Аппаратура и методика

Наблюдения на станциях Иссык-Куль и Обнинск с помощью полевого спектрометрического комплекса (ПСК) проводятся на единой методологической основе спектроскопическим методом, основанным на регистрации солнечного излучения в полосах поглощения атмосферных газов и предоставляют информацию о концентрациях атмосферных компонент во всей толще атмосферы. В основе спектроскопического метода лежит зависимость пропускания атмосферой солнечного излучения в выбранных спектральных интервалах от количества поглощающего газа на пути луча. Из-за того, что данные спектроскопических измерений относятся ко всей толще атмосферы, их результаты малочувствительны к колебаниям приземной концентрации исследуемых газов вблизи их источников и стоков.

Для мониторинга углекислого газа СО₂, водяного пара Н₂О и метана CH₄ используется ПСК, состоящий из системы слежения за Солнцем, объектива, спектрометра и ЭВМ, обеспечивающей управление комплексом, запись, обработку и хранение информации.

Рис. 1. Стационарная аппаратура ПСК в здании оптического павильона

Для измерений средней по высоте концентрации СО₂ используется вариант спектроскопического метода, основанный на измерении со средним спектральным разрешением (~ 3 см^-1) пропускания атмосферой солнечного излучения в области полосы поглощения углекислого газа с центром около 2.06 мкм. Средняя по высоте концентрация рассчитывается с использованием спектроскопических параметров линий поглощения СО₂ и водяного пара, результатов лабораторных экспериментов и статистических среднемесячных вертикальных профилей температуры, давления и влажности для места наблюдения. Случайная погрешность единичного измерения концентрации СО₂ составляет менее 2%.

Для контроля содержания водяного пара Н₂О спектроскопическим методом регистрируется узкий участок спектра атмосферы на крыле полосы поглощения СО₂ с центром около 2.06 мкм. Такой выбор участка спектра обеспечивает возможность одновременно находить содержание в атмосфере Н₂О и СО₂ по одной и той же записи спектра солнечного излучения. За единицу измерения общего содержания водяного пара в атмосфере берется атмо-сантиметр (атм-см), который пересчитывается в высоту осажденного слоя воды, в г/cм². Погрешность определения общего содержания водяного пара менее ± 1%.

Для измерения метана CH₄ в столбе атмосферы используется солнечное излучение в спектральном интервале вблизи 3.3 мкм. Для определения средней по высоте концентрации экспериментальная функция пропускания сопоставляется с функциями пропускания, рассчитанными с помощью атласа параметров линий HITRAN. Случайная погрешность единичного измерения концентрации CH₄ составляет менее 3%.

С 2014 г. измерения общих содержаний в столбе атмосферы метана, водяного пара и углекислого газа на станции Обнинск были начаты с помощью измерительного комплекса МР-32 с Фурье-спектрометром ФСМ-2203.

Рис. 2. Измерительный комплекс МР-32 с Фурье-спектрометром ФСМ-2203

Для анализа спектров и концентраций газов с помощью измерительного комплекса МР-32 был использован адаптированный для МР-32 пакет программ SFIT4:V0.9.4.4, применяемый на сети станций NDACC (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change) и TCCON (Total Carbon Column Observation Network) для работы с приборами Bruker IFS.

Для измерений концентрации метана и углекислого газа в приземном воздухе использовались измерительные комплексы, включающие Фурье-спектрометр Perkin-Elmer 1720, Bruker IFS-113V и с 2014 г. новый измерительный комплекс МР-32 с Фурье-спектрометром ФСМ-2203. Комплексы содержат оптическую многоходовую кювету (с поглощающим слоем 30 м) и технологическую систему для напуска и откачки воздуха и контроля температуры и давления. Отбор проб воздуха осуществляется через воздуховод с фильтрами и пробоотборником. Концентрации СО₂ и СН₄ определяются из сравнения экспериментального спектра и спектров, рассчитанных по параметрам спектральных линий из последних версий базы данных HITRAN для изменяющихся величин концентраций. Концентрации, соответствующие минимальному значению среднеквадратического отклонения рассчитанного спектра от экспериментального принимаются за результат измерения. Для представления данных измерений используется объемное отношение смеси (млн^-1, - СО₂ или млрд^-1, - СН₄), которое определяется отношением числа молекул измеряемого газа к общему числу молекул в единице объема. Погрешность единичного измерения концентрации СО₂ в пробе воздуха не превышает ± 2 млн^-1. Случайная погрешность измерений концентрации СН₄ в пробе воздуха составляет ± 30 млрд^-1.

Измерения общего содержания озона (ОСО) в столбе атмосферы на станции Иссык-Куль проводятся с помощью спектрофотометра, изготовленного на базе двойного монохроматора ДМР-4 в в спектральном интервале 303 - 315 нм. ОСО определяется многоволновым методом по результатам измерений поглощения атмосферой солнечного излучения на шести длинах волн: 303.3; 305.2; 308.6; 311.0; 313.8 и 315.0 нм, совпадающих с максимумами квазилинейчатой структуры солнечного спектра, достигающего поверхности Земли. Величины внеатмосферных интенсивностей излучения находятся долгим методом Бугера по данным измерений в ясные дни в периоды, когда над станцией наблюдения находятся однородные воздушные массы и атмосфера стабильна. Ошибка единичного измерения ОСО не превышает 1%.