₂C-CH₃), CFC-113 (Cl₂FC-CClF₂), HCFC-141b (Cl₂FC-CH₃), а также ряда изотопов.

Погрешности метода прозрачности (как и других дистанционных методов определения газового состава атмосферы) зависят от многих факторов – в существенной степени от величины поглощения исследуемого газа, высоты в атмосфере, точности измерений солнечных спектров, качества априорной информации (прежде всего точности задания спектроскопических параметров – интенсивностей, полуширин спектральных линий и т.д.). Погрешности варьируются от единиц до 10–50% и более. В табл. 2 приведены примеры оценки погрешностей определения содержания газов с помощью спутникового прибора ACE-FTS [Bernath et al., 2021].

 

Таблица 2. Измеряемые газы, высоты их измерений и суммарные погрешности определения с помощью прибора ACE-FTS.

Газы	Высотный диапазон (км)	Погрешность (%)
O3	10–50	5
N2O	10–50	5
CH4	10–50	5
HNO3	15–40	16
H2O	10–50	5
HCl	15–50	5
HF	15–50	5
NO	15–100	5
NO2	15–50	5
ClNO3	15–40	20
CO	15–100	5
ССl3F	10–30	10
CCl2F2	10–30	10
N2O5	20–40	20

 

В качестве примера, характеризующего высокую информативность измерений прибора АСЕ, приведем табл. 3 с оценками долговременных линейных трендов (2004–2020 гг.) содержаний для 44 молекул атмосферных газов, измеренных ACE-FTS в единицах %/год и ppt/год для версии данных прибора АСЕ 4.1 [Bernath et al., 2021]. В скобках приведено стандартное отклонение трендов.

 

Таблица 3. Долговременные глобальные тренды (2004–2020 гг.) содержаний 44 атмосферных газов [Bernath et al., 2021].

Молекула	Тренд, %/год (погрешность)	Тренд, ppt/год (погрешность)	Молекула	Тренд, %/год (погрешность)	Тренд, ppt/год (погрешность)
COClF	–0.85 (15)	–0.377 (59)	HCN	–0.14 (30)	–0.35 (70)
H2O	0.250 (30)	13.3(1.5) × 103	HCOOH	–0.70 (28)	–0.32 (11)
H2O2	0.23 (24)	0.47 (48)	HF	0.868 (45)	17.52 (79)
HCFC-22	1.723 (56)	4.079 (94)	HFC-134a	6.86 (22)	5.708 (70)
HCFC-141b	0.59 (22)	0.169 (55)	HNO3	0.61 (20)	50 (13)
HCFC-142b	1.06 (17)	0.168 (21)	HO2NO2	0.24 (10)	0.54 (23)
HCl	–0.297 (30)	–7.70 (72)	N2	0.0038 (25)	30(28) × 106
N2O	0.2852 (93)	938 (29)	PAN	–13.3 (5.4)	–6.06 (58)
N2O5	0.22 (17)	2.3 (1.7)	CFC-11	–0.531 (25)	–1.225 (51)
NO	0.13 (16)	10 (12)	COF2	0.35 (11)	1.00 (28)
NO2	0.01 (11)	0.4 (5.2)	ClONO2	–0.55 (10)	–4.59 (77)
O2	0.0059 (60)	13(13) × 106	CO2	0.5484 (52)	2206(19) × 103
O3	0.095 (54)	7.2(4.0) × 103	C2H6	1.34 (31)	8.9 (1.6)
OCS	–1.44 (15)	–6.40 (47)	H2CO	0.19 (19)	0.18 (17)
(CH3)2CO	2.31 (37)	8.14 (94)	C2H2	–1.12 (38)	–0.81 (23)
CCl4	–1.231 (75)	–0.992 (50)	CF4	1.057 (20)	0.870 (13)
CFC-12	–0.608 (18)	-3.156 (83)	CFC-113	–1.387 (33)	–1.005 (19)
CH3Cl	0.168 (40)	1.03 (24)	CH3CN	–0.23 (16)	–0.62 (40)
CH3OH	–0.07 (19)	–0.4 (1.1)	CH4	0.346 (17)	6.26(29) × 103
CHF3	3.450 (83)	0.840 (13)	ClO	0.35 (43)	0.82 (94)
CO	–0.47 (16)	–0.34(11) × 103	COCl2	–0.63 (17)	–0.072 (18)
SF6	3.829 (27)	0.3272 (23)	SO2	–0.68 (46)	–0.059 (36)

 

Космические приборы SCIAMACHY (Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric Cartography) работали в космосе с использованием трех геометрий наблюдений – надирных, лимбовых и затменных [Nоеl et al., 2002]. В затменных экспериментах c этим прибором как Солнце, так и Луна (отраженное солнечное излучение от Луны) выступали в качестве источников. В результате использования различных мод наблюдений прибор SCIAMACHY позволил получить информацию о содержании O₃, NO₂, H₂O, CO₂, CH₄, N₂O BrO, CO, O₂, O₂, NO, SO₂, H₂CO, ClO и OClO в стратосфере и тропосфере.

Интересно отметить, что источниками в затменных экспериментах могут быть не только Солнце и звезды, но и жесткое рентгеновское излучение космических объектов. Например, в [Yu et al., 2022] излучение Крабовидной туманности используется для исследования термосферы Земли.

6.2. Метод теплового излучения (надир)

Методы теплового излучения реализуются при двух типах геометрии измерений – в надирных и лимбовых направлениях, – и они начали активно развиваться в 70-х годах 20-го века. Исследования газового состава атмосферы, в частности содержания водяного пара и озона, стартовали с первых спутниковых надирных измерений спектров уходящего теплового излучения Фурье-спектрометром IRIS (InfraRed Interferometer Spectrometer) на спутнике Nimbus-3 в апреле 1969 г. [Hanel and Conrath, 1969]. Подобные же измерения на спутниках «Метеор» в 1977 и 1979 гг. (Фурье-спектрометр SI-1 [Kempe et al., 1980]) позволили определять содержание водяного пара и озона [Головко и др., 1979; Досов и др., 1979]. В последние годы с помощью современных методик интерпретации эти же измерения использовались для определения содержания CO₂ в 1977–1979 гг. [Тимофеев и др., 2020].

Современные приборы (примерно с 2000 г.), применяемые в надирных исследованиях, обладают относительно высоким спектральным разрешением (как правило выше ~1 см^–1), широкой спектральной областью измерений и наличием большого числа используемых спектральных интервалов в средней ИК области для дистанционного зондирования атмосферы. Так, прибор AIRS (Atmospheric Infrared Sounder) был запущен в мае 2002 г. на спутнике Aqua [Goldberg et al., 2003] и измеряет собственное излучение Земли в спектральной области 3.7–15.4 мкм в 2378 спектральных каналах с высоким спектральным разрешением (λ/∆λ = 1200). Горизонтальное разрешение прибора в надире составляет ~13.5 км. Абсолютные погрешности измерений в терминах яркостной температуры оценивались в ~0.14–0.35 К. Измерения AIRS позволяют определять вертикальные профили температуры, влажности, содержание O₃, СО, CH₄, CO₂, SO₂ и ряда других газов.

Прибор TES (The Tropospheric Emissions Spectrometer), запущенный в июле 2004 г, почти 14 лет измерял собственное ИК излучение атмосферы в надирных и лимбовых направлениях в спектральной области 650–3050 см^–1 (15.4–3.3 мкм) с очень высоким спектральным разрешением – 0.025 (лимб) и 0.1 см^–1 (надир) [Beer et al., 2001; EOS, 2020]. Этот прибор предназначался прежде всего для измерений содержания газов-загрязнителей. Он позволил определять содержание большого числа газов (O₃, H₂O, CO, CO₂, CH₄, HDO, NH₃, HNO₃, HCOOH, CH₃OH, PAN, OCS и HCN) [EOS, 2020]. При надирных наблюдениях он имеет относительно высокое горизонтальное разрешение 5.3 × 8.3 км², а при лимбовых – высокое вертикальное (2.3 км). Системы прибора позволяют также исследовать отдельные районы земного шара с высокой плотностью измерений, например в районах сильных газовых загрязнений.

Первый прибор IASI (Infrared Atmospheric Sounding Interferometer) [Clerbaux et al., 2009; Blumstein et al., 2004; Van Damme et al., 2014; Garcia et al., 2016] был запущен в октябре 2006 г., второй – в сентябре 2012 г., третий – в ноябре 2018 г. Эти приборы характеризуются высокой точностью и горизонтальным разрешением (~12 км) в широкой спектральной области 645–2675 см^–1 со спектральным разрешением ~0.5 см^–1. Погрешности измерений уходящего излучения в терминах яркостной температуры составляют 0.2–0.35 К. Характеристики последующих версий прибора постоянно ухудшались (в частности, его спектральное разрешение).

Приборы IASI используются для определения содержания более 20 климатически и экологически важных газов, в частности – O₃, CH₄, CO₂, CO, HNO₃, NH₃. Рис. 7 наглядно характеризует высокую информативность прибора относительно содержания атмосферных газов [Clerbaux et al., 2009; Van Damme et al., 2014]. На нем приведен пример спектра уходящего теплового излучения, измеренный IASI, и положение полос поглощения газов, содержания которых определяются по его данным. Ряд газов определялся в оперативном режиме (H₂O, O₃, CO, N₂O, CO₂, CH₄).

 

Рис. 7. Спектр уходящего излучения (верхний рис.), измеренный прибором IASI, и положение полос поглощения различных газов на шкале волновых чисел, определенное с помощью приведенных функций пропускания атмосферы [Clerbaux et al., 2009].

 

В качестве примера измерений IASI приведем временной ход ОС аммиака для Cеверного и Южного полушарий (рис. 8), демонстрирующий существенные пространственные и временные вариации содержания этого газа.

 

Рис. 8. Временные ряды дневных общих содержаний NH₃ над сушей для Северного (красный) и Южного (синий) полушарий; столбики характеризуют погрешности дистанционных измерений; темно-красная и темно-синяя линии – средние значения за 11 дней [Van Damme et al., 2014].

 

Прибор CrIS (Cross-track Infrared Sounder) на спутнике Suomi National Polar-orbiting Partnership Satellite (S-NPP) был запущен в космос в октябре 2011 г. Он используется также на спутниках NOAA-20, NOAA-21, и на JPSS-3, -4 [Han et al., 2013; Smith and Barnet, 2020]. Прибор представляет собой Фурье-спектрометр, который измеряет уходящее тепловое ИК излучение в спектральных областях 650–1095, 1210–1750 и 2155–2550 см^–1 со спектральным разрешением 0.625, 1.25 и 2.5 см^–1. Общее число каналов составляет 1305. Оценки случайных погрешностей измерений прибора дают цифру ~0.1 К яркостной температуры излучения. CrIS обеспечивает хороший пространственный охват территорий за счет полосы обзора шириной 2200 км и измерений 3 × 3 точек диаметром 14 км в надире. Измеряемые газы включают H₂O, O₃, CH₄, CO₂, CO, HNO₃, N₂O, SO₂.

В июле 2014 г. был выведен на орбиту российский метеорологический спутник «Метеор-М» № 2, на борту которого функционировал ИК Фурье-спектрометр ИКФС-2, предназначенный, прежде всего, для температурно-влажностного зондирования атмосферы [Golovin et al., 2018; Zavelevich et al., 2018; Timofeyev et al., 2019]. Рабочий спектральный диапазон измерений уходящего теплового излучения ИКФС-2 составляет 5–15 мкм (660–2000 см^–1) при спектральном разрешении 0.4 см^–1. Точность измерений уходящего теплового излучения (0.1–0.3 мВт/(м² ср см^–1)), позволяет с высокой точностью восстанавливать вертикальные профили температуры. Прибор также дает возможность с высокой точностью определять общее содержание озона (в среднем ~3% за исключением полярных регионов) [Polyakov et al., 2023].

В качестве примера результатов измерений ИКФС-2 приведем рис. 9, где даны временные вариации среднемесячных ОС озона в зимний и весенний периоды при наличии значительных аномалий (озоновых дыр в 2020 г.) [Polyakov et al., 2023].

 

Рис. 9. Сравнения среднемесячных карт ОСО по данным ИКФС-2 в январе (а), феврале (b), марте (с) и апреле (d) 2019 г. и январе (e), феврале (f), марте (g) и апреле (h) 2020 г. в широтном поясе 50–90 градусов Северного полушария.

 

Спутниковые Фурье-спектрометры в ИК области спектра, подобные рассмотренным выше, были запущены и в других странах, например в Китае и Японии. Прибор HIRAS (Hyperspectral Infrared Atmospheric Sounder) был запущен на китайском полярном спутнике FY-3D в ноябре 2017 г. [Wu et al., 2020]. Прибор измеряет уходящее тепловое излучение в трех спектральных областях – (650–1135) см^–1, (1210–1750) см^–1 и (2155–2550) см^–1 – со спектральным и пространственным разрешениями 0.625 см^–1 и ~16 км, соответственно.

На японском спутнике GOSAT (Greenhouse gases Observing SATellite) [Kuze et al., 2009], с 23 января 2009 г. начал функционировать прибор для измерений общего содержания важнейших парниковых газов – CO₂ и CH₄. Позднее был запущен спутник GOSAT-2 (29.10.2018) с аппаратурой TANSO-FTS-2 (the Thermal And Near infrared Sensor for carbon Observation Fourier-Transform Spectrometer-2) и прибором мониторинга облачности и аэрозоля – TANSO-CAI-2 (Cloud and Aerosol Imager-2). Приборы на спутнике GOSAT-2 измеряют уходящее излучение Земли в широкой спектральной области – отраженное и рассеянное солнечное излучение в БИК области спектра от 0.76 мкм и тепловое излучение в диапазоне 5.5–14.3 мкм со спектральным разрешением ~0.2 см^–1. Кроме важнейших парниковых газов (CO₂ и CH₄) это позволяет также измерять содержание СО [Suto et al., 2021].

Для измерений газового состава используются также надирные приборы, измеряющие тепловое ИК излучение не только на полярных, но и на геостационарных и высокоэллиптических спутниках (приборы GOES-8 Sounder, МСУ-ГС и т.д.). Они позволяют восстанавливать ОСО с высоким пространственным и временным разрешением над обширными территориями. Так, с апреля 1994 г. с помощью прибора SEVIRI (Spinning Enhanced Visible and InfraRed Imager) осуществляются оценки атмосферных параметров и, в том числе ОСО, по измерениям теплового излучения в 8 спектральных каналах (например, в полосе поглощения озона 9.6 мкм). Погрешности измерений уходящего излучения в ИК области составляют 0.2–0.5 К, пространственное разрешение прибора – 3 × 3 км², временное – 15 мин. Точность измерений ОСО (5–7%) [Li et al., 2001] дает возможность получать уникальную информацию о мезомасштабных вариациях ОСО (пространственное разрешение ~10 км) в тропических и средних широтах.

Подобный многоканальный радиометр МСУ-ГС (Многозональное Сканирующее Устройство Гидрометеорологического Обеспечения) функционирует на российском геостационарном метеорологическом спутнике «Электро-Л» № 1. и высокоэллиптическом спутнике «Арктика-М1». Измерения в 3-х ИК каналах уходящего теплового излучения (8.2–9.2, 9.2–10.2, 10.2–11.2 мкм) с пространственным разрешением 4 км в надире позволяют оценивать ОСО [Поляков и Тимофеев, 2010].

В последние годы на геостационарных спутниках начали использовать приборы высокого спектрального разрешения. Так, прибор GIIRS (Geostationary Interferometric Infrared Sounder) был запущен на китайском геостационарном спутнике FengYun-4A (FY-4A) в декабре 2016 г. [Yang et al., 2017]. Второй прибор GIIRS начал функционировать в 2021 г. [63]. Фурье-спектрометр высокого спектрального разрешения GIIRS, измеряющий уходящее тепловое излучение в спектральных областях 680–1130 см^–1 и 1650–2250 см^–1 с разрешением 0.625 см^–1 и горизонтальным разрешением ~12 км в надире предназначен для исследования содержания ряда климатически важных атмосферных газов. Так, в статье [Zeng et al., 2023] приведены характеристики приборов тепловой области спектра, установленных на спутниках и позволяющих измерять содержания климатически важных газов, и примеры определения ОС СО. В табл. П2 Приложения приведены примеры сравнений характеристик надирных ИК приборов, измеряющих климатически важные газы с различным пространственным разрешением.

Погрешности измерений атмосферных газов рассмотренными спутниковыми приборами сильно варьируются для разных газов, зависят от их вклада в уходящее излучение и характеристик приборов, высот в атмосфере и составляют от 2–3% до 50% и более. Конкретные оценки погрешностей приведены в оригинальных статьях.

6.3. Метод теплового излучения (лимб)

Лимбовые спутниковые измерения собственного излучения в направлении на горизонт планеты характеризуются высокой чувствительностью к газовому составу атмосферы в силу отсутствия вклада поверхности планеты и большими трассами формирования излучения. Лимбовые измерения начались с запуском спектрометров среднего спектрального разрешения (многоканальных радиометров) в 1975 и 1978 гг. на спутниках Nimbus-6 и 7 – приборов LRIR (Limb Radiance Infrared Radiometer) и LIMS (Limb Infrared Monitor of the Stratosphere) [Gille and Russell III, 1984]. Прибор LIMS измерял вертикальные профили содержания O₃, H₂O, HNO₃ и NO₂ в стратосфере. Последующие лимбовые измерения осуществлялись приборами SAMS (Stratospheric Aerosol Measurement Sounder), ISAMS (Improved Stratospheric and Mesospheric Sounder) и CLAES (Cryogenic Limb Array Etalon Spectrometer) со спутника НАСА (Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства, NASA (National Aeronautics and Space Administration)), UARS (Upper Atmosphere Research Satellite).

В 1994 и 1997 гг. были проведены две серии уникальных космических экспериментов с аппаратурой CRISTA (CRyogenic Infrared Spectrometers and Telescopes for the Atmosphere) для комплексного изучения параметров средней атмосферы [Offer-mann et al., 1999; Grossmann et al., 2002]. Приборы регистрировали спектры собственного (теплового и неравновесного) ИК излучения горизонта Земли в области 4–71 мкм со спектральным разрешением λ/∆λ ~300–600. Измерения осуществлялись в диапазоне прицельных высот 15–150 км с горизонтальным разрешением ~300 км и вертикальным – 2–3 км. Оптические элементы и приемники излучения охлаждались жидким гелием до температуры ниже 15 К, что позволяло свести случайные погрешности измерений излучения до 0.005–0.006 мВт (м² ср см^–1). Измерения позволили определить вертикальные профили температуры и давления, а также содержания O₃, CO₂, CO, N₂O, CH₄, CFC11 и HNO₃ [Grossmann et al., 2004; Kuell et al., 2004]. Отметим, что для верхней атмосферы в большинстве случаев дистанционные методы относятся к классу обратных задач ИК неравновесного излучения, в которых не используется предположение о выполнении ЛТР (локального термодинамического равновесия). В качестве примеров результатов измерений приведем рис. 10 с восстановленными вертикальными профилями отношения смеси CO₂, полученные в экспериментах CRISTA-1 и CRISTA-2 для нескольких дней измерений [Косцов и Тимофеев, 2003].

 

Рис. 10. Профили отношения смеси CO₂, полученные в экспериментах CRISTA-1 и CRISTA-2 для нескольких дней измерений; пунктир – средние профили, отрезками показана величина стандартного отклонения [Косцов и Тимофеев, 2003].

 

Лимбовый прибор SABER (Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry) был запущен на спутнике НАСА TIMED (Thermosphere Ionosphere Mesosphere Energetics Dynamics) в декабре 2001 г. С его помощью исследовались процессы, определяющие энергетику, химию, динамику мезосферы и нижней термосферы. Для измерений использовался 10-канальный ИК-радиометр среднего разрешения в спектральной области 1–17 мкм. Измерения осуществлялись в полосах излучения CO₂, O₃, H₂O, NO, NO₂, CO, OH, O₂. Угловая апертура прибора соответствовала вертикальному разрешению в ~2 км. С помощью измерений радиометра SABER были реализованы все три дистанционных метода, использующих собственное атмосферное излучение – тепловое, ИК неравновесное и свечение атмосферы [Esplin et al., 1994; Braun et al., 2006]. Измерения прибора SABER сыграли важную роль в исследованиях процессов в средней атмосфере. Они позволили получить вертикальные профили кинетической температуры, давления, геопотенциальной высоты, отношений смеси O₃, CO₂, H₂O, [O] и [H], объемные скорости эмиссии излучения в полосах 5.3 мкм NO, 2.1 мкм OH, 1.6 мкм OH и 1.27 мкм O₂(1∆), скорости охлаждения и нагрева для многих полос поглощения CO₂, O₃ и O₂, а также скорости химического нагрева для 7 важных реакций. Для примера приведем рис. 11, иллюстрирующий временные изменения отношения смеси CO₂ по данным SABER за 13-летний период на разных высотах (80, 90 и 100 км) по сравнению с данными измерений у поверхности Земли для Мауна-Лоа [Yue et al., 2015].

 

Рис. 11. Временные изменения отношения смеси CO₂ на высотах 80, 90 и 100 км. Временной ряд, выделенный черным цветом, – измеренная концентрация углекислого газа у поверхности Земли (Mauna Loa) [Yue et al., 2015].

 

Лимбовый прибор MIPAS (Michelson Interferometer for Passive Atmospheric Sounding) – Фурье-спектрометр, запущенный в космос в июле 2002 г., измерял ИК излучение горизонта Земли в спектральной области 685–2410 см^–1 с высоким спектральным разрешением 0.025 см^–1 до марта 2004 г. и 0.0625 см^–1 позднее [Fischer and Oelhaf, 1996; Fischer et al., 2008]. Абсолютные погрешности измерений NESR (Noise Equivalent Spectral Radiance) составляли от 3 до 50 нВт/(см² ⋅ ср ⋅ см^–1) в зависимости от спектральной области и интервала. Высокие спектральное разрешение и точность измерений прибора позволили определять содержания многих газов – C₂H₂, C₂H₆, CFC's (CCl₄, CF₄, F11, F12, F22), CH₄, ClONO₂, CO, COF₂, H₂O, HNO₃, HNO₄, HOCl, N₂O, N₂O₅, NO, NO₂, O₃, OCS, SF₆ в стратосфере и мезосфере. Для иллюстрации высокой информативности прибора MIPAS приведем рис. 12, где указано положение полос поглощения газов в измеряемом спектре уходящего излучения горизонта Земли [Fischer et al., 2008].

 

Рис. 12. Уходящее ИК излучение горизонта Земли, измеряемое прибором MIPAS. Цвет полос излучения различных газов, использованных для определения их содержания, указан у вертикальной шкалы [Fischer et al., 2008].

 

Для мониторинга газового состава атмосферы широко используется МКВ область спектра, где расположены вращательные линии поглощения многих газов, в экспериментах с лимбовой геометрией. Для надирной геометрии измерений интенсивности газов малы для уверенной регистрации, но достаточны при длинных касательных трассах.

Так, лимбовый прибор SMR (Submillimeter wave Radiometer) был запущен в 2001 г. и измерял тепловое МКВ излучение горизонта планеты (в спектральных областях 486–504 и 541–581 ГГц, а также в линии 118 ГГц О₂) для восстановления содержания O₃, H₂O, CO, NO, ClO, N₂O и HNO₃. Вертикальное сканирование горизонта осуществлялось в диапазоне высот 7–110 км [Grieco et al., 2020].

Прибор MLS (The Microwave Limb Sounder) функционировал на двух спутниках –UARS (1991 г.) и AURA (2004 г.) – и измерял тепловое МКВ излучение горизонта планеты [Waters et al., 2004, 2006]. Измерения осуществлялись в спектральной области 118–2500 ГГц с вертикальным разрешением 1.5–3 км, во вращательных линиях газов и позволяли определять вертикальные профили содержания BrO, CH₃Cl, CH₃CN, CH₃OH, ClO, CO, H₂O, HCl, HCN, HNO₃, HO₂, HOCl, N₂O, O₃, OH, SO₂ на высотах от ~10 до 50–70 км. На рис. 13 приведены высоты измерений содержаний газов с помощью прибора MLS [Waters et al., 2006].

 

Рис 13. Высоты измерений газового состава атмосферы прибором MLS [Waters et al., 2006].

 

Отметим также субмиллиметровый спектрометр SMILES (Superconducting Submillimeter-Wave Limb-Emission Sounder), работавший на МКС и измерявший профили содержания озона с октября 2009 по апрель 2010 г. [Kikuchi et al., 2010] в диапазоне высот от 16 до 85 км в дневное и до 96 км в ночное время.

На рис. 14 представлены результаты сопоставлений измерений вертикальных профилей содержания озона в верхней атмосфере (слой 30–100 км) описанными выше приборами – MIPAS, SABER, MLS, ACE и SMILES [López-Puertas et al., 2023]. На нем приведены среднегодовые глобальные разности (в процентах относительно измерений MIPAS) для дневных и ночных условий. На большей части рассмотренных высот их величины составляют 5–10% за исключением слоя вблизи 80 км, где они достигают 20–50%, что связано с минимумом концентраций О₃ на этих высотах.

 

Рис. 14. Среднегодовые глобальные (для всех широт и сезонов) разности в содержании озона относительно измерений MIPAS для дневных и ночных условий, полученные по данным приборов ACE-FTS (зеленый цвет), MLS (фиолетовый), SMILES (пурпурный), SABER (красный) и GOMOS (светло-голубой) [López-Puertas et al., 2023].

 

В табл. П3 Приложения приведены примеры лимбовых приборов для измерений атмосферного излучения и их основные характеристики.

6.4. Метод отраженного и рассеянного солнечного излучения (надир)

Регулярные надирные спутниковые измерения ОСО начаты в США в 1978 г. с помощью серий приборов TOMS (Total Ozone Mapping Spectrometer) и SBUV (Solar Backscattered Ultraviolet spectral radiometer) [McPeters et al., 1993; Miller et al., 2002]. В европейских странах измерения ОСО начались в апреле 1995 г. с использованием прибора GOME (Global Ozon Monitoring Experiment) [Burrows et al., 1999] на спутнике ERS-2 (European Remote Sensing Satellite) и активно продолжались последующие годы. Приборы GOME (Global Ozone Monitoring Experiment) представляли собой 4-х канальные спектрометры среднего спектрального разрешения (0.2–0.4 нм) в УФ, ВИД и БИК областях спектра. Горизонтальное разрешение прибора варьировалось с 40 × 40 км² до 320 × 40 км². Номинальный размер наземного пикселя составляет 80 × 40 км² с глобальным охватом почти за один день (полоса обзора 1920 км). Следующий прибор GOME-2 был запущен в 2012 г. на платформе METOP-B (Meteorological operational satellite) [Chan et al., 2023]. Приборы GOME измеряют ОСО, ОС и тропосферное содержание NO₂, OC–H₂O, BrO, HCHO и SO₂.

Прибор SCIAMACHY, о котором мы уже упоминали в затменных экспериментах по Солнцу и Луне, активно использовался более 10 лет в методе ОРСИ c надирной геометрией измерений с 2002 г. Его спектральная область измерений составляла 240–1700 нм, а также ряд интервалов в диапазоне 2.0–2.4 мкм со спектральным разрешением от 0.2 до 1.5 нм [Bovensmann et al., 1999].

На рис. 15 проведено сравнение спектральных областей измерений уходящего отраженного и рассеянного солнечного излучения, а также измеряемых газов двумя спутниковыми приборами – GOME (спутник ERS-2) и SCIAMACHY (спутник ENVISAT-1 (Environmental Satellite)).

 

Рис. 15. Спектральные области измерений солнечного излучения и газы, восстанавливаемые по данным спутниковых приборов GOME и SCIAMACHY.

 

Аппаратура для измерений содержания озона и других газов OMI (Ozone Monitoring Instrument) была запущена на борту спутника НАСА Aura в июле 2004 г. и предназначена для мониторинга озона на основе измерений в диапазоне длин волн от 270 до 500 нм со спектральным разрешением около 0.5 нм [Levelt et al., 2018]. OMI характеризуется большей шириной полосы обзора (2600 км), что позволяет проводить измерения ОСО с ежедневным глобальным охватом. Номинальный размер пикселя OMI 13 × 24 км² в надире. Данные OMI об ОСО также используются для сопоставления и валидации с измерениями приборами GOME, SCIAMACHY и GOME-2. В таких сопоставлениях, а также при построении алгоритмов интерпретации спутниковых измерений с помощью искусственных нейронных сетей (ИНС) данные OMI часто рассматриваются как вторичной эталон.

Прибор TROPOMI (Tropospheric Monitoring Instrument), функционирующий на спутнике Sentinel 5 Precursor (S5P) Mission с 2017 г., измеряет отраженное и рассеянное солнечное излучение в широкой спектральной области от УФ до БИК и состоит из 4-х видео спектрометров, работающих в диапазоне 270–2385 нм с разрешением 0.2–0.5 нм. Горизонтальное разрешение прибора составляло 7.5 × 3.5 км² (с 6 августа 2019 г. – 5.5 × 3.5 км²). Большая полоса обзора (2600 км) позволяет получать глобальные измерения на дневной стороне планеты ежедневно [Van Geffen et al., 2021].

Прибор EMI (Environment Monitoring Instrument), запущенный в мае 2018 г. на спутнике GaoFen-5, представляет собой видео-спектрометр, работающий в спектральном диапазоне 240–710 нм и позволяющий определять содержание O₂, NO₂ и других газов по измерениям отражённого и рассеянного солнечного излучения [Zhang et al., 2020]. Прибор EMI-2, запущенный в сентябре 2021 г., обладает более высоким горизонтальным разрешением (13 × 7 км²). Первые результаты мониторинга атмосферы этими приборами обсуждаются в работах [Zhao et al., 2020; Yang et al., 2021]

Отметим также использование надирных наблюдений для определения OC NO₂ по данным измерений прибора ГСА (Гиперспектральная аппаратура) [Postylyakov et al., 2017; Mukhartova et al., 2021]. Этот прибор функционировал на российских спутниках Ресурс-Р (2013–2016 гг.) и измерял отраженное и рассеянное солнечное излучение в спектральной области 400–1000 нм. Недостатком этого прибора в задаче мониторинга NO₂ является относительно низкое спектральное разрешение – 3–4 нм. Максимальное горизонтальное разрешение при этом составляет 120 м. Усреднение по времени и пространству сигналов позволило получить полезную информацию об интенсивных источниках NO₂.

Исследования газового состава все более активно осуществляются с помощью приборов, установленных на геостационарных спутниках. Так, в работе [Baek et al., 2023] приведены конкретные примеры мониторинга атмосферы прибором GEMS (Geostationary Environment Monitoring Spectrometer), представляющим собою УФ-ВИД гипер-спектрометр. Сравнение данных измерений ОСО инструментами GEMS, TROPOMI и OMPS выявило их высокую корреляцию (0.99) и низкие значения среднеквадратических разностей. Однако, обнаружены также систематические разности в – 2.38% и – 2.17% соответственно, со стандартными отклонениями 1.33% и 1.57%.

На рис. 16 приведен пример сопоставлений спутниковых определений ОСО двумя различными приборами с помощью двух пассивных методов – метода ТИ (ИКФС-2) и ОРСИ (OMI), демонстрирующий высокую степень согласия измерений аномальных содержаний озона (озонной дыры в Северном полушарии) [Тимофеев и др., 2021].

 

Рис. 16. Сравнение измерений ОСО двумя спутниковыми методами – ТИ (ИКФС-2) и ОРСИ (OMI), 18 марта 2020 г. в области озонных аномалий [Тимофеев и др., 2021].

 

Приборы, измеряющие рассеянное солнечное излучение, как правило, более информативны по отношению к газовому составу атмосферы по сравнению с приборами, реализующими методы теплового излучения. Однако эти преимущества в существенной степени определяются конкретными характеристиками аппаратуры. В частности, в методах теплового излучения важную роль при решении обратной задачи восстановления параметров атмосферы по данным дистанционных измерений играет качество используемой информации о вертикальном профиле ее температуры. С другой стороны, важным преимуществом методов ТИ является возможность измерений в ночное время и, в частности, в период полярных ночей. Для иллюстрации этой особенности на рис. 17 приведено сравнение ОСО по данным российского прибора ИКФС-2 (метод ТИ) и инструмента OMI (метод ОРСИ) в периоды полярных ночей в северном полушарии [Тимофеев и др., 2021]. Рисунок наглядно демонстрирует преимущества метода ТИ (ИКФС-2) в пространственном охвате наблюдений ОСО по сравнению с методом ОРСИ (OMI) в сентябре–декабре 2019 г. в период полярной ночи. Белые области на изображениях по данным OMI демонстрируют невозможность измерений ОСО методом ОРСИ. В частности, в период декабрь–январь данные наблюдений OMI отсутствуют от полюса до ~60° с.ш., что соответствует площади более 30 ⋅ 10⁶ км².

 

Рис. 17. Сравнения результатов мониторинга ОСО приборами ИКФС-2 и OMI в полярных районах Северного полушария в течение периода сентябрь–декабрь 2019 г. [Тимофеев и др., 2021].

 

В последнее десятилетие существенно возрос интерес и необходимость в спутниковых измерениях антропогенных эмиссий парниковых газов [Uspensky, 2023]. В связи с этим в январе 2009 г. был запущен на спутнике GOSAT (Greenhouse gases Observing SATellite) прибор TANSO-FTS (Thermal And Nearinfrared Sensor for carbon Observation — Fourier Transform Spectrometer) [Noël et al., 2021]. Прибор измеряет отраженное и рассеянное солнечное излучение в полосах поглощения CO₂ и CH₄ (1.6, 2.0 и 2.3 мкм) и собственное тепловое ИК излучение системы атмосфера-поверхность. Измерения проводятся в широкой спектральной области и позволяют определять общие содержания CO₂, CH₄ и CO, а также элементы их вертикальной структуры.

На рис. 18 приведены глобальные карто-схемы спутниковых измерений OC CO₂ в отдельные месяцы 2009–2010 гг. с помощью прибора TANSO-FTS спутника GOSAT [Watanabe et al., 2015Noël et al., 2021]. Рисунок демонстрирует пространственные и временные вариации содержания CO₂. Максимальные средние отношения смеси XCO₂ в атмосфере наблюдаются в Северном полушарии в конце зимы и начале весны.

 

Рис. 18. Пример глобальной карты спутниковых измерений OC CO₂ (прибор TANSO-FTS на спутнике GOSAT) [Watanabe et al., 2015; Noël et al., 2021].

 

Измерения спектров отраженного и рассеянного солнечного излучения в трех спектральных БИК областях с помощью аппаратуры OCO-2 (Orbiting Carbon Observatory) для определения общего содержания CO₂ начались в сентябре 2014 г. [Crisp et al., 2017]. Аналогичный прибор ОСО-3 на МКС начал функционировать в 2019 г. Измерения спектров осуществляются с высоким спектральным разрешением (λ/∆λ > 17000) в полосах поглощения кислорода 0.76 мкм и CO₂ при 1.61 и 2.06 мкм. Измерения в полосе кислорода используются для калибровки измерений OC CO₂. Высокое горизонтальное разрешение измерений (~1.29 × × 2.25 км) позволяет обнаруживать и изучать локальные источники CO₂. Приборы измеряют излучение в надирном и направлении солнечных бликов (для увеличения сигнала) над выбранной ограниченной территорией площадью 15 × 20 км² (ОСО-2) и 80 × 80 км² (ОСО-3). На рис. 19 приведена иллюстрация трех типов геометрии наблюдений приборов ОСО-2 [JPL, 2018].

 

Рис. 19. Три геометрии наблюдений приборов ОСО-2 и ОСО-3: (a) – надирные наблюдения на освещенной Солнцем территории с зенитным углом меньше 85 градусов; (b) –зеркальные (бликовые) наблюдения при солнечных зенитных углах менее 75 градусов; (c) – целевые наблюдения, сканирование по ограниченной территории [JPL, 2018].

 

Важное значение при спутниковых измерениях OC CO₂ и определении антропогенных эмиссий CO₂ имеют погрешности измерений. Это связано с относительно малыми антропогенными эмиссиями CO₂ (например, с территорий мегаполисов 1–5 ppm) и необходимостью решения последовательно двух обратных задач – атмосферной оптики и атмосферного переноса [Тимофеев и др., 2022]. Если в начале спутниковых наблюдений OC CO₂ погрешности измерений прибора ОСО-2 составляли ~1% (~4 ppm), то совершенствование методики интерпретации (разработана 11-я версия) и критериев фильтрации данных позволили существенно повысить качество восстановления OC CO₂ по данным измерений ОСО-2 – до 0.8–0.9 ppm и менее [Taylor et al., 2023].

Китайский опыт мониторинга OC CO₂ с помощью дифракционного спектрометра ACGS (Atmospheric Carbon Dioxide Grating Spectrometer) высокого спектрального разрешения на спутнике TanSat описан в работах [Yang et al., 2020; Boesch et al., 2021]. Прибор ACGS измеряет солнечное излучение в спектральных интервалах полосы поглощения кислорода (758–778 нм, спектральное разрешение ~0.04 нм), в полосах поглощения CO₂ – в слабой (1594–1624 нм, разрешение ~0.125 нм) и сильной (2042–2082 нм, разрешение ~0.16 нм). Горизонтальное разрешение измерений прибора составляет 2 × 2 км². Примеры определения содержания CO₂ этим инструментом и валидации результатов приведены в работе [Boesch et al., 2021]. В ней показано, что прибор позволяет определять отношения смеси XCO₂ со систематическими разностями при сравнении с наземными измерениями (Фурье-спектрометром фирмы Bruker) в 2.62 ppm и стандартным отклонением 1.41 ppm, которые уменьшаются после калибровки до 1.11 и 1.35 ppm, соответственно.

Примеры измерений OC CO₂ прибором ACGS, наглядно демонстрирующие сезонные и пространственные вариации его содержания в 2017–2018 гг., приведены на рис. 20 [Boesch et al., 2021].

 

Рис. 20. Сезонные карты средних величин отношения смеси XCO₂ для периода 2017–2018 гг. по данным прибора ACGS [Boesch et al., 2021].

 

В 2020 г., когда был запущен первый спутник новой спутниковой системы контроля качества воздуха (Air Quality Satellite Constellation), началась новая эра мониторинга климатически важных газов, в том числе и качества воздуха [TEMPO, 2023]. Группировка состоит из трех спутников, которые находятся на геостационарной орбите (GEO). Первым прибором этой программы контроля, запущенным в 2020 г., стал южнокорейский геостационарный спектрометр для мониторинга окружающей среды GEMS (Geostationary Environment Monitoring Spectrometer), который осуществляет мониторинг состава атмосферы над Азией. Следующий прибор группировки TEMPO (Tropospheric Emissions: Monitoring of Pollution) был успешно запущен НАСА 7 апреля 2023 г. Он осуществляет мониторинг состава атмосферы над Северной Америкой. Третий прибор – Copernicus Sentinel-4, – будет функционировать на спутнике Meteosat третьего поколения MTG (Meteosat Third Generation), и вести наблюдение над территориями Европы и Северной Африки. Каждая из этих миссий будет обеспечивать ежечасные наблюдения за основными параметрами качества воздуха в светлое время суток. При этом используется спутниковый метод ОРСИ в УФ и видимой областях спектра с высоким спектральным разрешением 0.12–0.6 нм и горизонтальным разрешением от 2 до 8 км. Спектральные области измерений позволяют определять общие содержания O₃, NO₂, SO₂, CH₂O, C₂H₂O₂, а также характеристики аэрозолей и облаков. На рис. 21 представлены области мониторинга состава тропосферы указанными тремя геостационарными спутниками [TEMPO, 2023].

 

Рис. 21. Области мониторинга газового состава тропосферы в проекте спутниковой системы контроля качества воздуха (Air Quality Satellite Constellation) [TEMPO, 2023].

 

В табл. П4 Приложения приведены примеры надирных спутниковых приборов для измерений газового состава атмосферы с помощью метода ОРСИ.

6.5. Методы рассеяния (лимб)

Лимбовая геометрия наблюдений (измерения интенсивности рассеянного солнечного излучения горизонта) осуществлялась еще космонавтами на обитаемых космических станциях. Регулярные лимбовые спутниковые измерения излучения горизонта и определения газового состава начались с запуском аппаратуры CLAES (Cryogenic Limb Array Etalon Spectrometer) [Roche et al., 1993] и ISAMS (Improved Stratospheric and Mesospheric Sounder) [Taylor et al., 1987; Ballard et al., 1995]. CLAES с 1993 г. измерял содержание O₃, H₂O, CH₄, N₂O, NO, NO₂, N₂O₅, HNO₃, ClONO₂, HCl, CFC11, CFC12. Другой спутниковый прибор ISAMS – многоканальный радиометр – измерял содержание CO, H₂O, N₂O, CO₂, HNO₃, O₃, NO, NO₂, CH₄, N₂O₅. К лимбовым приборам частично относятся уже рассматривавшиеся приборы SABER и SCIAMACHY, с помощью которых выполнялись измерения рассеянного солнечного излучения горизонта планеты и разных типов атмосферных свечений в УФ, ВИД и БИК областях спектра. Прибор SCIAMACHY позволял получать информацию о многих атмосферных газах, в частности O₃, NO₂, H₂O, CO₂, CH₄, N₂O, BrO, CO, NO, SO₂, CH₂O, OCIO, CIO. При этом в лимбовой геометрии мониторинг осуществляется в широкой высотной области – от тропосферы до термосферы. Прибор OSIRIS (Optical Spectrograph and InfraRed Imager System) функционировал на спутнике Odin, запущенном в феврале 2001 г. [Benze et al., 2018]. Лимбовые измерения рассеянного солнечного излучения (спектральная область 274–810 нм) регистрировались с вертикальным разрешением приблизительно 2 км на высотах от 10 км до 100 км. Этот инструмент используется эпизодически для исследований газового состава атмосферы и кристаллических облаков, в частности – для определения профилей озона в диапазоне широт от 80°C до 80°N. При стратосферно-мезосферных исследованиях измерения осуществляются на высотах 7–107 км.

Прибор OMPS (Ozone Mapping and Profiler Suite), был запущен в космос в октябре 2011 г. на спутнике Suomi NPP и использует две геометрии измерений – надирную и лимбовую. Как лимбовый инструмент (Limb Profiler или LP) OMPS предназначен для определения вертикального профиля содержания озона с высоким вертикальным разрешением (1–3 км) на высотах от верхней тропосферы до мезосферы [Flynn et al., 2006]. Измерения рассеянного солнечного излучения горизонта планеты осуществляются в спектральной области 290–1000 нм с переменным спектральным разрешением (1–25 нм). Горизонтальное разрешение лимбовых измерений составляет ~250 км. Сравнение вертикальных профилей содержания озона по данным спутниковых приборов OMPS и MLS показало их согласие в пределах 5–10%. Основные характеристики рассмотренных лимбовых спутниковых приборов приведены в табл. П5 приложения.

В последние годы активно развиваются синергетические (комплексные) методы измерений газового состава атмосферы, использующие одновременно разные дистанционные методы, излучение различного происхождения, разнообразные спектральные области, что позволяет повышать точность измерений и вертикальное разрешение методов мониторинга (см., например, [Mettig et al., 2022]).

7. Заключение

Многочисленные естественные процессы и явления в атмосфере Земли, а также усиливающееся антропогенное влияние на систему атмосфера-поверхность делает необходимым все более тщательный мониторинг газового состава атмосферы. Результаты этого мониторинга позволяют совершенствовать численные модели атмосферы и осуществлять прогнозы изменений климата Земли, ее озоносферы и экологического состояния окружающей среды в ближайшие десятилетия. Значительную роль в мониторинге климатически и экологически важных газов играют дистанционные пассивные спутниковые методы, которые последние десятилетия активно используются для получения информации о пространственно-временных вариациях содержания атмосферных газов.

Для мониторинга климатически и экологически важных газов используются:

• космические носители разного типа (полярные, геостационарные, высокоэллиптические спутники и космические станции),
• измерения ЭМИ различного физического происхождения (излучения солнечное (рассеянное и отраженное) и звездное, собственное атмосферное – тепловое, неравновесное и свечения атмосферы),
• измерения ЭМИ в широкой спектральной области от УФ до радиоволн,
• различные геометрии измерений (затменную, надирную и лимбовую),
• оптическую аппаратуру различного типа, спектрального, горизонтального и вертикального разрешения.

Современные спутниковые дистанционные методы мониторинга газового состава атмосферы используют прежде всего пассивные методы – методы прозрачности (МП), атмосферного излучения (АИ) и отраженного и рассеянного солнечного излучения (ОРСИ), – имеющие свои преимущества и недостатки. Объем полученной спутниковой информации и результаты ее использования огромен, и его можно охарактеризовать с помощью количества публикаций, имеющих отношение, например, к только одному спутниковому прибору OMI. За период с 2005 по 2022 гг. по тематике измерений прибором OMI опубликовано 2877 статей.

Спутниковый мониторинг газового состава атмосферы используется в исследованиях атмосферных процессов и явлений, их описаний и параметризации, при изучении их пространственно-временных вариаций, в том числе аномалий, в оценках естественных и антропогенных источников и стоков газов, долговременных трендов, валидации численных моделей атмосферы и их усовершенствовании, в прогнозах состояния атмосферы, а также при формировании баз данных о газовом составе атмосферы. Глобальная и региональные системы мониторинга постоянно совершенствуются и решают новые важные задачи (например, региональные и локальные спутниковые оценки антропогенных эмиссий климатически и экологически важных газов), повышается их пространственный охват, временное и пространственное разрешение, список исследуемых компонентов и качество измерений.

Источник финансирования

Работа выполнена при поддержке государственного контракта № 13.2251.21.0005 Министерства науки и высшего образования РФ.

About the authors

Yu. M. Timofeyev

Saint-Petersburg State University

Email: akulishe95@mail.ru
Russian Federation, 199034, University Embankment, 7/9, Saint-Petersburg

G. M. Nerobelov

Saint-Petersburg State University; SPC RAS; Russian State Hydrometeorological University

Author for correspondence.
Email: akulishe95@mail.ru

Scientific Research Centre for Ecological Safety

Russian Federation, 199034, University Embankment, 7/9, Saint-Petersburg; 187110, Korpusnaya st., 18, Saint-Petersburg; 195196, Malookhtinskiy Prospekt, 98, Saint-Petersburg

References

Supplementary files