Transcript
Page 1: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

ÈÍÑÒÈÒÓÒ ÎÏÒÈÊÈ ÀÒÌÎÑÔÅÐÛ

ÑÈÁÈÐÑÊÎÃÎ ÎÒÄÅËÅÍÈß ÐÎÑÑÈÉÑÊÎÉ ÀÊÀÄÅÌÈÈ ÍÀÓÊ

ÒÎÌÑÊÈÉ ÃÎÑÓÄÀÐÑÒÂÅÍÍÛÉ ÓÍÈÂÅÐÑÈÒÅÒ

ÑÈÁÈÐÑÊÈÉ ÔÈÇÈÊÎ-ÒÅÕÍÈ×ÅÑÊÈÉ ÈÍÑÒÈÒÓÒ

ÔÈÇÈÊÀ ÎÊÐÓÆÀÞÙÅÉ ÑÐÅÄÛ

ÌÀÒÅÐÈÀËÛ IV ÌÅÆÄÓÍÀÐÎÄÍÎÉ ØÊÎËÛ ÌÎËÎÄÛÕ Ó×ÅÍÛÕ È ÑÏÅÖÈÀËÈÑÒÎÂ

Òîìñê, 27 èþíÿ – 3 èþëÿ 2004 ã.

Îðãêîìèòåò áëàãîäàðèò îðãàíèçàöèè, âíåñøèå ñâîé âêëàä

â ïðîâåäåíèå è ïóáëèêàöèþ òðóäîâ Øêîëû:

Ìèíèñòåðñòâî îáðàçîâàíèÿ è íàóêè Ðîññèéñêîé Ôåäåðàöèè,

Ðîññèéñêèé ôîíä ôóíäàìåíòàëüíûõ èññëåäîâàíèé,

Ñèáèðñêîå îòäåëåíèå Ðîññèéñêîé àêàäåìèè íàóê,

Ñîâåòû íàó÷íîé ìîëîäåæè Íîâîñèáèðñêîãî è Òîìñêîãî

íàó÷íûõ öåíòðîâ ÑÎ ÐÀÍ

Òîìñê

Èçäàòåëüñòâî Èíñòèòóòà îïòèêè àòìîñôåðû ÑÎ ÐÀÍ

2005

Page 2: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

ÓÄÊ 551.508; 551.510; 551.521

ÁÁÊ (Ä)26,23 Ô51 Ôèçèêà îêðóæàþùåé ñðåäû: Ìàòåðèàëû IV Ìåæäóíàðîäíîé øêîëû ìîëîäûõ ó÷åíûõ è ñïå-

öèàëèñòîâ. – Òîìñê: Èçä-âî Èíñòèòóòà îïòèêè àòìîñôåðû ÑÎ ÐÀÍ, 2005. – 104 ñ. Ñáîðíèê âêëþ÷àåò ñòàòüè ó÷àñòíèêîâ IV Ìåæäóíàðîäíîé øêîëû ìîëîäûõ ó÷åíûõ è ñïåöèà-

ëèñòîâ «Ôèçèêà îêðóæàþùåé ñðåäû». Îáñóæäàþòñÿ ðåçóëüòàòû òåîðåòè÷åñêèõ è ýêñïåðèìåíòàëü-íûõ èññëåäîâàíèé ïî ñëåäóþùèì íàïðàâëåíèÿì: ñîâðåìåííûå ïðîáëåìû èîíîñôåðû, ìàãíèòîñôå-ðû è ñîëíå÷íî-çåìíûõ ñâÿçåé; ðàäèàöèÿ è êëèìàò; àòìîñôåðíûé àýðîçîëü; ðàñïðîñòðàíåíèå ýëåê-òðîìàãíèòíûõ âîëí â àòìîñôåðå è îêåàíå, ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ýêîëîãèÿ; ôèçè÷åñêèå îñíîâû, ìåòîäû è àïïàðàòóðà îïòè÷åñêîãî, ðàäèîâîëíîâîãî è àêóñòè÷åñêîãî çîíäèðîâàíèÿ îêðóæàþùåé ñðåäû.

Äëÿ ñïåöèàëèñòîâ â îáëàñòè ôèçèêè, îïòèêè àòìîñôåðû è îêåàíà, ðàäèîôèçèêè, ìåòåîðîëîãèè è ýêîëîãèè.

Ðåöåíçåíòû: Ï.Ì. Íàãîðñêèé, ïðîô., ä.ô.-ì.í., ÑÔÒÈ ïðè ÒÃÓ,

À.Ä. Áûêîâ, ä.ô.-ì.í., ÈÎÀ ÑÎ ÐÀÍ

ISBN 5–94458–053–4 © ÈÎÀ ÑÎ ÐÀÍ, 2005

Page 3: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

3

ÏÐÈÌÅÍÅÍÈÅ ÑÎÂÐÅÌÅÍÍÛÕ ÖÈÔÐÎÂÛÕ ÒÅÕÍÎËÎÃÈÉ ÄËß ÏÐÎÂÅÄÅÍÈß È ÎÁÐÀÁÎÒÊÈ ÐÀÄÈÎÌÅÒÅÎÐÍÛÕ ÈÇÌÅÐÅÍÈÉ

ÍÀ ÌÅÒÅÎÐÍÎÌ ÐÀÄÀÐÅ ÊÀÇÀÍÑÊÎÃÎ ÓÍÈÂÅÐÑÈÒÅÒÀ

Ä.Â. Êîðîòûøêèí, À.Í. Ôàõðóòäèíîâà

Êàçàíñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò, ôèçè÷åñêèé ôàêóëüòåò, êàôåäðà ðàäèîôèçèêè, ã. Êàçàíü

E-mail: [email protected], [email protected].

Íà ñåãîäíÿøíèé äåíü èññëåäîâàíèÿ âåòðîâîãî ðåæèìà ìåçîñôåðû – íèæíåé òåðìîñôåðû (80–100 êì) íà îñíîâå íàçåìíûõ (â òîì ÷èñëå ðàäèîìåòåîðíûõ) è ñïóòíèêîâûõ èçìåðåíèé ïîçâîëÿþò ñòàâèòü è ðåøàòü çàäà÷ó î ñîçäàíèè äëÿ äàííîé îáëàñòè âûñîò ãëîáàëüíîé ìîäåëè öèðêóëÿöèè, âêëþ÷àÿ ôîíîâûå äâèæåíèÿ è èõ âðåìåííóþ èçìåí÷èâîñòü.  äàííîé ðàáîòå ïðåäñòàâëåí ñîâðå-ìåííûé ïîäõîä ñ èñïîëüçîâàíèåì öèôðîâûõ òåõíîëîãèé äëÿ îðãàíèçàöèè è îáðàáîòêè ðàäèîìåòå-îðíûõ èçìåðåíèé íà ìåòåîðíîì ðàäàðå Êàçàíñêîãî óíèâåðñèòåòà (56° ñ.ø., 49° â.ä.). Âåòðîâûå ðàäèîìåòåîðíûå èçìåðåíèÿ â ÊÃÓ íà÷àòû â 1964 ã. è â ïåðèîä 1964–1965 ãã. ïðîâåäåí ïåðâûé ãîäîâîé öèêë íàáëþäåíèé. Äëèòåëüíûé öèêë íàáëþäåíèé âûïîëíåí â 1979–2002 ãã. Áîëåå ïîäðîá-íàÿ èíôîðìàöèÿ î ìåòåîðíîì ðàäàðå è âåòðîâûõ íàáëþäåíèÿõ â Êàçàíè ïðèâåäåíà â ðàáîòå [1].  íàñòîÿùåå âðåìÿ ñîâðåìåííûå öèôðîâûå òåõíîëîãèè (íàïðèìåð, àíàëîãîâî-öèôðîâîå ïðå-îáðàçîâàíèå ðàäèîñèãíàëîâ, öèôðîâàÿ ôèëüòðàöèÿ, öèôðîâîé ñïåêòðàëüíûé àíàëèç ñ âûñîêîé ðàçðåøàþùåé ñïîñîáíîñòüþ) ïðèìåíåíû íà ìåòåîðíîì ðàäàðå ÊÃÓ. Òàêîé ïîäõîä ïîçâîëèë óâå-ëè÷èòü ìàêñèìàëüíóþ ðåãèñòðèðóåìóþ äëèíó ðàäèîýõà è êîëè÷åñòâî ðåãèñòðàöèé ðàäèîìåòåîð-íûõ îòðàæåíèé, à ñëåäîâàòåëüíî, ïîçâîëèë óâåëè÷èòü òî÷íîñòü âû÷èñëåíèÿ òàêèõ ïàðàìåòðîâ, êàê ñêîðîñòü äðåéôà ìåòåîðíûõ ñëåäîâ (ñêîðîñòü âåòðà), ñêîðîñòü ìåòåîðíîé ÷àñòèöû, êîýôôè-öèåíò àìáèïîëÿðíîé äèôôóçèè. Èñïîëüçîâàíèå ñîâðåìåííûõ áûñòðîäåéñòâóþùèõ êîìïüþòåðîâ ïîçâîëèëî ñîçäàòü íà ìåòåîðíîì ðàäàðå ñèñòåìó îáíàðóæåíèÿ è ïåðâè÷íîé îáðàáîòêè (ðàñ÷åò àì-ïëèòóäû è ôàçû) ìåòåîðíûõ ðàäèîýõî â ðåæèìå ðåàëüíîãî âðåìåíè. Íåïðåðûâíûé öèêë ðàäèîìå-òåîðíûõ íàáëþäåíèé ñ ïðèìåíåíèåì ñîâðåìåííûõ öèôðîâûõ òåõíîëîãèé ñ íîÿáðÿ 2002 ã. ïî íà-ñòîÿùåå âðåìÿ ïîçâîëèë ïîëó÷èòü äåòàëüíóþ âðåìåííóþ èçìåí÷èâîñòü â îáëàñòè ìåçîñôåðû – íèæíåé òåðìîñôåðû.

Ñóòü ýêñïåðèìåíòà çàêëþ÷àåòñÿ â çîíäèðîâàíèè àòìîñôåðû êîãåðåíòíûìè ðàäèîèìïóëüñàìè è îáíàðóæåíèè îòêëèêîâ îò èîíèçèðîâàííûõ ìåòåîðíûõ ñëåäîâ, êîòîðûå ïåðèîäè÷åñêè ïîÿâëÿþòñÿ ñ íåèçâåñòíûìè ïàðàìåòðàìè: óãëîâûå êîîðäèíàòû, âûñîòà, äàëüíîñòü (èëè âðåìÿ çàäåðæêè èì-ïóëüñà), ñêîðîñòü äðåéôà (ïîä äåéñòâèåì âåòðà, ñëåäîâàòåëüíî, ñêîðîñòü âåòðà) è äð. Äëÿ ñòàòè-ñòè÷åñêîé íàäåæíîñòè âåòðîâûõ èçìåðåíèé íåîáõîäèìî óâåëè÷èòü ÷èñëåííîñòü ðåãèñòðàöèé ìåòå-îðíûõ ñëåäîâ. Èçâåñòíûå ìåòîäû îáíàðóæåíèÿ èìåþò ñóùåñòâåííûå îãðàíè÷åíèÿ: îíè ëèáî ñëîæíû è òðåáóþò çíà÷èòåëüíûõ ðåñóðñîâ êîìïüþòåðà, ëèáî íå îáåñïå÷èâàþò íóæíîé âåðîÿòíî-ñòè îáíàðóæåíèÿ ïðè ôèêñèðîâàííûõ ñîîòíîøåíèÿõ ñèãíàë-øóì. Äðóãîé îñîáåííîñòüþ ÿâëÿåòñÿ èçìåíåíèå ìîùíîñòè ýôèðíîãî øóìà (ðèñ. 1), à òàêæå êîýôôèöèåíòà óñèëåíèÿ ïðèåìíîãî òðàêòà. Çàäàíèå æåñòêîãî ïîðîãà ñðàáàòûâàíèÿ ïðèåìíèêà (ñ ó÷åòîì âûøåñêàçàííîãî) ïðèâîäèò ê íåîï-òèìàëüíîìó ïðèåìó.

Äëÿ ðåøåíèÿ äàííîé ïðîáëåìû íàìè èñïîëüçîâàí àâòîêîððåëÿöèîííûé ïîäõîä äëÿ îáíàðó-æåíèÿ ïà÷êè êîãåðåíòíûõ èìïóëüñîâ ñ íåèçâåñòíûì äîïëåðîâñêèì ñäâèãîì ÷àñòîòû (ïîäðîáíåå â [2]). Äàëåå êðàòêî ïðèâîäÿòñÿ ñîîòíîøåíèÿ äëÿ îöåíêè ìîùíîñòè øóìà, ñòàòèñòèêè äëÿ îáíàðó-æåíèÿ ïà÷êè èìïóëüñîâ è ôîðìóëà äëÿ ðàñ÷åòà ïîðîâîãî çíà÷åíèÿ, âçÿòûå èç ýòîé ðàáîòû. Îöåí-êà ìîùíîñòè øóìà îñóùåñòâëÿåòñÿ ïî ôîðìóëå

ˆ { } { }2 2

0 1ReR R⎡ ⎤σ = σ = − ⎣ ⎦ ,

ãäå 0R è 1R – ýëåìåíòû àâòîêîððåëÿöèîííîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè, ðàññ÷èòàííûå ïî ðÿäó êîì-

ïëåêñíûõ àìïëèòóä m

A . Ñòàòèñòèêà, íà îñíîâå êîòîðîé ïðîèñõîäèò îáíàðóæåíèå, ðàññ÷èòûâàåòñÿ

ïî ôîðìóëå

( ) ( ) ( ) ( )1

1 1

0

1Re Re ,

M

m m

m

L R A AM

+

=

τ = τ = τ τ∑

ãäå M – çàäàâàåìîå êîëè÷åñòâî èìïóëüñîâ â ïà÷êå.

Page 4: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

4

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2022 242,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

á

σ

0 2 4 6 8 101214 161820 22 24 2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

σ

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 2022 242,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

σ

0 2 4 6 8 101214 161820 22 24 2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

4,5

σa

â ã

Âðåìÿ, ÷ Âðåìÿ, ÷

Ðèñ. 1. Âðåìåííàÿ èçìåí÷èâîñòü ìîùíîñòè øóìà (íà ÷àñòîòå 32,8 ÌÃö) â çàâèñèìîñòè îò âðåìåíè ñóòîê äëÿ íàïðàâëåíèÿ íàáëþäåíèÿ íà çàïàä (à), þã (á), âîñòîê (â), ñåâåð (ã)

Ïîðîã ñðàáàòûâàíèÿ îáíàðóæèòåëÿ ñèãíàëîâ ( ) ( )0L t

α ÿâëÿåòñÿ íå æåñòêî çàäàííûì è îáíîâëÿ-

åòñÿ ïî ôîðìóëå íà êàæäîì ýòàïå îáíàðóæåíèÿ

( ) ( ) ( )( )ˆ

ˆ ,

2

02

tL t R

M

ασ

= α

ãäå ( )ˆR α – ôèêñèðîâàííîå çíà÷åíèå. Âåðîÿòíîñòíûå õàðàêòåðèñòèêè îáíàðóæåíèÿ äëÿ èñïîëüçî-

âàííîãî ìåòîäà è ðÿäà äðóãèõ ìåòîäîâ ïðè M = 15 è α = 10–3% ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 2 (Ì1 – ïî êðèòåðèþ íåçàâèñèìîñòè Àááå, Ì2 – íåêîãåðåíòíîå íàêîïëåíèå, Ì3 – êîãåðåíòíî-íåêîãåðåíòíîå íàêîïëåíèå (K = 5, G = 3), Ì4 – îïòèìàëüíûé ìíîãîêàíàëüíûé îáíàðóæèòåëü, Ì5 – àâòîêîððå-ëÿöèîííàÿ ìåòîäèêà îáíàðóæåíèÿ). Êàê âèäèì, äàííûé îáíàðóæèòåëü ëó÷øå íåêîãåðåíòíîãî íà-êîïèòåëÿ, õîòÿ è óñòóïàåò îïòèìàëüíîìó îáíàðóæèòåëþ.

Ñ èñïîëüçîâàíèåì ïðåäëîæåííîé ìåòîäèêè îáíàðóæåíèÿ ñ ïðèìåíåíèåì àäàïòèâíîãî ïîðîãà ñðàáàòûâàíèÿ ïðîâåäåí öèêë íåïðåðûâíûõ íàáëþäåíèé çà âåòðîâûì ðåæèìîì. Íàðÿäó ñ ðåãèñò-ðàöèÿìè ìåòåîðíûõ ðàäèîýõî îñóùåñòâëåíû çàïèñè äèñïåðñèè øóìîâîãî ñèãíàëà, êîòîðûå äëÿ ïåðèîäà èçìåðåíèé 26.05.04–30.05.04 ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 1. Àíàëèç ïðåäñòàâëåííûõ ðèñóíêîâ ïîêàçàë, ÷òî ìîùíîñòü øóìà ìåíÿåòñÿ â òå÷åíèå ñóòîê áîëåå ÷åì â äâà ðàçà. Ïðè çàäàíèè æåñòêî-ãî ïîðîãà íåîáõîäèìî ðóêîâîäñòâîâàòüñÿ òàêæå ñåçîííûì èçìåíåíèåì ìîùíîñòè, ÷òî òàêæå òðåáó-åò ïîâûøåíèÿ ïîðîãà ñðàáàòûâàíèÿ. Âñå ýòî ïðèâîäèò ê íåîïòèìàëüíîìó îáíàðóæåíèþ è, ñîîò-âåòñòâåííî, ê óìåíüøåíèþ ñòàòèñòè÷åñêîé îáåñïå÷åííîñòè âåòðîâûõ èçìåðåíèé. Èñïîëüçîâàíèå àäàïòèâíîãî ïîðîãà íà îñíîâå ïðèâåäåííîé âûøå ìåòîäèêè ïîçâîëÿåò óñòðàíèòü äàííûé íåäîñòà-òîê è, ñëåäîâàòåëüíî, óâåëè÷èòü ÷èñëåííîñòü ðåãèñòðàöèé çà ñ÷åò ñëàáûõ (ìàëûå ñîîòíîøåíèÿ ñèãíàëà-øóì) ìåòåîðíûõ ðàäèîýõî.

 ñèëó òîãî ÷òî îöåíêà ôàçû çàðåãèñòðèðîâàííûõ ñëàáûõ ìåòåîðíûõ ñëåäîâ èìååò çíà÷èòåëü-íûå ñìåùåíèÿ çà ñ÷åò âîçäåéñòâèÿ øóìîâîãî ñèãíàëà, ðàñ÷åò äîïëåðîâñêîãî ñäâèãà íåâîçìîæåí, òàê êàê ôàçà èçìåðÿåòñÿ íåîäíîçíà÷íî (ñ òî÷íîñòüþ äî ÷èñëà ïîëíûõ îáîðîòîâ), è, ñëåäîâàòåëü-íî, íåâîçìîæíî îïðåäåëèòü íàêëîí ôàçîâî-âðåìåííûõ çàâèñèìîñòåé. Íàìè ïðèìåíåí ïîäõîä äëÿ îöåíêè äîïëåðîâñêîé ÷àñòîòû íà îñíîâå àâòîðåãðåññèîííîãî ìåòîäà ñïåêòðàëüíîãî îöåíèâàíèÿ Áåðãà (ñì. â [3]). Ñóòüþ äàííîãî ìåòîäà ÿâëÿåòñÿ ðàñ÷åò ñïåêòðà íà îñíîâå ðÿäà êîìïëåêñíûõ àìïëèòóä ìåòåîðíûõ ðàäèîýõî. Ìàêñèìóì â ñïåêòðå ìîùíîñòè ñîîòâåòñòâóåò äîïëåðîâñêîìó ñäâè-ãó ÷àñòîòû. Íàìè ïðîâåäåíî ìîäåëèðîâàíèå ñìåùåíèÿ çà ñ÷åò âîçäåéñòâèÿ øóìîâîãî ñèãíàëà îöåíêè äîïëåðîâñêîé ÷àñòîòû, ïîëó÷àåìîé ñ ïîìîùüþ ñïåêòðàëüíîãî îöåíèâàíèÿ ïî ìåòîäó Áåðãà

Page 5: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

5

(ðèñ. 2). Ðåçóëüòàòû ìîäåëèðîâàíèÿ ñìåùåíèÿ îöåíêè â çàâèñèìîñòè îò ñîîòíîøåíèÿ ñèãíàë-øóì äëÿ òðåõ ðàçëè÷íûõ äëèí ðÿäà 15, 25 è 40 ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 3. Åñëè çàäàòüñÿ äîïóñòèìîé ïî-ãðåøíîñòüþ 2 Ãö (äëÿ âåòðîâûõ èçìåðåíèé íà ìåòåîðíîì ðàäàðå ÊÃÓ ýòî ∼ 10 ì/ñ) â äîïëåðîâ-ñêîì ñäâèãå ÷àñòîòû, òî àíàëèç ïðåäñòàâëåííûõ çàâèñèìîñòåé ïîêàçûâàåò, ÷òî äëÿ 40 èìïóëüñîâ ìèíèìàëüíî ðàáî÷èìè ÿâëÿþòñÿ ñîîòíîøåíèÿ ñèãíàë-øóì 2–2,5, äëÿ 25 èìïóëüñîâ – 4 è äëÿ 15 èìïóëüñîâ – 8.

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,00,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

d

D(d)

M1

M2

M3

M4

M5

0 4 8 12 16 200

2

4

6

8

10

12

14

16σf, Ãö

SNR

M=15

M=25

M=40

Ðèñ. 2. Âåðîÿòíîñòü îáíàðóæåíèÿ D â çàâèñèìîñòè îò ñîîòíîøåíèÿ ñèãíàë-øóì d

Ðèñ. 3. Ïîãðåøíîñòü îöåíêè äîïëåðîâñêîãî ñäâèãà ÷àñòîòû (Ãö) äëÿ ìåòîäà Áåðãà

 çàêëþ÷åíèå íåîáõîäèìî îòìåòèòü ñëåäóþùåå: â äàííîé ðàáîòå ðåàëèçîâàíû àäàïòèâíûé ìå-òîä îáíàðóæåíèÿ ìåòåîðíûõ ðàäèîýõî ñ èñïîëüçîâàíèåì àâòîêîððåëÿöèîííîãî ïîäõîäà è ñïîñîá ðàñ÷åòà äîïëåðîâñêèõ ñäâèãîâ ÷àñòîò íà îñíîâå ìåòîäà Áåðãà, íåîáõîäèìûõ äëÿ ðàñ÷åòà ñêîðîñòåé âåòðà.

Ðàáîòà âûïîëíåíà ïðè ïîääåðæêå Ìèíèñòåðñòâà îáðàçîâàíèÿ Ðîññèéñêîé Ôåäåðàöèè, ãðàíò ¹ À03-2.13-513.

Ëèòåðàòóðà

1. Ôàõðóòäèíîâà À.Í. Öèðêóëÿöèÿ ìåçîñôåðû – íèæíåé òåðìîñôåðû ñðåäíèõ øèðîò. Êàçàíü: Êàçàí-ñêèé ãîñ. óí-ò, 2004. 167 ñ.

2. Êîðîòûøêèí Ä.Â. Îáíàðóæåíèå ïà÷êè ðàäèîèìïóëüñîâ ñ íåèçâåñòíûì äîïëåðîâñêèì ñäâèãîì ÷àñòîòû ñ èñïîëüçîâàíèåì àâòîêîððåëÿöèîííîãî ïîäõîäà. Êàçàíñêèé ãîñ. óí-ò. Êàçàíü, 2004. 19 ñ. Äåï. â ÂÈÍÈÒÈ 22.06.2004, ¹ 1051-B2004.

3. Marple S.L. Digital Spectral Analysis with Applications. Prentice Hall, 1987.

ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈÅ ÂÇÀÈÌÎÄÅÉÑÒÂÈÉ È ÈÍÒÅÃÐÀÖÈÈ ÔÈÇÈÎËÎÃÈ×ÅÑÊÈÕ ÔÓÍÊÖÈÉ ÐÀÑÒÅÍÈÉ ÌÅÒÎÄÀÌÈ

ËÀÇÅÐÍÎ-ÈÍÄÓÖÈÐÎÂÀÍÍÎÉ ÔËÓÎÐÅÑÖÅÍÖÈÈ

Í.Ë. Ôàòååâà, Ã.Ã. Ìàòâèåíêî

634055 Òîìñê, ïð. Àêàäåìè÷åñêèé, 1, Èíñòèòóò îïòèêè àòìîñôåðû ÑÎ ÐÀÍ Òåë. (3822) 492–738, ôàêñ (3822) 491–895, e-mail: [email protected]

Ë.À. Øóëüãèíà

634050 Òîìñê, ïð. Ëåíèíà, 36, Òîìñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò Òåë. (3822) 413–984, ôàêñ (3822) 412–573, e-mail: [email protected]

 ïîñëåäíèå ãîäû, â ñâÿçè ñ áûñòðûìè òåìïàìè ðàçâèòèÿ ïðîìûøëåííîñòè è òåõíèêè, îñî-áåííî îñòðî âñòàë âîïðîñ î âëèÿíèè äåÿòåëüíîñòè ÷åëîâåêà íà îêðóæàþùóþ åãî ñðåäó. Äîâîëüíî ÷àñòî íåîáäóìàííîå è íåðàçóìíîå èñïîëüçîâàíèå äîñòèæåíèé íàóêè íàíîñèò âåñüìà îùóòèìûé âðåä âñåé ýêîñèñòåìå.

 ñâÿçè ñ ýòèì ïåðâîñòåïåííîå çíà÷åíèå ñåé÷àñ ïðèîáðåòàþò óñîâåðøåíñòâîâàíèå èìåþùèõñÿ è ðàçðàáîòêà íîâûõ íàó÷íûõ ìåòîäîâ è ïîäõîäîâ, ïîçâîëÿþùèõ îöåíèòü îïàñíîñòü ðàçíîîáðàçíûõ

Page 6: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

6

çàãðÿçíèòåëåé è âûðàáîòàòü ñîîòâåòñòâóþùèå ýôôåêòèâíûå ìåðîïðèÿòèÿ â öåëÿõ îõðàíû íàñëåä-ñòâåííîñòè ÷åëîâåêà è äðóãèõ áèîëîãè÷åñêèõ âèäîâ [1].

Îäíà èç âàæíûõ çàäà÷ ýêîëîãè÷åñêîãî ìîíèòîðèíãà – êîíòðîëü ñîñòîÿíèÿ ðàñòèòåëüíîñòè, âêëþ÷àþùèé â ñåáÿ ìîíèòîðèíã ëåñîâ. Çíà÷åíèå ëåñà òðóäíî ïåðåîöåíèòü, ýòî îäèí èç âàæíåé-øèõ êîìïîíåíòîâ áèîñôåðû, îêàçûâàþùèé çíà÷èòåëüíîå âëèÿíèå íà ïðèðîäíóþ îáñòàíîâêó ïëà-íåòû. Ëåñ ÿâëÿåòñÿ èñòî÷íèêîì êèñëîðîäà, àðåàëîì îáèòàíèÿ äëÿ ìíîãèõ æèâûõ îðãàíèçìîâ è âûïîëíÿåò ïî÷âîçàùèòíóþ ôóíêöèþ.

Îñóùåñòâëåíèå ìîíèòîðèíãà ëåñîâ òðåáóåò ïðèâëå÷åíèÿ øèðîêîãî ñïåêòðà ñðåäñòâ ïîëó÷åíèÿ èíôîðìàöèè. Ïî ôèçè÷åñêèì ïðèíöèïàì äåéñòâèÿ è ìåòîäàì èññëåäîâàíèÿ âûäåëÿþò äâà êëàññà: êîíòàêòíûå è äèñòàíöèîííûå. Ïðèìåðîì êîíòàêòíîãî ìåòîäà ÿâëÿåòñÿ áèîõèìè÷åñêèé àíàëèç. Ýòî òåõíîëîãè÷åñêè ñëîæíûé ïðîöåññ. Ïðèìåíåíèå ýòîãî ìåòîäà ñîïðÿæåíî ñ ðàçðóøåíèåì òêà-íåé ëèñòà, òðóäîåìêî, òðåáóåò ìíîãî âðåìåíè è èìååò ðÿä ñóùåñòâåííûõ íåäîñòàòêîâ ïðè èíòåð-ïðåòàöèè äàííûõ.

Ýòî ãîâîðèò î öåëåñîîáðàçíîñòè èñïîëüçîâàíèÿ àëüòåðíàòèâíûõ – äèñòàíöèîííûõ ìåòîäîâ èññëåäîâàíèÿ ðàñòåíèé.  îñíîâó ðàçðàáîòîê ôëóîðåñöåíòíûõ ìåòîäîâ èññëåäîâàíèÿ ïîëîæåíû ïðåäñòàâëåíèÿ î ôîòîñèíòåòè÷åñêîì àïïàðàòå çåëåíîãî ëèñòà êàê î äèíàìè÷åñêîé ñèñòåìå ïèãìåí-òîâ [2], óòèëèçèðóþùèõ ýëåêòðîìàãíèòíóþ ýíåðãèþ óëüòðàôèîëåòîâîãî è âèäèìîãî äèàïàçîíîâ äëèí âîëí. Ýôôåêòèâíîñòü ðàáîòû ôîòîñèíòåòè÷åñêîãî àïïàðàòà îïðåäåëÿåòñÿ, ïðåæäå âñåãî, ýôôåêòèâíîñòüþ ìèãðàöèè ýíåðãèè ìåæäó ïèãìåíòàìè, ñîñòàâëÿþùèìè ôîòîñèíòåòè÷åñêóþ åäè-íèöó. Îñëàáëåíèå ýôôåêòèâíîñòè ìèãðàöèè ýíåðãèè ìîæåò áûòü îáóñëîâëåíî ñàìûìè ðàçíîîá-ðàçíûìè ôàêòîðàìè, âêëþ÷àÿ ñòðåññîâûå. Ìîëåêóëû õëîðîôèëëà ìîãóò ñëóæèòü åñòåñòâåííûì ëþìèíåñöåíòíûì äàò÷èêîì, íåñóùåì èíôîðìàöèþ î ñòðóêòóðíî-ôóíêöèîíàëüíîì ñîñòîÿíèè ôî-òîñèíòåòè÷åñêîãî àïïàðàòà â èíòàêòíîé ðàñòèòåëüíîé êëåòêå è, êîñâåííûì îáðàçîì, î ôèçèîëîãè-÷åñêîì ñîñòîÿíèè ñàìîãî ðàñòåíèÿ. Ñëåäîâàòåëüíî, àíàëèç èçìåíåíèÿ ôëóîðåñöåíòíûõ õàðàêòåðè-ñòèê ìîæåò äàòü èíôîðìàöèþ î ôèçèîëîãè÷åñêîì ñîñòîÿíèè ðàñòåíèÿ è èñïîëüçîâàòüñÿ äëÿ îïðå-äåëåíèÿ óñòîé÷èâîñòè ðàñòåíèÿ ê ðàçëè÷íûì ñòðåññîâûì ôàêòîðàì.

 íàñòîÿùåé ðàáîòå ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèé ïî èçó÷åíèþ ôëóîðåñöåíòíûõ õà-ðàêòåðèñòèê õëîðîôèëëà ó êåäðà. Öåëüþ äàííûõ èññëåäîâàíèé ÿâëÿëàñü áûñòðàÿ äèàãíîñòèêà óâÿäàíèÿ äðåâåñíûõ ðàñòåíèé, íà ïðèìåðå êåäðà, ïîñòðàäàâøèõ îò íåôòÿíûõ âûáðîñîâ, ñ èñïîëü-çîâàíèåì ëàçåðíî-èíäóöèðîâàííîé ôëóîðåñöåíöèè õëîðîôèëëà.

Âûáîð íåôòÿíûõ çàãðÿçíåíèé â êà÷åñòâå ñòðåññîâîãî ôàêòîðà îáúÿñíÿåòñÿ òåì, ÷òî íåãàòèâ-íîå âëèÿíèå íà ýêîëîãè÷åñêîå ñîñòîÿíèå îêàçûâàåò ãëàâíûì îáðàçîì íåôòåãàçîâûé êîìïëåêñ, êî-òîðûé ÿâëÿåòñÿ âåäóùåé ïðîìûøëåííîé îòðàñëüþ â Òîìñêîé îáëàñòè. Îïûò ðàáîòû íåôòåäîáû-âàþùåé îòðàñëè â öåëîì ïîêàçûâàåò, ÷òî âîçäåéñòâèå íåôòåãàçîäîáûâàþùåãî êîìïëåêñà íà îêðó-æàþùóþ ïðèðîäíóþ ñðåäó â ïîäàâëÿþùåì ÷èñëå ñëó÷àåâ çíà÷èòåëüíî ìàñøòàáíåå è ñåðüåçíåå, ÷åì êàæåòñÿ íà ïåðâûé âçãëÿä. Äëÿ áîëüøèíñòâà îáúåêòîâ îòðàñëè âûñîêàÿ àâàðèéíîñòü íà íåô-òåïðîìûñëàõ ÿâëÿåòñÿ íå èñêëþ÷åíèåì, à íîðìîé. Ó÷àñòêè òåððèòîðèè, ãäå âåäåòñÿ èíòåíñèâíàÿ äîáû÷à íåôòè, ïîäâåðãàþòñÿ çàãðÿçíåíèþ ðàçëè÷íûìè òåõíîëîãè÷åñêèìè êîìïîíåíòàìè, èñïîëü-çóåìûìè â ïðîöåññå ðàçâåäêè è ýêñïëóàòàöèè ñêâàæèí. Îñíîâíûìè çàãðÿçíèòåëÿìè ÿâëÿþòñÿ íåôòü, ñåíîìàíñêèå âîäû, áóðîâûå ðàñòâîðû, øëàìû.  ðåçóëüòàòå ïðîèñõîäèò çàãðÿçíåíèå ïî÷â, ãóáèòåëüíî âëèÿþùåå íà ìåñòíóþ ôëîðó. Ôàêòè÷åñêè íà ýòèõ ó÷àñòêàõ ðàñòèòåëüíûå ñîîáùåñòâà ïîëíîñòüþ ãèáíóò.

Õîä èíòåãðàëüíîé èíòåíñèâíîñòè ïîëîñû ôëóîðåñöåíöèè è ñîäåðæàíèÿ õëîðîôèëëà ó êåäðà â ïåðèîä âåãåòàöèè èçìåðÿëñÿ â òå÷åíèå 3 ëåò. Èíòåíñèâíîñòü ôëóîðåñöåíöèè îïðåäåëÿëàñü äèñ-òàíöèîííûì ìåòîäîì ëàçåðíî-èíäóöèðîâàííîé ôëóîðåñöåíöèè, à êîíöåíòðàöèÿ õëîðîôèëëà â èñ-ñëåäóåìûõ îáúåêòàõ – ñ ïîìîùüþ ñòàíäàðòíîãî áèîõèìè÷åñêîãî ìåòîäà. Àíàëèç ýòèõ äàííûõ ïî-êàçàë, ÷òî ìåæäó íèìè ñóùåñòâóåò çíà÷èìàÿ ïîëîæèòåëüíàÿ êîððåëÿöèîííàÿ ñâÿçü. Êîýôôèöèåíò êîððåëÿöèè ìåæäó îòíîøåíèåì èíòåíñèâíîñòåé ôëóîðåñöåíöèè íà äâóõ äëèíàõ âîëí è êîíöåí-òðàöèåé õëîðîôèëëà, èçìåðåííîé ñïåêòðîôîòîìåòðè÷åñêèì ìåòîäîì, ñîñòàâèë 0,96 (ðèñ. 1), ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò î íåïðîòèâîðå÷èâîñòè ýòèõ ìåòîäîâ. Îäíàêî íåîáõîäèìî îòìåòèòü ÿâíûå ïðå-èìóùåñòâà äèñòàíöèîííîãî ìåòîäà ïî ñðàâíåíèþ ñ áèîõèìè÷åñêèì.

Äëÿ äàííîãî ýêñïåðèìåíòà áûëè îòîáðàíû 8 ïÿòèëåòíèõ êåäðîâ, ïîìåùåííûõ â ïèòàòåëüíûé ãðóíò, ïîçâîëÿþùèé ïîääåðæèâàòü åñòåñòâåííóþ æèçíåäåÿòåëüíîñòü ðàñòåíèé. Ïîëîâèíà êåäðîâ ïåðèîäè÷åñêè ïîäâåðãàëàñü âîçäåéñòâèþ ðàçëè÷íûõ îáúåìîâ «íåôòÿíîé ãðÿçè». Âòîðàÿ ïîëîâèíà îáðàçöîâ èñïîëüçîâàëàñü äëÿ êîíòðîëÿ. Äëÿ íàòóðíûõ èçìåðåíèé îáðàçöû áûëè ðàçìåùåíû íà ñòåíäå è ïîäâåðãàëèñü ëàçåðíîìó îáëó÷åíèþ äâà-òðè ðàçà â íåäåëþ. Íà ïðîòÿæåíèè âñåãî ýêñïå-

Page 7: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

7

ðèìåíòà ñïåêòðîôîòîìåòðè÷åñêèì ìåòîäîì îïðåäåëÿëîñü ñîäåðæàíèå õëîðîôèëëà â ýêñïåðèìåí-òàëüíûõ è êîíòðîëüíûõ îáðàçöàõ.

Îòíîøåíèå èíòåíñèâíîñòåé ôëóîðåñöåíöèè

Ðèñ. 1. Ðåãðåññèîííàÿ êðèâàÿ ìåæäó îòíîøåíèåì èíòåíñèâíîñòåé ôëóîðåñöåíöèè íà äâóõ äëèíàõ âîëí è êîíöåíòðàöèåé õëîðîôèëëà, èçìåðåííîé ñïåêòðîôîòîìåòðè÷åñêèì ìåòîäîì. Êîýôôèöèåíò êîððåëÿöèè ñîñòàâèë 0,96

Ñîäåðæàíèå è ñîîòíîøåíèå ïèãìåíòîâ íà ïðîòÿæåíèè ýêñïåðèìåíòà èçìåíÿëèñü â çàâèñèìî-ñòè îò îáúåìà «íåôòÿíîé ãðÿçè».

Ïîñëå ïåðâîãî ïîëèâà 15 ìë è íåäåëüíûõ íàáëþäåíèé çà ñàæåíöàìè íèêàêèõ âèäèìûõ èçìå-íåíèé íå íàáëþäàëîñü (ðèñ. 2). Îäíàêî áûëî çàìå÷åíî, ÷òî ôëóîðåñöåíòíûé îòêëèê ýêñïåðèìåí-òàëüíûõ îáðàçöîâ ïðåâûøàë ôëóîðåñöåíöèþ êîíòðîëüíûõ ïî÷òè â äâà ðàçà, ÷òî ìîæåò áûòü îáó-ñëîâëåíî íàðóøåíèÿìè â ýëåêòðîí-òðàíñïîðòíîé öåïè ôîòîñèíòåçà.

Ðèñ. 2. Äèíàìèêà îòíîøåíèÿ èíòåíñèâíîñòåé ôëóîðåñöåíöèè õëîðîôèëëà íà äâóõ äëèíàõ âîëí – 685 è 740 íì ó ïîäâåðæåííûõ âîçäåéñòâèþ «íåôòÿíîé ãðÿçè» ñàæåíöåâ êåäðà

Âòîðîé ïîëèâ ñîñòàâèë 30 ìë. Ó ýêñïåðèìåíòàëüíûõ îáðàçöîâ ê êîíöó äåñÿòèäíåâíîãî ïåðèî-äà ïîÿâèëèñü ïåðâûå æåëòûå èãîëêè â íèæíåé ÷àñòè êðîíû. Ôëóîðåñöåíòíûé îòêëèê ýêñïåðè-ìåíòàëüíûõ îáðàçöîâ óìåíüøàëñÿ. Ýòî óìåíüøåíèå, ïî-âèäèìîìó, ñâÿçàíî ñ àäàïòàöèîííûìè ïðîöåññàìè ó ðàñòåíèÿ â îòâåò íà ñòðåññîâûå óñëîâèÿ. Âûñîêàÿ ôîòîñèíòåòè÷åñêàÿ àêòèâíîñòü íå òðåáóåòñÿ ïðè íåäîñòàòêå ìèíåðàëüíîãî ïèòàíèÿ, ïîýòîìó ôîòîñèíòåòè÷åñêèé àïïàðàò ðåäóöèðó-åòñÿ â ýòèõ óñëîâèÿõ.

Êîíöåí

òðàöèÿ õ

ëîðîô

èëëà

R = 0,96127

Y = 0,95356 + 0,03206 X

1,8

1,6

1,4 1,2

1,0

0,8 0 5 10 15 20 25

Page 8: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

8

Èíòåðåñ âûçûâàåò óâåëè÷åíèå êîíöåíòðàöèè õëîðîôèëëà â îáðàáîòàííûõ îáðàçöàõ êåäðà ïðè óìåíüøåíèè ôëóîðåñöåíöèè íà íà÷àëüíûõ ýòàïàõ ýêñïåðèìåíòà. Âåðîÿòíî, óâåëè÷åíèå êîíöåí-òðàöèè õëîðîôèëëà ñâÿçàíî ñ àäàïòàöèîííûìè ïðîöåññàìè. (Ïîäîáíàÿ ðåàêöèÿ ðàñòåíèé íà ñòðåññîâûå ôàêòîðû, ñâÿçàííûå ñ íåäîñòàòêîì ìèíåðàëüíîãî ïèòàíèÿ, è îïèñàíà â ëèòåðàòóðå.) Ýòè èçìåíåíèÿ ÿâëÿþòñÿ ïðèñïîñîáèòåëüíîé ðåàêöèåé, íàðÿäó ñ êîëè÷åñòâåííûì óìåíüøåíèåì òè-ëàêîèäíûõ ìåìáðàí ïðîèñõîäÿò è êà÷åñòâåííûå èçìåíåíèÿ â èõ îðãàíèçàöèè.

Ñëåäóþùèé ïîëèâ ïðîâîäèëñÿ â êîíöå àâãóñòà è ñîñòàâèë 60 ìë íà îäèí îáðàçåö (1,5 äì3 ãðóíòà). Ê ýòîìó âðåìåíè ó ýêñïåðèìåíòàëüíûõ îáðàçöîâ óæå ÿâíî íàáëþäàëèñü âèäèìûå èçìå-íåíèÿ, òàêèå êàê æåëòûå è âÿëûå èãîëêè ó îñíîâàíèÿ ñòåáëÿ. Ïàäåíèå èíòåíñèâíîñòè ôëóîðåñ-öåíöèè ýêñïåðèìåíòàëüíûõ îáðàçöîâ íà ýòîì ýòàïå îáúÿñíÿåòñÿ óìåíüøåíèåì ñîäåðæàíèÿ õëîðî-ôèëëà, ñóùåñòâåííûìè ïîâðåæäåíèÿìè ôîòîñèíòåòè÷åñêîãî àïïàðàòà è, êàê ñëåäñòâèå, èíãèáèðî-âàíèåì ïðîöåññîâ ôîòîñèíòåçà.

Äîçà 70 ìë íåôòÿíîãî ðàñòâîðà íà îáðàçåö ïðèâåëà ê òîìó, ÷òî èãîëêè èññëåäóåìûõ ïîâðåæ-äåííûõ îáðàçöîâ ñòàëè æóõëûìè (áîëåå ìÿãêèìè ïî ñðàâíåíèþ ñ êîíòðîëüíûìè). Íåôòÿíîé ðàñ-òâîð ñëàáåå âïèòûâàåòñÿ çåìëåé (ñêàçàëñÿ è ýôôåêò íàêîïëåíèÿ), áîëüøåé ÷àñòüþ ñâîåé îñòàâà-ÿñü íà ïîâåðõíîñòè.  êîíöå ñåíòÿáðÿ íàáëþäàëîñü ÷àñòè÷íîå îïàäàíèå æåëòûõ èãîëîê (ïîñëå 90 ìë íåôòÿíîãî ðàñòâîðà). Èãîëêè ñòàëè ñâåòëåå ïî öâåòó, ÷åì êîíòðîëüíûå, âÿëûå. Ïðèìåðíî ïîëîâèíó âñåõ èãîëîê íà ðàñòåíèè ñîñòàâèëè æåëòûå. Ïî âèçóàëüíûì ïðèçíàêàì ìîæíî áûëî ñ óâåðåííîñòüþ óòâåðæäàòü î ãèáåëè ðàñòåíèé.

Ïðåèìóùåñòâà ìåòîäà ïåðåä äðóãèìè íàçåìíûìè âèäàìè ñúåìêè: ìãíîâåííàÿ òðåõìåðíàÿ âè-çóàëèçàöèÿ; âûñîêàÿ òî÷íîñòü; íåñðàâíèìî áîëåå ïîëíûå ðåçóëüòàòû; áûñòðûé ñáîð äàííûõ; îáåñïå÷åíèå áåçîïàñíîñòè ïðè ñúåìêå òðóäíîäîñòóïíûõ è îïàñíûõ îáúåêòîâ.

 ðåçóëüòàòå ïðîäåëàííîé ðàáîòû íå òîëüêî ïîäòâåðæäåíà ñâÿçü ìåæäó ñîäåðæàíèåì õëîðî-ôèëëà è èíòåíñèâíîñòüþ ôëóîðåñöåíöèè, íî è ïîêàçàíà âîçìîæíîñòü êàê ðàçîâûõ, òàê è äëè-òåëüíûõ íàáëþäåíèé çà èçìåíåíèåì ñîñòîÿíèÿ ðàñòèòåëüíîñòè ñ ïîìîùüþ ëèäàðà, ïîçâîëÿþùèõ ïðîâîäèòü ðàííþþ ýêñïðåññ-äèàãíîñòèêó ñîñòîÿíèÿ ðàñòèòåëüíîñòè â ðåàëüíîì ìàñøòàáå âðåìåíè. Ïðè ýòîì ðàñòåíèÿ îñòàþòñÿ èíòàêòíûìè è ïðèãîäíûìè äëÿ ïîñëåäóþùèõ èçìåðåíèé. Ñäåëàí âû-âîä, ÷òî ñîäåðæàíèå íåôòè â ïî÷âå âûçûâàåò íå òîëüêî òîðìîæåíèå ðîñòà è äàëüíåéøóþ ãèáåëü, íî è öåëûé ðÿä àäàïòèâíûõ ïåðåñòðîåê ïðè íåáîëüøèõ êîíöåíòðàöèÿõ, îáåñïå÷èâàþùèõ âûæèâà-íèå â íåáëàãîïðèÿòíûõ óñëîâèÿõ. Ýòî äàåò âîçìîæíîñòü äèñòàíöèîííî äèàãíîñòèðîâàòü ó êåäðà ðàííèå ýòàïû ñòðåññîâîãî ôàêòîðà, ñâÿçàííîãî ñ íàëè÷èåì â ïî÷âå «íåôòÿíîé ãðÿçè», ïî èçìåíå-íèþ îòíîøåíèÿ èíòåíñèâíîñòåé ôëóîðåñöåíòíîãî îòêëèêà, ò.å. â ïðèðîäíûõ óñëîâèÿõ äèàãíîñòè-ðîâàòü ôèçèîëîãè÷åñêîå ñîñòîÿíèå ðàñòåíèé íà ðàííèõ ýòàïàõ èçìåíåíèÿ â ôîòîñèíòåòè÷åñêîì àïïàðàòå. Ýòî ñâèäåòåëüñòâóåò î áîëüøèõ ïîòåíöèàëüíûõ âîçìîæíîñòÿõ èñïîëüçîâàíèÿ ôëóîðåñ-öåíòíîãî ëèäàðà â öåëÿõ ýêîëîãè÷åñêîãî ìîíèòîðèíãà ðàñòèòåëüíîñòè.

Ðàáîòà âûïîëíåíà ïðè ïîääåðæêå ãðàíòà äëÿ àñïèðàíòîâ âûñøèõ ó÷åáíûõ çàâåäåíèé Ìèíè-ñòåðñòâà îáðàçîâàíèÿ Ðîññèè, øèôð ãðàíòà À03-2.9-713.

Ëèòåðàòóðà

1. Èçðàýëü Þ.À. Ýêîëîãèÿ è êîíòðîëü ñîñòîÿíèÿ ïðèðîäíîé ñðåäû. Ì.: Ãèäðîìåòåîèçäàò, 1984. 540 ñ. 2. Ðóáèí À.Á. Ïðèíöèïû ðåãóëÿöèè è ìîäåëüíûå ñèñòåìû ïåðâè÷íûõ ïðîöåññîâ ôîòîñèíòåçà // Áèîôè-

çèêà. 1987. Ò. 22. Ñ. 107–117.

ÐÀÑÑÅÈÂÀÞÙÈÅ ÑÂÎÉÑÒÂÀ ËÅÄßÍÛÕ ÏËÀÑÒÈÍ×ÀÒÛÕ ÊÐÈÑÒÀËËÎÂ Ñ ÏÐÅÈÌÓÙÅÑÒÂÅÍÍÎÉ ÎÐÈÅÍÒÀÖÈÅÉ

 ÏÐÎÑÒÐÀÍÑÒÂÅ

È.À. Ãðèøèí

Èíñòèòóò îïòèêè àòìîñôåðû ÑÎ ÐÀÍ, ã. Òîìñê E-mail: [email protected]

Ïðåäñòàâëåíû ðåçóëüòàòû âû÷èñëåíèé èíòåíñèâíîñòè ðàññåÿíèÿ ñâåòà ëåäÿíûìè êðèñòàëëàìè ïëàñòèí÷àòîé ôîðìû ñ ïðåèìóùåñòâåííîé îðèåíòàöèåé â ãîðèçîíòàëüíîé ïëîñêîñòè. Ïðè ïðîâå-äåíèè ðàñ÷åòîâ èñïîëüçîâàëèñü ïðèáëèæåíèå ãåîìåòðè÷åñêîé îïòèêè è ìîäèôèöèðîâàííûé ìåòîä

Page 9: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

9

òðàññèðîâêè ëó÷åé. Îáíàðóæåíî, ÷òî äëÿ áîëüøîãî äèàïàçîíà âûñîò ñîëíöà íàä ãîðèçîíòîì èí-äèêàòðèñà ðàññåÿíèÿ êðèñòàëëà ñëîæíîé ãåîìåòðè÷åñêîé ôîðìû (ïëàñòèí÷àòûé äåíäðèò) ïðîÿâ-ëÿåò òå æå îñîáåííîñòè, ÷òî è èíäèêàòðèñà ðàññåÿíèÿ ïðîñòîãî îáúåêòà (ãåêñàãîíàëüíàÿ ïëàñòèí-êà). Ðàññìîòðåí ïðîöåññ ôîðìèðîâàíèÿ îñíîâíûõ îïòè÷åñêèõ ýôôåêòîâ (ïàðãåëèé 22°, ïàðãåëèé 120° è ò.ä.), îñóùåñòâëåíî ñîïîñòàâëåíèå ñ ðåçóëüòàòàìè äðóãèõ àâòîðîâ.

Èçâåñòíî, ÷òî â ñîñòàâå ïåðèñòûõ îáëàêîâ ïðèñóòñòâóþò ëåäÿíûå êðèñòàëëû ðàçëè÷íûõ ôîðì è ðàçìåðîâ.  ëèòåðàòóðå [1, 2] èìååòñÿ ðåøåíèå çàäà÷è ðàññåÿíèÿ òîëüêî äëÿ êðèñòàëëè÷åñêèõ ÷àñòèö â ôîðìå ãåêñàãîíàëüíîé ïëàñòèíêè è ñòîëáèêà, ïðè ýòîì áîëüøèíñòâî èññëåäîâàòåëåé ïîäðàçóìåâàþò õàîòè÷åñêóþ îðèåíòàöèþ ÷àñòèöû â ïðîñòðàíñòâå. Îäíàêî ýêñïåðèìåíòàëüíî ïî-êàçàíî, ÷òî ñîäåðæàíèå êðèñòàëëîâ ñëîæíûõ ôîðì (òàêèõ, êàê äåíäðèòû, àãðåãàòû, áóëëèò-ðîçåòòû è ò.ï.) â åäèíèöå îáúåìà îáëà÷íîé ñðåäû âåñüìà âåëèêî [3]. Êðîìå òîãî, îòìå÷àåòñÿ, ÷òî êðóïíûå ëåäÿíûå êðèñòàëëû ïîä âîçäåéñòâèåì ãðàâèòàöèîííûõ ñèë èìåþò òåíäåíöèþ óïîðÿäî÷è-âàòüñÿ â ãîðèçîíòàëüíîé ïëîñêîñòè [4, 5]. Äîêàçàíî, ÷òî ïîäîáíîå ÿâëåíèå ñóùåñòâåííûì îáðàçîì ñêàçûâàåòñÿ íà ðàññåèâàþùèõ ñâîéñòâàõ åäèíèöû îáúåìà îáëà÷íîé ñðåäû [3–5]. Òàêèì îáðàçîì, öåëüþ äàííîé ðàáîòû ÿâëÿëîñü ðàññìîòðåíèå çàäà÷è ñâåòîðàññåÿíèÿ äëÿ ëåäÿíûõ ÷àñòèö ñëîæíîé ãåîìåòðè÷åñêîé ôîðìû ñ ïðåèìóùåñòâåííîé îðèåíòàöèåé â ïðîñòðàíñòâå.

 ïåðèñòûõ îáëàêàõ ñðåäíèå ðàçìåðû ÷àñòèö ìíîãîêðàòíî ïðåâûøàþò äëèíó âîëíû âèäèìîãî äèàïàçîíà, ÷òî ïîçâîëÿåò ïðèìåíèòü ãåîìåòðîîïòè÷åñêîå ïðèáëèæåíèå è ìåòîä òðàññèðîâêè ëó÷åé (ÌÒË) [1, 2]. Îòëè÷èòåëüíîé îñîáåííîñòüþ íàøåãî àëãîðèòìà ÌÒË ÿâëÿåòñÿ âîçìîæíîñòü òðàñ-ñèðîâàòü ëó÷è ñ îäèíàêîâûì òèïîì ðàñïðîñòðàíåíèÿ êàê åäèíîå öåëîå, ò.å. êàê ïëîñêîïàðàëëåëü-íûé ïó÷îê [6], ÷òî çíà÷èòåëüíî ñíèæàåò âðåìåííûå çàòðàòû íà ïðîâåäåíèå ðàñ÷åòîâ.

Äëÿ ïðåäñòàâëåíèÿ ðåçóëüòàòîâ îïðåäåëèì ñèñòåìó êîîðäèíàò òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû ïëîñ-êîñòü ñëîÿ ÷àñòèö ñîâïàäàëà ñ ïëîñêîñòüþ xy, à ïàäàþùåå èçëó÷åíèå ïðèõîäèëî â ïëîñêîñòè xz; ïðè ýòîì îñü z áóäåò íàïðàâëåíà âåðòèêàëüíî ââåðõ. Áóäåì õàðàêòåðèçîâàòü ïîëîæåíèå èñòî÷íèêà â ïëîñêîñòè xz åãî óãëîâîé âûñîòîé íàä ñëîåì ÷àñòèö θ0.

Ðàñ÷åòíûå äàííûå äëÿ êðèñòàëëîâ â ôîðìå ãåêñàãîíàëüíîé ïëàñòèíêè ñâèäåòåëüñòâóþò, ÷òî, ïî ïðè÷èíå îãðàíè÷åííîãî ÷èñëà âîçìîæíûõ ëó÷åâûõ òðàåêòîðèé (ðèñ. 1), âîçíèêàþùèõ âíóòðè ïðèçìû, ðàññåÿííîå ïîëå ïîëíîñòüþ ëîêàëèçóåòñÿ â äèñêðåòíîì íàáîðå çíà÷åíèé óãëà ðàññåÿíèÿ θ, ò.å. âíóòðè êîíå÷íîãî ÷èñëà óãëîâûõ êîíóñîâ ðàññåÿíèÿ, ñâÿçàííûõ ñ óãëîì θ0. Ïîäîáíàÿ çàêî-íîìåðíîñòü âûïîëíÿåòñÿ äëÿ âñåõ çíà÷åíèé óãëà ïàäåíèÿ θ0.  ñôåðè÷åñêîé ñèñòåìå êîîðäèíàò, ïðèâÿçàííîé ê ïëîñêîñòè ñëîÿ ÷àñòèö, òàêàÿ îñîáåííîñòü ïðîÿâëÿåòñÿ â òîì, ÷òî óãëîâûå çàâèñè-ìîñòè ðàñïðåäåëåíèÿ ðàññåÿííîé ýíåðãèè íà ñôåðå íàïðàâëåíèé (θ, ϕ) ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé êîíå÷-íîå ìíîæåñòâî êîíöåíòðè÷åñêèõ êîëåö (ðèñ. 2). Îòìåòèì, ÷òî ýòî ïîëíîñòüþ ñîîòâåòñòâóåò ðå-çóëüòàòàì äëÿ ãåêñàãîíàëüíûõ ïëàñòèíîê, êîòîðûå áûëè îïóáëèêîâàíû Liou [4] è Noel [5]. Ê ñî-æàëåíèþ, ãðîìîçäêîñòü çàäà÷è è íåñîâåðøåíñòâî ÷èñëåííûõ àëãîðèòìîâ çàñòàâèëè àâòîðîâ [4, 5] îãðàíè÷èòüñÿ ðàññìîòðåíèåì ðàññåÿíèÿ íà êðèñòàëëàõ ïðîñòåéøåé ôîðìû. Íàøè ðàñ÷åòû ïîêà-çûâàþò, ÷òî àíàëîãè÷íàÿ ñèòóàöèÿ íàáëþäàåòñÿ íå òîëüêî â ñëó÷àå ïðîñòåéøåãî îáúåêòà â âèäå ãåêñàãîíàëüíîé ïëàñòèíêè, íî è äëÿ ïðèçìàòè÷åñêîãî êðèñòàëëà ñ îñíîâàíèåì â âèäå ïðîèçâîëü-íîãî ìíîãîóãîëüíèêà, íàïðèìåð äëÿ ïëîñêîãî ãåêñàãîíàëüíîãî äåíäðèòà. Íà ðèñ. 2,â ïðåäñòàâëåíî ñîïîñòàâëåíèå èíäèêàòðèñû ðàññåÿíèÿ ïëîñêîãî äåíäðèòà è ïëàñòèíêè â ðàéîíå ïàðãåëèÿ (óãîë ðàññåÿíèÿ θ = 110°) â çàâèñèìîñòè îò àçèìóòàëüíîãî óãëà ðàññåÿíèÿ ϕ ïðè θ0 = 20°. Ñðàâíåíèå îáíàðóæèâàåò ïðèñóòñòâèå öåëîãî ðÿäà õîðîøî èçâåñòíûõ ýôôåêòîâ, êîòîðûå íåîäíîêðàòíî íà-áëþäàëèñü ïðè èçìåðåíèÿõ [7], íàïðèìåð: ïàðãåëèÿ ïðè 22°, ïàðãåëèÿ ïðè 120° è ò.ä. Êðîìå ýòî-ãî îòìåòèì, ÷òî çàêîíîìåðíûì ñëåäñòâèåì òàêîé îñîáåííîñòè ïðîöåññà ðàññåÿíèÿ ÿâëÿåòñÿ òàêæå òîò ôàêò, ÷òî íàëè÷èå ôëàòòåðà ïðîÿâëÿåòñÿ â ïðîñòîì óâåëè÷åíèè øèðèíû êîëåö. Íà ðèñ. 3 ïðåäñòàâëåíî ñîïîñòàâëåíèå ðàñ÷åòíûõ äàííûõ äëÿ èíòåíñèâíîñòè ðàññåÿíèÿ ãåêñà-ãîíàëüíîé ïëàñòèíêè ñ ôàêòîðîì ôîðìû Q = 0,1 ïðè θ0 = 15° è λ = 0,55 ìêì â äèàïàçîíå ïàðãå-ëèÿ (θ = 105°) è àíàëîãè÷íûõ ðåçóëüòàòîâ K.N. Liou [5]. Ðàñõîæäåíèÿ ðåçóëüòàòîâ â äèàïàçîíå óãëà ðàññåÿíèÿ ϕ = 50–100° ìîãóò áûòü îáúÿñíåíû òåì ôàêòîì, ÷òî ïðè òðàññèðîâêå ëó÷åé Liou îãðàíè÷èëñÿ ó÷åòîì òîëüêî 6 âíóòðåííèõ îòðàæåíèé, ÷òî äëÿ òîíêîé ïëàñòèíêè (Q = 0,1) â ñëó-÷àå ïî÷òè ñêîëüçÿùåãî ðàñïðîñòðàíåíèÿ ïàäàþùåé âîëíû (θ0 = 15°) ÿâíî íåäîñòàòî÷íî.  äèàïà-çîíå óãëîâ ðàññåÿíèÿ ϕ = 0–20° (íàïðàâëåíèå ðàññåÿíèÿ âïåðåä) ðàñõîæäåíèÿ ìîãóò áûòü îáúÿñ-íåíû ïîïûòêàìè Liou ó÷åñòü äèôðàêöèîííûå è èíòåðôåðåíöèîííûå ýôôåêòû íà êîíòóðå òåíåâîé ïðîåêöèè ÷àñòèöû, ÷òî è ïðèâîäèò ê ñóùåñòâåííîìó ðàçìûòèþ ðåçêîãî ãåîìåòðîîïòè÷åñêîãî ïèêà.

Page 10: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

10

à á

â ã

Ðèñ. 1. Ëó÷åâûå òðàåêòîðèè, îòâåòñòâåííûå çà ôîðìèðîâàíèå ñëåäóþùèõ ýôôåêòîâ: à – parhelic circle; á – 22° parhelion (sundog); â – 120° parhelion; ã – subparhelic circle

Óãîë ðàññåÿíèÿ ϕ, ãðàä

à á

Ðèñ. 2. Ñîïîñòàâëåíèå óãëîâîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ðàññåÿííîé èíòåíñèâíîñòè äëÿ êðèñòàëëà â ôîðìå ãåêñàãî- íàëüíîé ïëàñòèíêè è ïëàñòèí÷àòîãî äåíäðèòà (a) äëÿ θ0 = 20°, Q = 0,1 è èõ ãðàôèê (á)

Page 11: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

11

Óãîë ðàññåÿíèÿ ϕ, ãðàä

Ðèñ. 3. Èíäèêàòðèñà ðàññåÿíèÿ äëÿ ãåêñàãîíàëüíîé 2D-ïëàñòèíêè ñ ôàêòîðîì ôîðìû Q = 0,1 ïðè θ0 = 15° â çàâèñèìîñòè îò àçèìóòàëüíîãî óãëà ðàññåÿíèÿ ϕ (parhelic circle)

Ëèòåðàòóðà

1. Ðîìàøîâ Ä.Í. Ðàññåÿíèå ñâåòà ãåêñàãîíàëüíûìè ëåäÿíûìè êðèñòàëëàìè // Îïòèêà àòìîñôåðû è îêåàíà. 2001. Ò. 14. ¹ 2. Ñ. 116–124.

2. Takano Y. and Jayaweera Ê. Scattering phase matrix for hexagonal ice crystals computed from ray-tracing // Appl. Opt. 1985. V. 24. P. 3254–3263.

3. Âîëêîâèöêèé Î.À., Ïàâëîâà Ë.Í., Ïåòðóøèí À.Ã. Îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà êðèñòàëëè÷åñêèõ îáëàêîâ. Ë.: Ãèäðîìåòåîèçäàò, 1984. 198 ñ.

4. Noel V., Ledanois U., Chepfer H. and Flamant Ð.H. Computation of à single-scattering matrix for non-spherical particles randomly îã horizontally oriented in space // Appl. Opt. 2001. V. 40. P. 4365–4375.

5. Takano Y. and Liou K.N. Solar radiative transfer in cirrus clouds. Part 1: Single-scattering and optical properties of hexagonal ice crystals // J. Atmos. Sci. 1989. V. 46. P. 3–18.

6. Borovoi A.G., Grishin I.A. Scattering matrices for large ice crystal particles // JÎSÀ À. 2003. V. 20. ¹ 11. P. 2071–2080.

7. Tape W. Atmospheric Halos. Washington: American Geophysical Union. V. 64 of Antarctic Research Series, 1994.

ÏÐÎÃÐÀÌÌÍÎÅ ÎÁÅÑÏÅ×ÅÍÈÅ ÄËß ÀÍÀËÈÇÀ ÏÐÎÑÒÐÀÍÑÒÂÅÍÍÎ-ÂÐÅÌÅÍÍÎÉ ÈÇÌÅÍ×ÈÂÎÑÒÈ

ÎÇÎÍÎÑÔÅÐÛ ÏÎ ÑÏÓÒÍÈÊÎÂÛÌ ÄÀÍÍÛÌ

Ì.À. Áîíäàðåíêî

Èíñòèòóò îïòèêè àòìîñôåðû ÑÎ ÐÀÍ, ã. Òîìñê, ïð. Àêàäåìè÷åñêèé, 1 E-mail: [email protected].

Ðàçðàáîòêà ïðîãðàììíîãî îáåñïå÷åíèÿ äëÿ ðàáîòû ñî ñïóòíèêîâûìè äàííûìè ïðåñëåäîâàëà ñëåäóþùèå öåëè:

1. Ðåàëèçàöèÿ èíòåðôåéñà äëÿ óïðîùåíèÿ ðàáîòû ïîëüçîâàòåëÿ ñ ïðîãðàììîé îáðàáîòêè ñïóòíèêîâûõ äàííûõ.

2. Ïðåäîñòàâëåíèå âîçìîæíîñòè äëÿ ðàáîòû ñî ñïóòíèêîâûìè äàííûìè èç ðàçíûõ èñòî÷íèêîâ. 3. Ðåàëèçàöèÿ ïðîöåäóð ñãëàæèâàíèÿ è èíòåðïîëÿöèè íåäîñòàþùèõ äàííûõ.

4. Îáåñïå÷åíèå ñîâìåñòèìîñòè âûõîäíûõ äàííûõ ïðèëîæåíèÿ ñ äðóãèìè ïðîãðàììàìè, â ÷à-ñòíîñòè ñ ðàçðàáîòàííûì ïðîãðàììíûì êîìïëåêñîì ÀÒÎÑ (Àýðîçîëü, Òåìïåðàòóðà, Îçîí â Ñòðà-òîñôåðå).

Îòñóòñòâèå ïðèëîæåíèé ñ ãðàôè÷åñêèì èíòåðôåéñîì ñòàëî èñòî÷íèêîì äëÿ ïåðâîãî òðåáîâà-íèÿ. Áîëüøèíñòâî ñàéòîâ, â ÷àñòíîñòè http://www-sage2.larc.nasa.gov è http://jwocky.gsfc.nasa.gov,

àëãîðèòì K.N. Liou

íàø àëãîðèòì

Page 12: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

12

ïðåäñòàâëÿþò ëèøü ñóõóþ ñïåöèôèêàöèþ ôîðìàòîâ ñâîèõ äàííûõ.  ïðîöåññå ðàçðàáîòêè èíòåð-ôåéñà, â ïåðâóþ î÷åðåäü, ó÷èòûâàëèñü ïîòðåáíîñòè ïîëüçîâàòåëÿ ïðè ðàáîòå ñ ïðèëîæåíèåì, ñâÿ-çàííûå ñ êàê ìîæíî áîëåå íàãëÿäíûì ïðåäñòàâëåíèåì äàííûõ. Ïîñêîëüêó ïðåäñòàâëåíèå äàííûõ â âèäå çíà÷åíèé ÎÑÎ, ïðèâÿçàííûõ ê ãåîãðàôè÷åñêèì êîîðäèíàòàì, ïîêàçûâàåò ëèøü ïðîñòðàí-ñòâåííóþ èçìåí÷èâîñòü, íå îòðàæàÿ âðåìåííûõ êîëåáàíèé îçîíà, áûëî íåîáõîäèìî ðåàëèçîâàòü àëüòåðíàòèâíûå âàðèàíòû ïðåäñòàâëåíèÿ äàííûõ, à èìåííî:

– â âèäå íàáîðà ñðåäíåìåñÿ÷íûõ âðåìåííûõ ðÿäîâ, ò.å. îòîáðàæåíèå çàâèñèìîñòè óðîâíÿ ÎÑÎ íà âðåìåííîé îñè;

– îòîáðàæåíèå äàííûõ ÎÑÎ, óñðåäíåííûõ ïî íåêîòîðîìó íàáîðó ìåñÿöåâ, äëÿ ïðåäñòàâëå-íèÿ áîëåå îáùåé êàðòèíû. Çäåñü ïðåäïîëàãàåòñÿ ñðàâíåíèå ñ äàííûìè ãîäè÷íûõ êîëåö õâîéíûõ äåðåâüåâ, âåãåòàöèîííûé ïåðèîä äëÿ êîòîðûõ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé äèàïàçîí ìåñÿöåâ ñ àïðåëÿ ïî ñåíòÿáðü, ïîýòîìó óñðåäíåíèÿ çíà÷åíèé ÎÑÎ òàêæå ñòîèò ïðîâîäèòü ñ àïðåëÿ ïî ñåíòÿáðü; – ïðåäñòàâëåíèå äàííûõ â âèäå äèíàìèêè îçîíîâûõ âðåìåííûõ ðÿäîâ ïî øèðîòå ëèáî äîëãîòå. ×òî êàñàåòñÿ âòîðîãî òðåáîâàíèÿ, òî çäåñü ñóùåñòâóåò ðÿä ïðîáëåì, ñîïðÿæåííûõ ñ îáðàáîò-êîé ñïóòíèêîâûõ äàííûõ, íàèáîëåå çíà÷èìîé èç êîòîðûõ ÿâëÿåòñÿ íåîáõîäèìîñòü ïåðèîäè÷åñêîé âàëèäàöèè. Äëÿ óñòðàíåíèÿ ïðîáëåìû ïåðèîäè÷åñêèõ ñáîåâ â èíñòðóìåíòàëüíîé êîìïîíåíòå àï-ïàðàòóðû ñïóòíèêà íåîáõîäèìî îáåñïå÷èòü ïîñòîÿííûé êîíòðîëü âåäåíèåì íàáëþäåíèé ñ íàçåì-íûõ ñòàíöèé. Ðàçðàáîòàííîå ÏÎ âêëþ÷àåò äâà îñíîâíûõ ìîäóëÿ: ìîäóëü îáðàáîòêè äàííûõ îá-ùåãî ñîäåðæàíèÿ îçîíà Total Ozone Measurement Spectrometer (TOMS), à òàêæå ìîäóëü äëÿ ðà-áîòû ñ ïðîôèëÿìè âåðòèêàëüíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ îçîíà (äàííûå SAGE-II).

Ïðîöåäóðû ñãëàæèâàíèÿ ñíèæàþò çàâèñèìîñòü ðåçóëüòèðóþùèõ äàííûõ îò øóìîâûõ ñîñòàâ-ëÿþùèõ, îáóñëîâëåííûõ ðàçíûìè ïðè÷èíàìè. Íåîáõîäèìîñòü æå â ïðîöåäóðàõ èíòåðïîëÿöèè áûëà îáóñëîâëåíà ñðàçó äâóìÿ ôàêòîðàìè:

1. Ñóùåñòâîâàíèå ïðîáåëîâ â ðàáîòå, ñâÿçàííûõ ñ òåõíè÷åñêèìè íåïîëàäêàìè ñêàíèðóþùåé àïïàðàòóðû. Òàê, â õðîíîëîãèè îáùåãî ñîäåðæàíèÿ îçîíà, ïðåäñòàâëåííîé TOMS, åñòü ñóùåñò-âåííûé ïðîáåë â ïåðèîä ñ 1994 ïî 1996 ã. (ïðèñóòñòâóåò è ðÿä äðóãèõ, ìåíåå çíà÷èòåëüíûõ ïðî-ïóñêîâ).

2. Òåõíè÷åñêèå âîçìîæíîñòè ëþáîé ñêàíèðóþùåé àïïàðàòóðû îáåñïå÷èâàþò êîîðäèíàòíîå ïîêðûòèå ëèøü ñî ñòðîãî îïðåäåëåííûì ðàçðåøåíèåì. Ïðè íåîáõîäèìîñòè ïîâûñèòü ðàçðåøàþ-ùóþ ñïîñîáíîñòü ñëåäóåò ëèáî îáðàùàòüñÿ ê äðóãèì, áîëåå òî÷íûì èñòî÷íèêàì äàííûõ, ëèáî èñ-ïîëüçîâàòü ïðîöåäóðû èíòåðïîëÿöèè.

Áûëà ïðîäåëàíà ñëåäóþùàÿ ðàáîòà: 1. Èçó÷åíèå ñïåöèôèêàöèé îáùåãî ôîðìàòà ñðåäíåìåñÿ÷íûõ äàííûõ ïî ÎÑÎ, ñíèìàåìûõ ñ

TOMS (ó÷èòûâàÿ îñîáåííîñòÿìè äëÿ åãî îòäåëüíûõ âåðñèé Nimbus-7, Meteor-3, Earth Probe) è ôîðìàòà îçîíîâûõ ïðîôèëåé SAGE-II.

2. Ðåàëèçàöèÿ ôóíêöèîíàëüíûõ âîçìîæíîñòåé ïðîãðàììû è ïðîåêòèðîâàíèå åå èíòåðôåéñà. 3. Òåñòèðîâàíèå ïðîãðàììû íà âñåâîçìîæíûõ äàííûõ, â ÷àñòíîñòè îòëàäêà íåêîòîðûõ íåäî-êóìåíòèðîâàííûõ îñîáåííîñòåé ôîðìàòà ñðåäíåìåñÿ÷íûõ äàííûõ ïî ÎÑÎ ïðîåêòà TOMS.

Ðåçóëüòàòîì ðàáîòû ïðèëîæåíèÿ ÿâëÿåòñÿ áàíê äàííûõ ïðîñòðàíñòâåííîé äèíàìèêè îçîíîâûõ âðåìåííûõ ðÿäîâ (ïðèìåð òàêîé äèíàìèêè ïðåäñòàâëåí íà ðèñ. 1). Òàêæå áûëà ïðîâåäåíà âàëè-äàöèÿ äàííûõ ÂÐÎ, ïîëó÷åííûõ íà Ñèáèðñêîé ëèäàðíîé ñòàíöèè, ñ äàííûìè SAGE-II (ïðèìåð íà ðèñ. 2).

Ðèñ. 1. Èëëþñòðàöèÿ äèíàìèêè âðåìåííûõ ðÿäîâ ÎÑÎ ïî äîëãîòå çà ïåðèîä 1980–2000 ãã.

Page 13: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

13

10

15

20

25

30

1 2 3 4 5 6 7 8

Êîíöåíòðàöèÿ îçîíà, 1012 ìîë./ñì3

Âû

ñîòà, êì

29.01.04 LIDAR

29.01.04 SAGE

40 35

Ðèñ. 2. Ñðàâíåíèå èçìåðåíèé ïðîôèëåé ÂÐÎ SAGE-II è äàííûõ ëèäàðíûõ èçìåðåíèé íà Ñèáèðñêîé ëèäàð- íîé ñòàíöèè

 äàëüíåéøåì ïðåäïîëàãàåòñÿ ðàñøèðåíèå ôóíêöèîíàëüíîñòè ïðîãðàììíîãî îáåñïå÷åíèÿ. – Äîáàâèòü ïîääåðæêó ðàáîòû ñ èíäåêñîì NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) –

íîðìàëèçîâàííûé îòíîñèòåëüíûé èíäåêñ ðàñòèòåëüíîñòè äëÿ îïðåäåëåíèÿ ñòåïåíè çàâèñèìîñòè óðîâíÿ ôîòîñèíòåòè÷åñêè àêòèâíîé áèîìàññû îò ñîñòîÿíèÿ óðîâíÿ îçîíà.

– Ïëàíèðóåòñÿ äîáàâèòü ìîäóëü îáðàáîòêè äåíäðîõðîíîëîãè÷åñêèõ äàííûõ äëÿ îòñëåæèâà-íèÿ çàâèñèìîñòåé ìåæäó ïëîòíîñòüþ ãîäè÷íûõ êîëåö õâîéíûõ äåðåâüåâ è ñîñòîÿíèåì ÎÑÎ. Îñ-íîâíàÿ öåëü ïëàíèðóåìîé ìîäèôèêàöèè – ïîëó÷åíèå âðåìåííûõ ðÿäîâ ÎÑÎ, ðåêîíñòðóèðîâàí-íûõ ïî äåíäðîõðîíîëîãè÷åñêèì äàííûì.

– Îñóùåñòâëåíèå ïåðåõîäà ê ÃÈÑ-òåõíîëîãèè. Ïîðòèðîâàíèå äàííûõ äëÿ ïðèìåíåíèÿ îòðà-áîòàííûõ ïðîñòðàíñòâåííûõ àëãîðèòìîâ êîíêðåòíîé ÃÈÑ.

ÏÐÅÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈÅ «ÃÀÇ–×ÀÑÒÈÖÀ»  ØËÅÉÔÅ ÂÛÁÐÎÑΠÃÎÐÍÎ-ÌÅÒÀËËÓÐÃÈ×ÅÑÊÎÃÎ ÏÐÎÈÇÂÎÄÑÒÂÀ

 ÏÎËßÐÍÎÉ ÀÒÌÎÑÔÅÐÅ ÇÈÌÎÉ

Ä.Â. Ñèìîíåíêîâ, Ì.Þ. Àðøèíîâ, Á.Ä. Áåëàí, Ã.À. Èâëåâ, À.Â. Ôîôîíîâ

Èíñòèòóò îïòèêè àòìîñôåðû ÑÎ ÐÀÍ, ã. Òîìñê E-mail: [email protected]

 ðàáîòå îáñóæäàåòñÿ ðÿä ðåçóëüòàòîâ, ïîëó÷åííûõ â õîäå êîìïëåêñíîãî çîíäèðîâàíèÿ àòìî-ñôåðû ñ èñïîëüçîâàíèåì ñàìîëåòà-ëàáîðàòîðèè Àí-30 «Îïòèê-Ý» â íîÿáðå 2002 ã. â Íîðèëüñêîì ïðîìûøëåííîì ðàéîíå. Öåëüþ ýêñïåäèöèè ÿâëÿëîñü îïðåäåëåíèå ñòåïåíè è õàðàêòåðà âîçäåéñò-âèÿ Íîðèëüñêîãî ãîðíî-ìåòàëëóðãè÷åñêîãî êîìáèíàòà íà ñîñòîÿíèå âîçäóøíîãî áàññåéíà ïðèëå-ãàþùèõ è îòäàëåííûõ òåððèòîðèé.

Îñíîâíûì èñòî÷íèêîì çàãðÿçíåíèÿ âîçäóõà ðàéîíà ÿâëÿÿþòñÿ äîáû÷à è ïåðåðàáîòêà ñóëü-ôèäíûõ ðóä öâåòíûõ ìåòàëëîâ.  ðåçóëüòàòå îáæèãà ðóäû ñóëüôèäíàÿ ñåðà îêèñëÿåòñÿ äî ãàçî-îáðàçíîãî ñåðíèñòîãî àíãèäðèäà, íà êîòîðûé ïðèõîäèòñÿ äî 96% â îáùåì ìàññîâîì áàëàíñå âû-áðîñîâ; íà ïûëü, îêèñü óãëåðîäà è îêèñëû àçîòà ïðèõîäèòñÿ ëèøü ïî 1–1,5% [1]. Òàêèì îáðàçîì, îñíîâíàÿ ÷àñòü âûáðîñîâ â âèäå êèñëîòíûõ îêñèäîâ, ãëàâíûì îáðàçîì ñåðû, âûíîñèòñÿ èç ãîðîäà â ãàçîâîé ôàçå. Åñòåñòâåíåí âîïðîñ: êàê ïðè ýòîì ðàññåèâàþòñÿ è òðàíñôîðìèðóþòñÿ âûáðîñû.

Îáîáùàÿ [2], ìîæíî çàêëþ÷èòü, ÷òî õèìè÷åñêèå ïðîöåññû òðàíñôîðìàöèè ñåðû èäóò ïî ïóòè åå îêèñëåíèÿ äî âûñøåé âàëåíòíîñòè VI è íåéòðàëèçàöèè: H2S → SO2 → H2SO3 → H2SO4 → → M(HSO4)m → M2(SO4)m, ãäå Ìm+ – êàòèîí êàêîãî-ëèáî ìåòàëëà. Ðåàëüíî îñíîâíàÿ ÷àñòü âû-áðîñà ïðåäñòàâëåíà äèîêñèäîì ñåðû.  ñîîòâåòñòâèè ñ ðàñ÷åòàìè [3, 4] ìàêñèìóì ñîäåðæàíèÿ â àòìîñôåðå ñåðíîé êèñëîòû â ïðîöåññå ïåðåíîñà äîñòèãàåòñÿ ïðèìåðíî ÷åðåç 20 ÷, à ñðåäíåå âðå-ìÿ æèçíè äèîêñèäà ñåðû çà ñ÷åò ñóõîãî ïîãëîùåíèÿ è õèìè÷åñêèõ òðàíñôîðìàöèé ñîñòàâëÿåò

Page 14: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

14

ïîðÿäêà 40 ÷. Ïðè âûïàäåíèè îñàäêîâ ñêîðîñòü âûâåäåíèÿ äèîêñèäà ñåðû ðåçêî óâåëè÷èâàåòñÿ. Ïîìèìî ýòîãî, ýêñïåðèìåíòû ïðîøëûõ ëåò [5] ïîêàçûâàþò, ÷òî àýðîçîëüíóþ ôðàêöèþ íàäî óëàâ-ëèâàòü íà ðàññòîÿíèè íå ìåíåå 20 êì îò èñòî÷íèêîâ âûáðîñîâ.

Èñõîäÿ èç âûøåèçëîæåííîãî, êàðòèðîâàíèå ïðèìåñåé ïðîâîäèëîñü ïî îñíîâíîìó íàïðàâëå-íèþ âîçäóøíîé ìàññû íà óäàëåíèè 20–140 êì îò ãîðîäà. Ïîëåò âûïîëíÿëñÿ 10 íîÿáðÿ 2002 ã. â ñâåòëîå âðåìÿ ñóòîê ïî ñõåìå, èçîáðàæåííîé íà ðèñ. 1. Ãîðèçîíòàëüíûå ïîëåòû âûïîëíÿëèñü íà âûñîòàõ 400, 600, 800, 1200 ì íàä óðîâíåì ìîðÿ ðàâíîóäàëåííûìè ãàëñàìè – îò 3 äî 6 íà êàæäîé âûñîòíîé ïëîùàäêå. Ïîãîäó â ðàéîíå Íîðèëüñêà îïðåäåëÿëà â óòðåííèå ÷àñû öåíòðàëüíàÿ ÷àñòü çàïîëíÿþùåãîñÿ öèêëîíà ñ ïðèçåìíûìè ôðîíòàìè, çàòåì íàáëþäàëîñü ìàëîãðàäèåíòíîå ïîëå ïî-íèæåííîãî äàâëåíèÿ. Âîçäóøíàÿ ìàññà – àðêòè÷åñêàÿ.

84 85 86 87 88 89

68,6

68,8

69,0

69,2

69,4

1200м

Ши

рота

, гр

ад

Долгота, град

84 85 86 87 88 89

68,6

68,8

69,0

69,2

69,4

400 м

Дудинка

Алыкель

Норильск

600 м

800 м

84 85 86 87 88 89

400

800

1200

1600

2000 Высота, м

Долгота, град

Ðèñ. 1. Ñõåìà âûïîëíåíèÿ ïîëåòà 10 íîÿáðÿ 2002 ã. è ðàñïðåäåëåíèå ñêîðîñòè, íàïðàâëåíèÿ âåòðà íà ãðàíè÷íûõ âûñîòíûõ ïëîùàäêàõ 400 è 1200 ì

Èç ðàñïðåäåëåíèé ïðîôèëåé âåòðà âèäíî, ÷òî íà âûñîòå 400 ì âåòåð áûë óìåðåííûé, ïåðïåí-äèêóëÿðåí íàïðàâëåíèþ îñíîâíîãî ïåðåíîñà è ïî÷òè ïàðàëëåëåí êóðñó ìàðøðóòîâ. À íà 1200 ì âåòåð áûë ïî÷òè ïåðïåíäèêóëÿðåí ìàðøðóòàì ïîëåòà è ñîâïàäàë ñ íàïðàâëåíèåì îñíîâíîãî ïåðå-íîñà.  ýòîé ñâÿçè ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî íàïðàâëåíèÿ âåòðà è äâèæåíèÿ âîçäóøíîé ìàññû ÷àñòî íå ñîâïàäàþò. Ñ.Ï. Õðîìîâûì áûëî ïîêàçàíî, ÷òî âîçäóøíàÿ ìàññà íåñåò ñâîå ïîëå âåòðà êàê áû «âìîðîæåííûì» [6]. Ïðèìåðîì ìîæåò ñëóæèòü ïåðåìåùàþùèéñÿ öèêëîí, â êîòîðîì âåòåð íà-ïðàâëåí ïðîòèâ ÷àñîâîé ñòðåëêè, à ñàì îí, êàê åäèíîå öåëîå, ïåðåìåùàåòñÿ ïî âåäóùåìó ïîòîêó. Êàðòû ïî äàííûì èçìåðåíèé, îòðàæàþùèå ðàñïðåäåëåíèå ïðèìåñåé â ïëîñêîñòè, áëèçêîé ê ãîðèçîíòàëüíîé, áûëè ïîñòðîåíû íà âñåõ ïëîùàäêàõ. Ìû îñòàíîâèìñÿ íà àíàëèçå ïëîùàäêè 400 ì, ãäå ñêîíöåíòðèðîâàëàñü îñíîâíàÿ ÷àñòü øëåéôà, ïîñêîëüêó ðàññìîòðåíèå ïðîôèëåé 600–1200 ì ïîêàçûâàåò ïðèáëèæåíèå êîíöåíòðàöèé ãàçîâ ê ôîíîâûì ñ ðîñòîì âûñîòû.

Èç ðèñ. 2 âèäíî, ÷òî â ïðèõîäÿùåì èç ãîðîäà âîçäóõå êîíöåíòðàöèÿ SO2 äîñòèãàåò 450 ìêã/ì3. Áëèæíÿÿ ãðàíèöà êâàäðàòà íàõîäèëàñü íà ðàññòîÿíèè 58 êì îò ãîðîäà, äàëüíÿÿ – 100 êì. Ïðè ýòîì äîñòàòî÷íî êîíòðàñòíî ïðîñëåæèâàåò ïåðåõîä îò ãîðîäñêîãî øëåéôà ê ôîíîâûì

85,0 85,5 86,0 86,5 87,0 87,5 87,0 87,5 88,0 88,5 89,0

85,0 85,5 86,0 86,5 87,0 87,5 87,0 87,5 88,0 88,5 89,0

Долгота, град Долгота, град

69,4

69,2

69,0

68,8

68,6

69,4

69,2

69,0

68,8

68,6

69,4

69,2

69,0

68,8

69,4

69,2

69,0

68,8

400 м 1200 м

10 м/с 5 м/с

1 м/с

10 м/с

5 м/с 1 м/с

Page 15: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

15

óñëîâèÿì, ãäå ñîäåðæàíèå ñåðíèñòîãî àíãèäðèäà ñîñòàâëÿåò 50–60 ìêã/ì3. Ýòî ïîäòâåðæäàåò êîí-öåïöèþ Èçðàýëÿ è Ðÿáîøàïêî, ÷òî SO2 ìîæåò äåñÿòêàìè ÷àñîâ íàõîäèòüñÿ â øëåéôå [3, 4].

Ðèñ. 2. Ðàñïðåäåëåíèå êîíöåíòðàöèè ñåðíèñòîãî àíãèäðèäà íà âûñîòå 400 ì, ìêã/ì3

Áîëüøèíñòâî äðóãèõ êîìïîíåíò, õàðàêòåðèçóþùèõ øëåéô (îêñèä óãëåðîäà, óãëåêèñëûé ãàç, ñóáìèêðîííàÿ ôðàêöèÿ àýðîçîëÿ), èìåþò ñõîæèå ïðîôèëè ðàñïðåäåëåíèé.

Äàííûå î ìèêðîäèñïåðñíîé ôðàêöèè ïîêàçûâàþò, ÷òî â øëåéôå è íà ïåðèôåðèè èäåò àêòèâ-íûé ïðîöåññ àýðîçîëåîáðàçîâàíèÿ. Èç ðèñ. 3 âèäíî, ÷òî, íåñìîòðÿ íà êîàãóëÿöèîííûå ïðîöåññû, êîíöåíòðàöèÿ ÷àñòèö (d > 70 íì) ñîõðàíÿåòñÿ è â øëåéôå, è íà åãî ïåðèôåðèè. Ýòî çíà÷èò, ÷òî âçàìåí èçðàñõîäîâàííûõ ïðè êîàãóëÿöèè ÷àñòèö èç íóêëåàöèîííîé ìîäû ïîñòóïàþò ñâåæèå. Îá-ðàçîâàíèå æå íîâûõ ÷àñòèö íàèáîëåå ýôôåêòèâíî â øëåéôå (ðèñ. 4), ãäå èõ êîíöåíòðàöèÿ äîñòè-ãàåò 200 ñì–3, âåñüìà èíòåíñèâíî â ïåðåõîäíîé çîíå è çíà÷èòåëüíî îñëàáåâàåò âíå çîíû øëåéôà äî 20 ñì–3, ò.å. ïî÷òè â 10 ðàç. Ýòî íà íàø âçãëÿä ñâèäåòåëüñòâóåò, ÷òî â ïåðèîä ýêñïåðèìåíòà àêòèâíûé ïåðåõîä ãàç→÷àñòèöà íàáëþäàëñÿ íà óäàëåíèè 60–100 êì îò èñòî÷íèêà âûáðîñîâ.

Ðèñ. 3. Ðàñïðåäåëåíèå àêêóìóëÿöèîííîé ìîäû Ðèñ. 4. Ðàñïðåäåëåíèå íóêëåàöèîííîé ìîäû

68,65° ñ.ø. 85,91° â.ä.

69,16° ñ.ø. 85,31° â.ä.

68,93° ñ.ø. 86,97° â.ä.

69,43° ñ.ø. 86,30° â.ä.

Page 16: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

16

Ýòî ïîäòâåðæäàåòñÿ ýâîëþöèåé õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà àýðîçîëÿ. Èç ðèñ. 5 âèäíî, ÷òî â øëåé-ôå, ïî ìåðå óäàëåíèÿ îò èñòî÷íèêà, ïðîèñõîäÿò óâåëè÷åíèå â îòíîñèòåëüíîì ìàññîâîì ñîñòàâå àýðîçîëÿ ñ 4 äî 51% äîëè ñóëüôàò-àíèîíà è îäíîâðåìåííî – óìåíüøåíèå äîëè êàëüöèÿ ñ 64 äî 9%. Èñòî÷íèêîì êàëüöèÿ èçíà÷àëüíî, ïî âñåé âèäèìîñòè, ÿâëÿåòñÿ èçâåñòü, äîáàâëÿåìàÿ ïðè îá-æèãå ñ öåëüþ îáîãàùåíèÿ ìåäíî-íèêåëåâîé ðóäû (îòäåëåíèå æåëåçîñîäåðæàùåãî ïèðèòà) [7]. Êàëüöèé, ïîïàäàþùèé â àòìîñôåðó ïðè ñãîðàíèè, ñîäåðæèòñÿ â ìèêðîäèñïåðíîé ôðàêöèè, â äèàïàçîíå ðàçìåðîâ ÷àñòèö 20–180 íì [8] è, âîçìîæíî, íàïðÿìóþ ðåàãèðóåò ñ îêñèäîì ñåðû ïî ðåàêöèÿì òèïà [9]: CaO + SO2 {+2H2O} = CaSO3{*2H2O}, CaSO3*2H2O + 1/2O2 = CaSO4*2H2O.

L = 58 êì, Sum = 71,2 ìêì/ì3

L = 65 êì, Sum = 51,0 ìêì/ì3

L = 73 êì, Sum = 24,9 ìêì/ì3

L = 82 êì, Sum = 20,8 ìêì/ì3

L = 92 êì, Sum = 11,4 ìêì/ì3

Ðèñ. 5. Îòíîñèòåëüíûé õèìè÷åñêèé ñîñòàâ àýðîçîëÿ íà ðàçíîì óäàëåíèè îò Íîðèëüñêà (L)

Page 17: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

17

Òàêèì îáðàçîì, ïåðåõîä ãàç → ÷àñòèöà, àêòèâíî íàáëþäàåìûé íà óäàëåíèè 60–100 êì îò èñ-òî÷íèêà âûáðîñîâ, ñ ó÷åòîì ñêîðîñòè âîçäóøíîãî ïåðåíîñà ïîäòâåðæäàåò ñðåäíèå îöåíêè âðåìåíè æèçíè äèîêñèäà ñåðû [3, 4] â ðåàëüíîé àòìîñôåðå. Îäíàêî â óñëîâèÿõ ïîëÿðíîé àòìîñôåðû ñ ìàëîé âëàæíîñòüþ çèìîé îñíîâíûì ïóòåì âûâåäåíèÿ èç íåå SO2 ÿâëÿåòñÿ, ïî âñåé âèäèìîñòè, ñóõàÿ ãåòåðîãåííàÿ êîíäåíñàöèÿ, îñíîâíîé êîíòðàãåíò â êîòîðîé – îêñèä êàëüöèÿ, òàêæå àíòðî-ïîãåííîãî ïðîèñõîæäåíèÿ.

Ëèòåðàòóðà

1. Áåçóãëàÿ Ý.Þ., Ðàñòîðãóåâà Ã.Ï., Ñìèðíîâà È.Â. ×åì äûøèò ïðîìûøëåííûé ãîðîä. Ë.: Ãèäðîìå-òåîèçäàò, 1991. 256 ñ.

2. Ðÿáîøàïêî À.Ã. Äàëüíèé àòìîñôåðíûé ïåðåíîñ è àòìîñôåðíûå áàëàíñû ñîåäèíåíèé ñåðû, àçîòà è ðòóòè: Àâòîðåô. äèñ. … äîêò. ô.-ì. í. Ì.: ÈÃÊÝ, 2002. 29 ñ.

3. Èçðàýëü Þ.À., Íàçàðîâ È.Ì., Ïðåññìàí À.ß. è äð. Êèñëîòíûå äîæäè. Ë.: Ãèäðîìåòåîèçäàò, 1989. 269 ñ.

4. Ðÿáîøàïêî À.Ã. Ìîäåëü õèìè÷åñêèõ ïðåâðàùåíèé è âûâåäåíèÿ èç àòìîñôåðû ñîåäèíåíèé ñåðû è àçî-òà ïðè äàëüíåì àòìîñôåðíîì ïåðåíîñå // Òðóäû ÈÏÃ. 1988. Âûï. 71. Ñ. 25–32.

5. Áåëàí Á.Ä. Ê âîïðîñó î ïðèìåíåíèè ñàìîëåòà-ëàáîðàòîðèè äëÿ ýêîëîãè÷åñêîãî êîíòðîëÿ ñîñòîÿíèÿ âîçäóøíîãî áàññåéíà ãîðîäà // Òåçèñû äîêë. III Ìåæäóíàð. ñèìïîç. «Îïòèêà àòìîñôåðû è îêåàíà». Òîìñê, 1996. Ñ. 237.

6. Õðîìîâ Ñ.Ï. Îñíîâû ñèíîïòè÷åñêîé ìåòåîðîëîãèè. Ë.: Ãèäðîìåòåîèçäàò, 1948. 700 ñ. 7. Ïîïóëÿðíàÿ áèáëèîòåêà õèìè÷åñêèõ ýëåìåíòîâ. Êí. 1. Ì.: Íàóêà, 1983. 576 ñ. 8. Ñàâåíêî C.Â. Ïðèðîäíûå è àíòðîïîãåííûå èñòî÷íèêè çàãðÿçíåíèÿ àòìîñôåðû. Ì.: ÂÈÍÈÒÈ. Èòîãè

íàóêè è òåõíèêè. Ñåð. Îõðàíà ïðèðîäû è âîñïðîèçâîäñòâî ïðèðîäíûõ ðåñóðñîâ. 1991. Ò. 31. 212 ñ. 9. Ãàðøèí À.Ï. Íåîðãàíè÷åñêàÿ õèìèÿ â ñõåìàõ, ðèñóíêàõ, òàáëèöàõ... ÑÏá.: Ëàíü, 2000. 288 ñ.

ÏÅÐÅÄÂÈÆÍÀß ËÀÁÎÐÀÒÎÐÈß ÌÎÍÈÒÎÐÈÍÃÀ ÀÒÌÎÑÔÅÐÍÛÕ ÏÀÐÀÌÅÒÐÎÂ «ÌÎÁÈËÜÍÀß ÑÒÀÍÖÈß»

Ã.À. Èâëåâ, Á.Ä. Áåëàí, Ä.Â. Ñèìîíåíêîâ, À.Â. Ôîôîíîâ

Èíñòèòóò îïòèêè àòìîñôåðû ÑÎ ÐÀÍ, ã. Òîìñê E-mail: [email protected]

Çàãðÿçíåíèå îêðóæàþùåé ñðåäû àíòðîïîãåííûìè âûáðîñàìè îêàçûâàåò íåãàòèâíîå âëèÿíèå íà æèâûå îðãàíèçìû, ïî÷âó, çäàíèÿ; âûçûâàåò êîððîçèþ ìåòàëëîâ; ïîíèæàåò ïðîçðà÷íîñòü àòìî-ñôåðû. Ïîýòîìó ïðîáëåìà ìîíèòîðèíãà êà÷åñòâà âîçäóõà ÿâëÿåòñÿ äîñòàòî÷íî âàæíîé è àêòóàëü-íîé. Íà÷èíàÿ ñ äåêàáðÿ 1992 ã. Èíñòèòóò îïòèêè àòìîñôåðû íà ñòàöèîíàðíîì àâòîìàòèçèðîâàí-íîì ïîñòå TOR-ñòàíöèÿ [1] îñóùåñòâëÿåò ìîíèòîðèíã ìåòåîðîëîãè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ, ãàçîâûõ è àýðîçîëüíûõ êîìïîíåíò âîçäóõà â ïðèçåìíîì ñëîå àòìîñôåðû. Íà äàííîå âðåìÿ íàáðàí óæå çíà÷èòåëüíûé ðÿä äàííûõ, ïîçâîëÿþùèõ îöåíèâàòü âëèÿíèå ãîðîäà è ñèíîïòè÷åñêèõ îáðàçîâàíèé íà êà÷åñòâî âîçäóõà â ïóíêòå ïðîâåäåíèÿ èçìåðåíèé. Ïîñëåäíèå äâà ãîäà â èíñòèòóòå âåëèñü ðà-áîòû ïî ïðîåêòèðîâàíèþ è ñîçäàíèþ àíàëîãè÷íîé ïî èçìåðÿåìûì êîìïîíåíòàì ìîáèëüíîé ñòàí-öèè ÀÊÂ-2 (Àòìîñôåðà: êîíòðîëü âîçäóõà) íà øàññè àâòîìîáèëÿ ÃÀÇ-66. Èçìåðèòåëüíàÿ àïïàðà-òóðà áûëà ðàçìåùåíà íà ñòîéêàõ â ÊÓÍÃå àâòîìîáèëÿ; òàì æå áûëè îáîðóäîâàíû ðàáî÷èå ìåñòà äëÿ îïåðàòîðîâ. Ñíàðóæè íà çàäíåé ñòåíêå ÊÓÍÃà óñòàíîâëåíà òåëåñêîïè÷åñêàÿ ìà÷òà ÕÆ4.115.025Ñï [3], íà êîòîðîé óñòàíîâëåíû àíåìîðóìáîìåòð M-63, ïèðàíîìåòð M-115ì, äàò÷èê òåìïåðàòóðû è âëàæíîñòè.  ïåðåäíåé ÷àñòè êðûøè óñòàíîâëåí âîçäóõîçàáîðíèê, ÷åðåç êîòîðûé ïðîèçâîäèòñÿ îòáîð íàðóæíîãî âîçäóõà íà ãàçîâóþ è àýðîçîëüíóþ èçìåðèòåëüíóþ àïïàðàòóðó.

Îñíîâíûì ýëåìåíòîì çàáîðíèêà ÿâëÿåòñÿ òðóáà ñ âíóòðåííèì äèàìåòðîì 40 ìì, âûïîëíåííàÿ èç íåðæàâåþùåé ñòàëè. Äàííûé ìàòåðèàë øèðîêî ïðèìåíÿåòñÿ â àýðîçîëüíûõ èññëåäîâàíèÿõ â ñâÿçè ñ òåì, ÷òî îí íå âûçûâàåò ñòàòè÷åñêîãî îñàæäåíèÿ àýðîçîëüíûõ ÷àñòèö íà âíóòðåííèå ñòåí-êè çàáîðíèêà. Òðóáà âûïîëíåíà áåñøîâíûì ìåòîäîì ñ âûñîêèì êëàññîì ãëàäêîñòè âíóòðåííåé ïîâåðõíîñòè. Ðàñïîëîæåííûì âíóòðè ñàëîíà íàñîñîì ÷åðåç çàáîðíèê îñóùåñòâëÿåòñÿ ïðîêà÷êà âîçäóõà ñ ôèêñèðóåìûì ïîñòîÿííûì ðàñõîäîì îò 25 äî 35 ë/ì, êîòîðûé âûáèðàåòñÿ â çàâèñèìî-ñòè îò òîãî, êàêîé îáúåì âîçäóõà îòáèðàþò èç ñèñòåìû ãàçîàíàëèçàòîðû è àýðîçîëüíûå àíàëèçà-òîðû. Èìåþòñÿ äâà âàðèàíòà ïîáóäèòåëåé ðàñõîäà. Ïåðâûé – ìåìáðàííûé íàñîñ, ñíàáæåííûé äåìïôåðîì, êîòîðûé ïîäàâëÿåò ïóëüñàöèè âîçäóõà è ïîçâîëÿåò ïðîòÿãèâàòü âîçäóõ ÷åðåç çàáîðíóþ

òðóáó ñ ïîñòîÿííîé ñêîðîñòüþ. Âî âòîðîì âàðèàíòå èñïîëüçóåòñÿ íàñîñ òèïà «óëèòêà», êîòîðûé îáëàäàåò çíà÷èòåëüíî ìåíüøåé ýíåðãîåìêîñòüþ è øóìíîñòüþ ïî ñðàâíåíèþ ñ ïåðâûì âàðèàíòîì,

Page 18: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

18

íå òðåáóåò äåìïôåðà, îäíàêî ïðè åãî èñïîëüçîâàíèè ïîòîê â çàáîðíîé òðóáå íà åå ñðåçå ìåíåå óñ-òîé÷èâ ê ðåçêèì èçìåíåíèÿì ñêîðîñòè ýòîãî íàáåãàþùåãî ïîòîêà. Ñðåäíÿÿ ëèíåéíàÿ ñêîðîñòü âîçäóõà âíóòðè çàáîðíèêà âûáèðàåòñÿ ñ ó÷åòîì ÷èñëà Ðåéíîëüäñà ïîòîêà (Ref) òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû Ref áûëî ìåíüøå 2000, ÷òî ïîçâîëÿåò îáåñïå÷èòü óñëîâèÿ ëàìèíàðíîñòè ïîòîêà â òðóáå [4]. Çàáîð àýðîçîëüíûõ ïðîá îñóùåñòâëÿåòñÿ ÷åðåç äâà øòóöåðà ñ âíóòðåííèì äèàìåòðîì 7 è 6,4 ìì ñ çàîñòðåííîé êðîìêîé, ââîäèìûõ â òðóáó ÷åðåç áîêîâóþ ïðîðåçü è óñòàíàâëèâàåìûõ âíóòðè òðóáû ïàðàëëåëüíî åå îñè ñèììåòðèè ñ ïîìîùüþ ãåðìåòè÷íîé íàêëàäêè. Âîçäóõîâîäû îò øòóöåðîâ âû-âîäÿòñÿ ÷åðåç íàêëàäêó ïîä ìàëûì óãëîì íàêëîíà ê îñè ñèììåòðèè çàáîðíèêà, ÷òîáû èçáåæàòü èíåðöèîííîé è ãðàâèòàöèîííîé ñåäèìåíòàöèè àýðîçîëÿ íà ó÷àñòêå âûâîäà èç âåðòèêàëüíîé ÷àñòè çàáîðíèêà. Äàëåå íàðóæíûé âîçäóõ ïî ãèáêèì òðóáêàì èç ÏÂÕ ïîäàåòñÿ íà àýðîçîëüíûå àíàëè-çàòîðû. Îòáîð íà ãàçîàíàëèçàòîðû NO, NO2, SO2, CO2, CO ïðîèçâîäèòñÿ èç øòóöåðîâ, âðåçàí-íûõ â òðóáó íèæå ìåñòà îòáîðà àýðîçîëÿ.

Ðàñõîä âîçäóõà, íåîáõîäèìûé äëÿ ðàáîòû àýðîçîëüíîãî ñ÷åò÷èêà ÀÇ-6, îïðåäåëÿþùåãî ñ÷åò-íóþ êîíöåíòðàöèþ ÷àñòèö â äèàïàçîíå 0,4 ìêì ≤ d ≤ 10,0 ìêì, è äèôôåðåíöèàëüíîé áàòàðåè 3 íì ≤ d ≤ 200 íì, ðàâåí 1,2 è 1 ë/ìèí ñîîòâåòñòâåííî. Ñðåäíÿÿ ëèíåéíàÿ ñêîðîñòü âîçäóõà â ïîäâîäÿùèõ âîçäóõîâîäàõ ê àýðîçîëüíûì àíàëèçàòîðàì â òàêîì ñëó÷àå ðàâíà 52 ñì/ñ. Îáùèé ðàñõîä çàáîðíèêà óñòàíàâëèâàåòñÿ òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû ñêîðîñòü íàáåãàþùåãî ïîòîêà â çàáîðíîé òðóáå â ñîîòâåòñòâèè ñ óñëîâèåì èçîêèíåòè÷íîñòè áûëà ðàâíà ñêîðîñòè îòáîðà ÷åðåç øòóöåð; ïðè ñîáëþäåíèè äàííûõ óñëîâèé óäàåòñÿ ïðîèçâåñòè òðàíñïîðòèðîâêó âîçäóõà èç îêðóæàþùåé ñðåäû ê àýðîçîëüíîìó àíàëèçàòîðó áåç çíà÷èòåëüíîãî èñêàæåíèÿ ñïåêòðàëüíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ àýðîçîëÿ [5]. ÀÊÂ-2 (ðèñ. 1) îñíàùåíà ÝÂÌ, ôèêñèðóþùåé ñèãíàëû îò ïðèåìíîé ÷àñòè äàò÷èêîâ ÷åðåç óñòðîéñòâî ñîïðÿæåíèÿ [2] è, îäíîâðåìåííî, ÷åðåç ñòàíäàðòíûå COM-ïîðòû ðåãèñòðèðóþùåé ïðîòîêîëû äàííûõ îò ãàçîàíàëèçàòîðîâ è GPS-íàâèãàòîðà. Íà ÝÂÌ óñòàíîâëåíî ïðîãðàììíîå îáåñïå÷åíèå, êîòîðîå ïîçâîëÿåò âûáèðàòü ðåæèì ïðîâåäåíèÿ èçìåðåíèé. Ñòàíöèÿ ñïîñîáíà ïðî-âîäèòü èçìåðåíèÿ êàê â ñòàöèîíàðíîì ïîëîæåíèè, òàê è â äâèæåíèè; â ïîñëåäíåì ñëó÷àå ïðåäó-ñìîòðåíà ñèíõðîííàÿ çàïèñü â áàçó äàííûõ âìåñòå ñ èçìåðÿåìûìè ïàðàìåòðàìè êîîðäèíàò ïîëî-æåíèÿ ñòàíöèè, ôèêñèðóåìûõ íàâèãàòîðîì. Ñ÷èòûâàíèå ïîêàçàíèé îñóùåñòâëÿåòñÿ ñ ÷àñòîòîé îäèí ðàç â ñåêóíäó, îäíàêî íå âñåãäà åñòü íåîáõîäèìîñòü ðàáîòàòü ñ òàêèì áîëüøèì îáúåìîì äàííûõ è ïðè äëèòåëüíûõ ñòàöèîíàðíûõ èçìåðåíèÿõ ïðèìåíÿåòñÿ ðåæèì èçìåðåíèé, àíàëîãè÷-íûé ðåæèìó ðàáîòû TOR-ñòàíöèè [1]: 10 ìèí – ïðîäóâêà, 10 ìèí – èçìåðåíèå. Ïàðàìåòðû, èç-ìåðÿåìûå Ìîáèëüíîé ñòàíöèåé, íàèìåíîâàíèå è õàðàêòåðèñòèêè ïðèáîðîâ ïðèâåäåíû â òàáëèöå.

Õàðàêòåðèñòèêè èçìåðèòåëüíîé àïïàðàòóðû, óñòàíàâëèâàåìîé íà Ìîáèëüíîé ñòàíöèè

Ïàðàìåòð Ïðèáîð Ïðåäåëû

îáíàðóæåíèÿ Äèàïàçîí

èçìåðÿåìûõ çíà÷åíèé Ïîãðåøíîñòü

Òåìïåðàòóðà è âëàæíîñòü

HYCAL Äàò÷èê Products Hon-eywell Inc., Ìîäåëü: IH – 3602C

0,1 °C; 1%

T –70 – +70 °C Îòí. âëàæíîñòü 0 – 100%

±0,5 °C; ±7%

Ñêîðîñòü âåòðà Àíåìîðóìáîìåòð M-63 wd, ãðàä v, ì/ñ

0...360 0...40

±10% ±10%

Ñóììàðíàÿ ñîë-íå÷íàÿ ðàäèàöèÿ

Ïèðàíîìåòð M-115ì 10 Âò/ì2 0–1368 Âò/ì2 ±10%

Ôîòîýëåêòðè÷åñêèé ñ÷åò÷èê ÷àñòèö ÀÇ-6 (12-êàíàëüíûé)

0,4 ìêì ≤ d ≤ 10,0 ìêì

N äî 300 ñì–3 ±20% Ñ÷åòíàÿ êîíöåí-òðàöèÿ ÷àñòèö è ðàñïðåäåëåíèå ïî ðàçìåðàì

Äèôôóçèîííûé ñïåêòðîìåòð àýðîçîëÿ (8-êàíàëüíàÿ ñåò÷àòàÿ äèôôóçèîííàÿ áàòàðåÿ)

3 íì ≤ d ≤200 íì N äî 105 ñì–3 ±10%

NO Õåìèëþìèíåñöåíòíûé 0,1 ìêã/ì3 0–1000 ìêã/ì3 ± 25% NO2 Õåìèëþìèíåñöåíòíûé 1 ìêã/ì3 0–1000 ìêã/ì3 ± 25% O3 Õåìèëþìèíåñöåíòíûé 1 ìêã/ì3 1–1000 ìêã/ì3 ± 15% SO2 Õåìèëþìèíåñöåíòíûé 1 ìêã/ì3 0–2000 ìêã/ì3 ± 25% CO2 Îïòè÷åñêèé ÈÊ-äèàïàçîíà 100 ppm 0–2000 ppm ±20%

Êîíöåíòðàöèè ìàëûõ ãàçîâûõ ñîñòàâëÿþùèõ

CO Ýëåêòðîõèìè÷åñêèé 0,1 ìã/ì3 0–400 ìã/ì3 ±20% Õèì. ñîñòàâ àýðîçîëÿ âîçäóõà

Ôèëüòðîàñïèðàöèîííàÿ óñòàíîâ-êà (äî 10 ì3/÷/ôèëüòð)

äî 10 èîíîâ, 25 ýëåìåíòîâ

Îïðåäåëÿþòñÿ ìåòîäèêîé àíàëèçà ïî êàæäîìó îòäåëüíîìó õèìè÷åñêîìó

êîìïîíåíòó

Page 19: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

19

Ðèñ. 1. Ñòàíöèÿ AKB: 1, 2, 3 – ñòîéêè ñ èçìåðèòåëüíîé àïïàðàòóðîé; 4 – ýíåðãåòè÷åñêèé ìîäóëü; 5 – àýðî-çîëüíî-ãàçîâûé çàáîðíèê; 6 – ìåòåîñòàíöèÿ íà òåëåñêîïè÷åñêîé ìà÷òå ÕÆ4.115.025Ñï

ÀÊÂ-2 îñíàùåíà àâòîíîìíûì èñòî÷íèêîì ïèòàíèÿ íà îñòîâå àêêóìóëÿòîðíûõ áàòàðåé 24  è îäíîôàçíûõ ïðåîáðàçîâàòåëåé íàïðÿæåíèÿ â ∼ 220 Â. Íàëè÷èå àâòîíîìíîãî ïèòàíèÿ ïîçâîëÿåò îïåðàòèâíî ïðèñòóïàòü ê èçìåðåíèÿì ãàçîâûõ è àýðîçîëüíûõ êîìïîíåíò àòìîñôåðû, òàê êàê ðåãè-ñòðèðóþùàÿ àïïàðàòóðà ìîæåò áûòü äîñòàâëåíà ê ìåñòó ïðîâåäåíèÿ èçìåðåíèé óæå â ðàáî÷åì ñî-ñòîÿíèè, ò.å. îòñóòñòâóåò íåîáõîäèìîñòü ïðåäâàðèòåëüíîãî ïðîãðåâà, êàëèáðîâêè è îæèäàíèÿ âû-õîäà ñòàíöèè íà ðàáî÷èé ðåæèì. Òàêèì îáðàçîì, âðåìÿ, íåîáõîäèìîå äëÿ ïðèâåäåíèÿ ñòàíöèè â ðàáî÷åå ïîëîæåíèå, ñîêðàùàåòñÿ äî íåñêîëüêèõ ìèíóò. Ýòî ñâîéñòâî îñîáåííî âàæíî, êîãäà èçìå-ðåíèÿ ìîãóò ïðîâîäèòüñÿ â ìåñòàõ, ïîäâåðæåííûõ ñèëüíûì àíòðîïîãåííûì âûáðîñàì çàãðÿçíÿþ-ùèõ âåùåñòâ â àòìîñôåðó, è íåæåëàòåëåí äëèòåëüíûé êîíòàêò îïåðàòîðîâ ñòàíöèè ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé.  ìåñòàõ ïðîäîëæèòåëüíîãî áàçèðîâàíèÿ ìîáèëüíîé ñòàíöèè ïðåäóñìîòðåíà âîçìîæíîñòü ýëåêòðîïèòàíèÿ àïïàðàòóðû, êàê îò âíåøíåé ñåòè, òàê è îò êîìïàêòíîãî ýëåêòðîáåíçîãåíåðàòîðà ∼ 220 Â, êîòîðûì îíà îñíàùåíà. Ýòî ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü ñòàíöèþ êàê âðåìåííûé ïîñò êîí-òðîëÿ êà÷åñòâà âîçäóõà, íè÷åì íå óñòóïàþùèé ñòàöèîíàðíîìó àâòîìàòèçèðîâàííîìó ïîñòó, êàê íà òåððèòîðèè ãîðîäà, ãäå ïðîáëåìà ïîèñêà âíåøíåãî ïèòàíèÿ íå ÿâëÿåòñÿ ñóùåñòâåííîé, òàê è ôî-íîâûõ òî÷êàõ, óäàëåííûõ îò íàñåëåííûõ ïóíêòîâ è ëèíèé ýëåêòðîïåðåäà÷.

 ñâÿçè ñ òåì ÷òî â ã. Òîìñêå îòñóòñòâóþò ñòàöèîíàðíûå àâòîìàòèçèðîâàííûå ïîñòû, îòñëå-æèâàþùèå êà÷åñòâî âîçäóõà ñ òàêèì æå äèàïàçîíîì èçìåðÿåìûõ êîìïîíåíò, êàê íà TOR-ñòàíöèè, íàëè÷èå Ìîáèëüíîé ñòàíöèè ïîçâîëèò ðåøàòü íàó÷íûå çàäà÷è, ñâÿçàííûå ñ ïåðåíîñîì çàãðÿç-íÿþùèõ âåùåñòâ è èäåíòèôèêàöèåé èñòî÷íèêîâ âûáðîñîâ, ïîñêîëüêó ïî äàííûì òîëüêî ñòàöèî-íàðíîãî ïîñòà íå óäàåòñÿ ñîïîñòàâèòü ïèêè êîíöåíòðàöèé, îïàñíûõ äëÿ çäîðîâüÿ íàñåëåíèÿ, ñ èñòî÷íèêàìè èõ ïðîèñõîæäåíèÿ.

Ëèòåðàòóðà

1. Àðøèíîâ Ì.Þ., Áåëàí Á.Ä., Çóåâ Â.Â. è äð. TOR-ñòàíöèÿ ìîíèòîðèíãà àòìîñôåðíûõ ïàðàìåòðîâ // Îïòèêà àòìîñôåðû è îêåàíà. 1994. Ò. 7. ¹ 8. Ñ. 1085.

2. Áåëàí Á.Ä., Êîâàëåâñêèé Â.Ê., Ïëîòíèêîâ À.Ï. è äð. Óñòðîéñòâî ñîïðÿæåíèÿ ýêñïåðèìåíòàëüíîãî îáîðóäîâàíèÿ ñ IBM-ñîâìåñòèìûì ïåðñîíàëüíûì êîìïüþòåðîì // Ïðèáîðû è òåõíèêà ýêñïåðèìåíòà. 1999. ¹ 1. Ñ. 156–157.

3. Òåõíè÷åñêîå îïèñàíèå è èíñòðóêöèÿ ïî ýêñïëóàòàöèè ÕÆ4.115.003 ÒÎ. Òåëåñêîïè÷åñêàÿ ìà÷òà. 4. Ôóêñ Í. Ìåõàíèêà àýðîçîëåé. Ì., 1957. 350 ñ. 5. Baron P.A., Willeke K. Aerosol measurement: principles, techniques, and applications. USA, 2001.

1132 p.

5

6

1, 2, 3

4

Page 20: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

20

ÏÐÈÌÅÍÅÍÈÅ ÌÅÒÎÄÀ ÊÎÐÐÅËßÖÈÎÍÍÎÃÎ ÑËÅÆÅÍÈß ÄËß ÊÎÍÒÐÎËß ÑÊÎÐÎÑÒÈ ÏÅÐÅÌÅÙÅÍÈß ÀÝÐÎÇÎËÜÍÛÕ

ÎÁÐÀÇÎÂÀÍÈÉ Â ÀÒÌÎÑÔÅÐÅ Ñ ÈÑÏÎËÜÇÎÂÀÍÈÅÌ ÂÈÄÅÎÈÍÔÎÐÌÀÖÈÈ

Þ.Ñ. Áàëèí, À.Ä. Åðøîâ, Ï.À. Êîíÿåâ, Ä.Ñ. Ëîìàêèí

Èíñòèòóò îïòèêè àòìîñôåðû ÑÎ ÐÀÍ, ã. Òîìñê E-mail: [email protected]

Ïðèâîäÿòñÿ ðåçóëüòàòû îöåíêè ñêîðîñòè ðàñïðîñòðàíåíèÿ àýðîçîëüíûõ øëåéôîâ îò ëîêàëü-íîãî èñòî÷íèêà àýðîçîëüíûõ âûáðîñîâ, à òàêæå îáëà÷íûõ ôîðìèðîâàíèé íà îñíîâå îáðàáîòêè âèäåîèçîáðàæåíèé, ïîëó÷åííûõ ñ ïîìîùüþ ñòàíäàðòíîé âèäåîêàìåðû SONY.

Ïðîñòðàíñòâåííûé êîððåëÿöèîííûé àíàëèç ââåäåííûõ â êîìïüþòåð âèäåîêàäðîâ îñóùåñòâëÿ-åòñÿ èñïîëüçîâàíèåì àëãîðèòìà áûñòðîãî ïðåîáðàçîâàíèÿ Ôóðüå ïî ñìåøàííîìó îñíîâàíèþ.

Îáñóæäàþòñÿ óñòîé÷èâîñòü ìåòîäà, îñîáåííîñòè îáðàáîòêè ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ â ðàç-ëè÷íûõ àòìîñôåðíûõ ñèòóàöèÿõ (ôîí, êîíòðàñòíîñòü è ò.ä.).

Ââåäåíèå

Íåîáõîäèìîñòü ïîëó÷åíèÿ äàííûõ î ïàðàìåòðàõ ñêîðîñòè âåòðà â ìåñòàõ, íå äîñòóïíûõ äëÿ óñòàíîâêè äàò÷èêîâ, à òàêæå óñðåäíåííûõ ïî òðàññå, ïëîùàäè èëè îáúåìó, òðåáóåò ðàçâè-òèÿ äèñòàíöèîííûõ è áåñêîíòàêòíûõ ìåòîäîâ è ñðåäñòâ èçìåðåíèÿ âåëè÷èíû ñêîðîñòè è íà-ïðàâëåíèÿ âåòðà. Ëàçåðíî-ëîêàöèîííûå ñèñòåìû, ñî÷åòàþùèå ïðîñòðàíñòâåííûé è âðåìåííîé ñúåì èíôîðìàöèè î ðàññåèâàþùèõ ñâîéñòâàõ àòìîñôåðû, ìîæíî èñïîëüçîâàòü òàêæå äëÿ èçìåðå-íèÿ ïðîôèëÿ ñêîðîñòè âåòðà ñ ïðèìåíåíèåì âðåìåííîãî è ïðîñòðàíñòâåííîãî êîððåëÿöèîííîãî àíàëèçà [1].

 òî æå âðåìÿ âåñüìà ïåðñïåêòèâíûì äëÿ ýòèõ öåëåé ïðåäñòàâëÿåòñÿ ïðèìåíåíèå ïàññèâíûõ ñðåäñòâ íàáëþäåíèé, â ÷àñòíîñòè âèäåîêàìåð, êîòîðûå ïîçâîëÿþò ðåãèñòðèðîâàòü ïðîñòðàíñòâåí-íîå èçîáðàæåíèå âñåãî àýðîçîëüíîãî îáúåêòà â öåëîì â ðåàëüíîì ìàñøòàáå âðåìåíè.  äàëüíåé-øåì íà îñíîâå êîððåëÿöèîííûõ ìåòîäîâ îáðàáîòêè âðåìåííîãî ðÿäà âèäåîèçîáðàæåíèé âîçìîæíà îöåíêà ñêîðîñòè ðàñïðîñòðàíåíèÿ àýðîçîëüíûõ øëåéôîâ îò ëîêàëüíîãî èñòî÷íèêà àýðîçîëüíûõ âûáðîñîâ, à òàêæå îáëà÷íûõ îáðàçîâàíèé. Îñíîâíàÿ çàäà÷à ïðè ýòîì çàêëþ÷àåòñÿ â îöåíêå ïðî-ñòðàíñòâåííîãî ìàñøòàáà àýðîçîëüíûõ íåîäíîðîäíîñòåé.

1. Àïïàðàòóðà è ìåòîä

Ñîçäàí êîìïëåêñ äëÿ êîíòðîëÿ ñêîðîñòè ïåðåìåùåíèÿ àýðîçîëüíûõ îáúåêòîâ (ðèñ. 1), ñî-ñòîÿùèé èç:

– ëèäàðà «ËÎÇÀ» 1; – ñòàíäàðòíîé âèäåîêàìåðû SONY CCD-TR490E 2; – êîìïüþòåðà ñ ïëàòîé âèäåîââîäà 3; – ïðîãðàììíîãî îáåñïå÷åíèÿ, ðàçðàáîòàííîãî ñïåöèàëüíî äëÿ ýòîé ñèñòåìû (ìàòåìàòèêà –

Visual Fortran 6.5, èíòåðôåéñ – Visual Basic 6.0). Êîìïëåêñ ïîçâîëÿåò îöåíèâàòü ñêîðîñòü ïåðåìåùåíèÿ àýðîçîëüíûõ îáðàçîâàíèé â ñëåäóþùèõ

ñèòóàöèÿõ: 1. Îáùèé ñëó÷àé – âåðòèêàëüíîå è íàêëîííîå çîíäèðîâàíèå. Îòñóòñòâèå â ïîëå çðåíèÿ ðå-

ïåðíûõ îáúåêòîâ. Ñî÷åòàåò ïàññèâíûé è àêòèâíûé ìåòîäû ñúåìà èíôîðìàöèè. Ïðîñòðàíñòâåííûé ìàñøòàá èçî-

áðàæåíèÿ îáúåêòà, à òàêæå ñêîðîñòü åãî ïåðåìåùåíèÿ îïðåäåëÿþòñÿ èç óãëà ïîëÿ çðåíèÿ âèäåî-êàìåðû è äàëüíîñòè äî îáúåêòà (îïðåäåëÿåòñÿ ëèäàðîì).

Óãîë ïîëÿ çðåíèÿ âèäåîêàìåðû èçâåñòåí äëÿ äâóõ ñëó÷àåâ: íóëåâîå ïðèáëèæåíèå (2α = 45°) è ïðè óâåëè÷åíèè â 12 ðàç (2α = 4°).

2. Ñëàáîíàêëîííûå è ãîðèçîíòàëüíûå òðàññû. Ïðèñóòñòâèå â ïîëå çðåíèÿ ðåïåðíûõ îáúåêòîâ. 2.1. Ïàññèâíûé ìåòîä ñúåìà èíôîðìàöèè. Ïðîñòðàíñòâåííûé ìàñøòàá îïðåäåëÿåòñÿ ïðè íà-ëè÷èè â êàäðå ðåïåðíîãî îáúåêòà ñ èçâåñòíûìè ãåîìåòðè÷åñêèìè ïàðàìåòðàìè. Àýðîçîëüíûå îáðà-çîâàíèÿ äîëæíû íàõîäèòüñÿ ñ íèì â îäíîé ïëîñêîñòè, îðòîãîíàëüíîé âåêòîðó íàáëþäåíèÿ (øëåéô èç òðóáû).

Page 21: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

21

2.2. Ïàññèâíûé ìåòîä ñúåìà èíôîðìàöèè. Ïðîñòðàíñòâåííûé ìàñøòàá îïðåäåëÿåòñÿ ïðè íà-ëè÷èè â êàäðå ðåïåðíîãî îáúåêòà ñ èçâåñòíûìè ãåîìåòðè÷åñêèìè ïàðàìåòðàìè è äàëüíîñòüþ. Ýòà èíôîðìàöèÿ ïîçâîëÿåò êîíòðîëèðîâàòü óãîë ïîëÿ çðåíèÿ êàìåðû ïðè íåîáõîäèìîñòè ìàñøòàáè-ðîâàíèÿ ðàçìåðîâ èçîáðàæåíèÿ àýðîçîëüíîãî îáëàêà. Åñëè èññëåäóåìîå àýðîçîëüíîå îáðàçîâàíèå è ðåïåð íàõîäÿòñÿ â ðàçíûõ ïëîñêîñòÿõ, íåîáõîäèìî îïðåäåëèòü äàëüíîñòü äî îáëàêà.

Îöåíêà ðàññòîÿíèÿ äî îáúåêòà ñ ïîìîùüþ ëèäàðà òðóäíîñòåé íå ïðåäñòàâëÿåò, ïîýòîìó îñ-íîâíîå âíèìàíèå óäåëÿåòñÿ îïèñàíèþ ïàññèâíîãî ìåòîäà.

 îñíîâó îáðàáîòêè âèäåîèíôîðìàöèè ïîëîæåíà êîððåëÿöèîííàÿ ìåòîäèêà ñëåæåíèÿ çà äâè-æóùèìèñÿ îáúåêòàìè, ïðèìåíÿåìàÿ â ðàçëè÷íûõ îáëàñòÿõ íàóêè è òåõíèêè – ñèñòåìû íàáëþäå-íèÿ («ìàøèííîå çðåíèå»), àäàïòèâíàÿ îïòèêà è ò.ä. [2].

Ðèñ. 1. Êîìïëåêñ äëÿ êîíòðîëÿ ñêîðîñòè ïåðåìåùåíèÿ àýðîçîëüíûõ îáúåêòîâ: ëèäàð (1), âèäåîêàìåðà (2), êîìïüþòåð (3)

Íà ðèñ. 2 ïðèâåäåí îáùèé âèä ïðîãðàììû. Êîððåëÿöèîííàÿ ìåòîäèêà èçìåðåíèé ñìåùåíèÿ ôðàãìåíòà èçîáðàæåíèÿ çàêëþ÷àåòñÿ â ñëåäóþùåì:

– âûáèðàåòñÿ õàðàêòåðíàÿ îáëàñòü â êàäðå äèíàìè÷åñêîãî âèäåîèçîáðàæåíèÿ (ðàçìåðû è ïî-ëîæåíèå ïðÿìîóãîëüíîãî îêíà êîððåëÿöèîííîãî àíàëèçà);

– ïî êîìàíäå «íà÷àòü ñëåæåíèå» çàïîìèíàåòñÿ îïîðíûé êàäð (ïðÿìîóãîëüíàÿ ìàòðèöà çíà÷å-íèé ÿðêîñòè ïèêñåëåé èçîáðàæåíèÿ â îêíå àíàëèçà);

– äàëåå â ðåàëüíîì âðåìåíè ðàññ÷èòûâàåòñÿ äâóìåðíàÿ âçàèìíàÿ êîððåëÿöèîííàÿ ôóíêöèÿ îïîðíîãî è òåêóùåãî êàäðîâ, íàõîäÿòñÿ êîîðäèíàòû åå ìàêñèìóìà, êîòîðûå è îïðåäåëÿþò âåëè-÷èíó ñìåùåíèÿ òåêóùåãî êàäðà îòíîñèòåëüíî îïîðíîãî;

– ïî ñèãíàëó ïðîãðàììíîãî òàéìåðà êàæäóþ ñåêóíäó ïðîèñõîäÿò îáíîâëåíèå îïîðíîãî êàäðà è îòîáðàæåíèå ðåçóëüòàòîâ êîððåëÿöèîííîãî àíàëèçà â âèäå çíà÷åíèé êîìïîíåíò ìîäóëÿ è âåêòî-ðà ñêîðîñòè âåòðà.

Ïðîñòðàíñòâåííûé êîððåëÿöèîííûé àíàëèç ââåäåííûõ â êîìïüþòåð âèäåîêàäðîâ îñóùåñòâ- ëÿåòñÿ ñ èñïîëüçîâàíèåì àëãîðèòìà áûñòðîãî ïðåîáðàçîâàíèÿ Ôóðüå ïî ñìåøàííîìó îñíîâàíèþ [3, 4]:

( ) ( ) ( ) ,

( ) [ ( )] [ ( )] ,

RC R C

RC R C

C I r I r dr

C F F I r F I r+ − −

δ = × + δ

⎡ ⎤δ = × + δ⎣ ⎦

∫∫

ãäå IR – îïîðíûé êàäð, IÑ – òåêóùèé êàäð; F – ÁÏÔ ïî ñìåøàííîìó îñíîâàíèþ.

Page 22: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

22

Ðèñ. 2. Îáùèé âèä ïðîãðàììû

Îãðàíè÷åíèÿ ìåòîäà: 1. ×àñòîòà êîëåáàíèÿ îáúåêòà äîëæíà áûòü ìåíüøå 10 Ãö, ïîñêîëüêó ïðè ââîäå âèäåîèíôîð-

ìàöèè â êîìïüþòåð ÷àñòîòà êàäðîâ ñîñòàâëÿåò 10 êàäðîâ â ñåêóíäó; 2. Ëèíåéíîå ïåðåìåùåíèå èññëåäóåìîãî îáúåêòà çà âðåìÿ íàêîïëåíèÿ èíôîðìàöèè äîëæíî

áûòü ìåíüøå îêíà êîððåëÿöèè. Ïðè èññëåäîâàíèè ïåðåíîñà ðåàëüíûõ àòìîñôåðíûõ îáðàçîâàíèé ýòè îãðàíè÷åíèÿ íå ñêàçû-

âàþòñÿ íà êà÷åñòâå ïîëó÷àåìîé èíôîðìàöèè.

2. Ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòà

 íàòóðíûõ óñëîâèÿõ áûëè ïðîâåäåíû ýêñïåðèìåíòû ïî îöåíêå ñêîðîñòè ïåðåìåùåíèÿ: I. Àýðîçîëüíûõ çàãðÿçíåíèé (ïàññèâíûé ìåòîä ñúåìà èíôîðìàöèè); II. Îáëà÷íûõ îáðàçîâàíèé (ñî÷åòàíèå ïàññèâíîãî è àêòèâíîãî ìåòîäîâ). I. Äûìîâîé øëåéô.  êà÷åñòâå èñòî÷íèêà àýðîçîëüíûõ âûáðîñîâ áûëà âûáðàíà äûìîâàÿ òðóáà ÃÐÝÑ-2

(ã. Òîìñê). Ñúåì èíôîðìàöèè ïðîâîäèëñÿ â 15 ÷ 20 àïðåëÿ 2004 ãîäà íà ðàññòîÿíèè ïðÿìîé âè-äèìîñòè 3200 ì. Âûñîòà è äèàìåòð òðóáû ñîñòàâëÿþò ñîîòâåòñòâåííî 100 è 8 ì. Äèàìåòð òðóáû ïîñëóæèë ðåïåðíîé òî÷êîé, îòíîñèòåëüíî êîòîðîé áûëè ðàññ÷èòàíû óãîë ïîëÿ çðåíèÿ âèäåîêàìå-ðû íà èñïîëüçóåìûõ ïðèáëèæåíèÿõ, ïðîñòðàíñòâåííûé ìàñøòàá îáúåêòà, à òàêæå ñêîðîñòü ïåðå-ìåùåíèÿ îáúåêòà (ìåòîä îáðàáîòêè 2.1).

Ðàññìîòðåíû ðàçëè÷íûå âàðèàíòû çàõâàòà îáúåêòà ïðè ðàçìåðå îáëàñòè àíàëèçà 96 õ 96 ïèê-ñåëåé: â íà÷àëå, ñåðåäèíå è êîíöå àýðîçîëüíîãî øëåéôà (ðèñ. 3). Ìåòîä óñòîé÷èâ, è äèñïåðñèÿ ñêîðîñòåé íåáîëüøàÿ.

Êðîìå òîãî, ðåàëèçîâàíû âàðèàíòû çàõâàòà ïðè ðàçëè÷íûõ çàïîëíåíèÿõ îêíà àíàëèçà îáúåê-òîì (äûìîâûì øëåéôîì): 1) êîãäà êîíòóðû îáúåêòà âõîäÿò â îêíî è ÷åòêî ðàçëè÷èìû (ðèñ. 4, à); 2) êîãäà îáúåêò ïîëíîñòüþ çàïîëíÿåò îêíî êîððåëÿöèè, êîíòóðû íå âõîäÿò â îêíî (ðèñ. 4, á); 3) ïî îñòàòêàì äûìîâîãî øëåéôà (ðèñ. 4, â).  ïåðâîì ñëó÷àå ìåòîä ðàáîòàåò óñòîé÷èâî. Ýòî èäå-àëüíûé âàðèàíò àíàëèçà: ÷åòêèå ãðàíèöû îáúåêòà âõîäÿò â îêíî, îáúåêò ñìåùàåòñÿ ìîíîòîííî è ñîõðàíÿåò ñâîþ ôîðìó. Âî âòîðîì ñëó÷àå ìåòîä òàêæå ðàáîòàåò, íî âðåìÿ îò âðåìåíè ïðîèñõîäèò ñðûâ. ×òîáû ýòîãî íå ïðîèñõîäèëî, íåîáõîäèìî, ÷òîáû ñòðóêòóðà èññëåäóåìîãî îáúåêòà â îêíå êîððåëÿöèè áûëà íåìîíîòîííà.  òðåòüåì ñëó÷àå, êîãäà ðàññìàòðèâàåòñÿ êîððåëÿöèÿ íà êîíöå øëåéôà, ìåòîä óñòîé÷èâ (ÂÊÔ çíà÷èìà), ïîêà ïîëå íåîäíîðîäíîñòåé àýðîçîëÿ ñîõðàíÿåò ôîðìó.

Page 23: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

23

à á â Ðèñ. 3

à á â Ðèñ. 4

Ïðè òàêèõ óñëîâèÿõ ðåçóëüòàòû îáðàáîòêè äàííûõ ïîêàçàëè, ÷òî ñðåäíÿÿ ñêîðîñòü ðàñïðî-ñòðàíåíèÿ àýðîçîëüíîãî øëåéôà ðàâíà 7 ì/ñ. Ïðè ýòîì ïî äàííûì TOR-ñòàíöèè ÈÎÀ ñêîðîñòü âåòðà íà âûñîòå 40 ì ñîñòàâëÿëà 7,3 ì/ñ (ðèñ. 5), à íàïðàâëåíèå – þæíîå, ò.å. âåêòîð ðàñïðî-ñòðàíåíèÿ äûìîâîãî øëåéôà áûë ïðàêòè÷åñêè ïåðïåíäèêóëÿðåí âåêòîðó íàáëþäåíèÿ (≈ 7°). Òà-êèì îáðàçîì, äàííûå, ïîëó÷åííûå â ðåçóëüòàòå ýêñïåðèìåíòà, íå ïðîòèâîðå÷àò ïîêàçàíèÿì TOR-ñòàíöèè.

Ðèñ. 5. Ñêîðîñòü âåòðà íà âûñîòàõ 10 (1) è 40 ì (2) (äàííûå ìåòåîìà÷òû ñòàíöèè ÈÎÀ)

II. Îáëà÷íûå ïîëÿ. Ñúåì èíôîðìàöèè ïðîâîäèëñÿ 6 èþíÿ 2004 ã. ïîä óãëîì 45° ê ãîðèçîíòó, îáëà÷íîñòü: ñëîè-

ñòî-êó÷åâàÿ (Stratocumulus). Äàëüíîñòü äî îáðàçîâàíèé 2 êì, âûñîòà îáëàêîâ 1,4 êì. Ïðè íóëå-âîì ïðèáëèæåíèè óãîë ïîëÿ çðåíèÿ âèäåîêàìåðû ñîñòàâëÿåò 45° (ò.å. ïîëóøèðèíà α = 22,5°),

Page 24: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

24

ñîîòâåòñòâåííî ïðîñòðàíñòâåííûé ìàñøòàá èçîáðàæåíèÿ 1400 ì. Íà ðèñ. 6 ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòà, ïî êîòîðûì ñðåäíÿÿ ñêîðîñòü ïåðåìåùåíèÿ îáëàêîâ ñîñòàâëÿåò 9,9 ì/ñ, íàïðàâëå-íèå – þãî-çàïàäíîå.

à á â

ã ä

Ðèñ. 6

Òàêèì îáðàçîì, ïîëó÷åííûå ðåçóëüòàòû íå ïðîòèâîðå÷àò äàííûì ñóùåñòâóþùèõ ìîäåëåé ñòðàòèôèêàöèè ñêîðîñòè âåòðà [5].

Äëÿ îïðåäåëåíèÿ ñêîðîñòè è íàïðàâëåíèÿ ïåðåìåùåíèÿ îáëà÷íûõ ôîðìèðîâàíèé èäåàëüíûì âàðèàíòîì ÿâëÿåòñÿ âåðòèêàëüíûé ñúåì èíôîðìàöèè.  ýòîì ñëó÷àå ïîãðåøíîñòü èçìåðåíèÿ ìè-íèìàëüíà, à òî÷íîñòü – ìàêñèìàëüíà.

Âûâîäû

Ðàçðàáîòàí àïïàðàòóðíûé êîìïëåêñ äëÿ êîíòðîëÿ ñêîðîñòè ïåðåìåùåíèÿ àýðîçîëüíûõ îáðà-çîâàíèé â àòìîñôåðå, ñî÷åòàþùèé ïàññèâíûé è àêòèâíûé ìåòîäû ïîëó÷åíèÿ èíôîðìàöèè ñ ïî-ñëåäóþùåé êîððåëÿöèîííîé îáðàáîòêîé. Êîìïëåêñ ïîçâîëÿåò èññëåäîâàòü äèíàìèêó àýðîçîëüíûõ îáðàçîâàíèé â ðåàëüíîì ìàñøòàáå âðåìåíè: ïðîñòðàíñòâåííîå ïîëîæåíèå, ñêîðîñòü ïåðåìåùåíèÿ, ñòðóêòóðà îáðàçîâàíèÿ.  íàòóðíûõ óñëîâèÿõ ïðîâåäåíà àïðîáàöèÿ ìåòîäà è êà÷åñòâåííî îöåíåíà ïîãðåøíîñòü îïðåäåëåíèÿ ñêîðîñòè ïåðåìåùåíèÿ àýðîçîëüíûõ îáðàçîâàíèé, êîòîðàÿ ñîñòàâëÿåò 5–7%. Óñòîé÷èâîñòü ìåòîäà è äîñòîâåðíîñòü ðåçóëüòàòîâ ñîõðàíÿþòñÿ ïðè èçìåíåíèè ìàñøòàáà.

Ëèòåðàòóðà

1. Ìàòâèåíêî Ã.Ã., Çàääå Ã.Î., Ôåðäèíàíäîâ Ý.Ñ. è äð. Êîððåëÿöèîííûå ìåòîäû ëàçåðíî-ëîêàöèîííûõ èçìåðåíèé ñêîðîñòè âåòðà. Íîâîñèáèðñê: Íàóêà, 1985.

2. Ðàñïîçíàâàíèå îáðàçîâ ïðè ïîìîùè öèôðîâûõ âû÷èñëèòåëüíûõ ìàøèí. Íàóêà äëÿ òåõíèêè. Ñîâðå-ìåííàÿ ýëåêòðîíèêà / Ïîä ðåä. Ë. Õàðìîíà: Ïåð. ñ àíãë.; Ïðåäèñë. Í.Í. Ãîâîðóíà. Ì.: Ìèð, 1974. 163 ñ.

3. Àíòîøêèí Ë.Â., Áîòûãèíà Í.Í., Åìàëååâ Î.Í., Êîâàäëî Ï.Ã, Êîíÿåâ Ï.À., Ëóêèí Â.Ï., Ïåò-ðîâ À.È., ßíêîâ À.Ï. Àäàïòèâíàÿ îïòè÷åñêàÿ ñèñòåìà ñ êîððåëÿöèîííûì äàò÷èêîì ñìåùåíèÿ // Îï-òèêà àòìîñôåðû è îêåàíà. 2002. Ò. 15. ¹ 11. Ñ. 1027–1030.

Page 25: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

25

4. Àíòîøêèí Ë.Â., Áîòûãèíà Í.Í., Åìàëååâ Î.Í., Ãðèãîðüåâ Â.Ì., Êîíÿåâ Ï.À., Ëóêèí Â.Ï., Êî- âàäëî Ï.Ã., Ñêîìîðîâñêèé Â.È., ßíêîâ À.Ï. Ðàçðàáîòêà è èññëåäîâàíèå àäàïòèâíîé îïòè÷åñêîé ñèñ-òåìû ñîëíå÷íîãî òåëåñêîïà // Àâòîìåòðèÿ. 2003. Ò. 39. ¹ 5. Ñ. 77–90.

5. Áåëåíüêèé Ì.Ñ., Çàääå Ã.Î., Êîìàðîâ Â.Ñ., Êðåêîâ Ã.Ì., Íîñîâ Â.Â., Ïåðøèí À.À., Õàìà- ðèí Â.È., Öâåðàâà Â.Ã. Îïòè÷åñêàÿ ìîäåëü àòìîñôåðû. Òîìñê: Èçä. Òîì. ôèëèàëà ÑÎ ÀÍ ÑÑÑÐ, 1987. 225 ñ.

ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈÅ ÝÌÈÑÑÈÎÍÍÎÃÎ ÑÏÅÊÒÐÀ ÌÎËÅÊÓËÛ D216O

 ÄÈÀÏÀÇÎÍÅ 1750–4330 ñì–1

Å.Í. Ñòàðèêîâà, Ñ.Í. Ìèõàéëåíêî

Òîìñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò, ÈÎÀ ÑÎ ÐÀÍ, ã. Òîìñê E-mail: [email protected]

 ðàáîòå ïðîâîäèòñÿ òåîðåòè÷åñêîå èññëåäîâàíèå òîíêîé ñòðóêòóðû ñïåêòðà èçëó÷åíèÿ ïàðîâ âîäû (èçîòîïîìåð D2

16O) â ñðåäíåé èíôðàêðàñíîé îáëàñòè ñïåêòðà. Àêòóàëüíîñòü òàêîãî ðîäà èññëåäîâàíèÿ îáóñëîâëåíà â ïåðâóþ î÷åðåäü òåì, ÷òî äåòàëüíîå çíàíèå êîëåáàòåëüíî-âðàùàòåëüíîé ñòðóêòóðû ñïåêòðîâ ìîëåêóë íåîáõîäèìî äëÿ ðåøåíèÿ øèðîêîãî êðóãà íàó÷íûõ è ïðàêòè÷åñêèõ çàäà÷, òàêèõ êàê ìîëåêóëÿðíàÿ ôèçèêà, õèìèÿ, àòìîñôåðíàÿ îïòèêà, ëàçåðíàÿ òåõ-íèêà, ãàçîàíàëèç, ýêîëîãèÿ è ðÿä äðóãèõ.

Öåëè ðàáîòû

Îáðàáîòêà ëèíèé ñïåêòðà ñ ïîìîùüþ ïðîãðàììû SyMath; ïîëó÷åíèå ïàðàìåòðîâ ñïåêòðàëü-íûõ ëèíèé (÷àñòîò, èíòåíñèâíîñòåé è ïîëóøèðèí), èäåíòèôèêàöèÿ ñïåêòðà â äèàïàçîíå 1750–3200 ñì–1; âîññòàíîâëåíèå óðîâíåé ýíåðãèè èç ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ÷àñòîò ïåðåõîäîâ äëÿ ïåðâîé òðèàäû âçàèìîäåéñòâóþùèõ êîëåáàòåëüíûõ ñîñòîÿíèé (020), (100) è (001); îáðàáîòêà ïîëó÷åííûõ óðîâíåé ýíåðãèè â ðàìêàõ ìåòîäà ýôôåêòèâíûõ âðàùàòåëüíûõ ãàìèëüòîíèàíîâ.

Ýôôåêòèâíûé ãàìèëüòîíèàí äëÿ ïåðâîé òðèàäû ðåçîíèðóþùèõ ñîñòîÿíèé

Àíàëèç ìîëåêóëÿðíûõ ñïåêòðîâ âûñîêîãî ðàçðåøåíèÿ â íàñòîÿùåå âðåìÿ íåâîçìîæåí íà îñ-íîâå ðàíåå èñïîëüçóåìûõ, äîñòàòî÷íî ïðîñòûõ òåîðåòè÷åñêèõ ìîäåëåé (íàïðèìåð, ìîäåëè ãàðìî-íè÷åñêîãî îñöèëëÿòîðà è æåñòêîãî âîë÷êà â êîëåáàòåëüíî-âðàùàòåëüíîé ñïåêòðîñêîïèè). Íåîáõî-äèìî ïðèâëåêàòü áîëåå ñëîæíûå â ôèçè÷åñêîì è ìàòåìàòè÷åñêîì ïëàíå ìåòîäû è ìîäåëè: íåïîëè-íîìèàëüíûå ìîäåëè ýôôåêòèâíûõ îïåðàòîðîâ ãàìèëüòîíèàíîâ è äèïîëüíîãî ìîìåíòà, ðåøåíèå îáðàòíîé ñïåêòðîñêîïè÷åñêîé çàäà÷è, ab initio è ãëîáàëüíûå ðàñ÷åòû ïîëíîãî êîëåáàòåëüíî-âðàùàòåëüíîãî ñïåêòðà ìîëåêóëû.

Èçâåñòíî, ÷òî äëÿ ãàðìîíè÷åñêèõ ÷àñòîò ñèììåòðè÷íûõ ìîäèôèêàöèé ìîëåêóëû âîäû (H216O,

H217O, H2

18O, D216O, D2

17O, D218O) ñïðàâåäëèâî ïðèáëèæåííîå ñîîòíîøåíèå

ω1 ≈ 2ω2 ≈ ω3. (1)

 ñèëó ýòîãî âçàèìîäåéñòâóþùèìè îêàçûâàþòñÿ ãðóïïû êîëåáàòåëüíûõ ñîñòîÿíèé (v1v2v3), äëÿ êîòîðûõ âûïîëíÿåòñÿ óñëîâèå

2v1 + v2 + 2v3 = n, n = 0, 1, 2,... . (2)

Òàêèå ãðóïïû ïðèíÿòî íàçûâàòü ïîëèàäàìè. Ïåðåä íàìè ñòîÿëà çàäà÷à èññëåäîâàíèÿ ïåðâîé òðèàäû âçàèìîäåéñòâóþùèõ ñîñòîÿíèé ìîëåêóëû D2

16O. Ïîñêîëüêó ñîñòîÿíèÿ (020) è (100) ÿâ-ëÿþòñÿ ñîñòîÿíèÿìè îäíîãî òèïà ñèììåòðèè, òî ìåæäó íèìè âîçíèêàåò àíãàðìîíè÷åñêîå âçàèìî-äåéñòâèå, êîòîðîå íîñèò íàçâàíèå ðåçîíàíñà Ôåðìè. Âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó ñîñòîÿíèÿìè (100) è (001), èìåþùèìè ðàçëè÷íóþ ñèììåòðèþ, ÿâëÿåòñÿ âçàèìîäåéñòâèåì Êîðèîëèñà. Òàêîå æå âçàè-ìîäåéñòâèå ñâÿçûâàåò ñîñòîÿíèÿ (020) è (001).

Äëÿ òðèàäû âçàèìîäåéñòâóþùèõ ñîñòîÿíèé ýôôåêòèâíûé ãàìèëüòîíèàí ïðåäñòàâëÿåòñÿ îïå-ðàòîðíîé ìàòðèöåé òðåòüåãî ïîðÿäêà

11 21 31

TRI

G 12 22 32

13 23 33

.=

H H H

H H H H

H H H

(3)

Page 26: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

26

Çäåñü ââåäåíû îáîçíà÷åíèÿ äëÿ êîëåáàòåëüíûõ ñîñòîÿíèé: 1 – (020), 2 – (100), 3 – (001). Îïå-ðàòîðû, ñòîÿùèå íà ãëàâíîé äèàãîíàëè, ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé âðàùàòåëüíûå ãàìèëüòîíèàíû òðåõ ñîñòîÿíèé. Äëÿ îïèñàíèÿ óðîâíåé ïåðâîé òðèàäû âðàùàòåëüíûå ãàìèëüòîíèàíû óêàçàííûõ ñî-ñòîÿíèé èñïîëüçîâàëèñü â âèäå ïðîèçâîäÿùèõ ôóíêöèé:

2 2 2i j 20

+ =1 0

/[1 ] u { , },j j ij ji ji xy

j i j iji

g g

= + + γ +∑ ∑ ∑G 0H J J G G J G J (4)

( ) 2

( )

2= ( 1 1)J

zJ+ α −

α

G J , (5)

ãäå α(J) çàâèñèò òîëüêî îò îïåðàòîðà êâàäðàòà ïîëíîãî óãëîâîãî ìîìåíòà J2; ïàðàìåòð γ0 ÿâëÿåòñÿ âàðüèðóåìûì. Îïåðàòîð H12, îïèñûâàþùèé Ôåðìè-âçàèìîäåéñòâèå ìåæäó ñîñòîÿíèÿìè (020) è (100), áûë âûáðàí â ñëåäóþùåì âèäå:

2 2 2

12 000 020 z 002 + = + + ( + ).f f f−

H J J J (6)

Ïðè îáðàáîòêå óðîâíåé ïåðâîé òðèàäû î÷åíü ñèëüíà êîððåëÿöèÿ ìåæäó êîëåáàòåëüíûìè ýíåðãèÿìè ñîñòîÿíèé (020) è (100) è ïàðàìåòðîì f000 â îïåðàòîðå H12, ïîýòîìó ïðè ðåøåíèè îá-ðàòíîé çàäà÷è ýòîò ïàðàìåòð ôèêñèðîâàëñÿ çíà÷åíèåì 34,24 ñì–1 [1].

 ñïåêòðå áûëî îáíàðóæåíî î÷åíü ñèëüíîå ïåðåìåøèâàíèå âñåõ ñîñòîÿíèé. Êîýôôèöèåíòû ñìåøèâàíèÿ îïðåäåëÿþòñÿ ñòàíäàðòíûì îáðàçîì:

2

1 2 3%( ) = C ,K

a c V

K

v v v JK K ∑ (7)

ãäå CK

V – êîýôôèöèåíòû â ðàçëîæåíèè âîëíîâîé ôóíêöèè óðîâíÿ (v1v2v3JKaKc), ïîëó÷àåìîé â

ðåçóëüòàòå äèàãîíàëèçàöèè ìàòðèöû ãàìèëüòîíèàíà:

1 2 3 C .K

a c V

V P K

v v v JK K JK Vγ

= ∑∑ (8)

Ñóììèðîâàíèå ïî v îçíà÷àåò ñóììèðîâàíèå ïî âñåì êîëåáàòåëüíûì ñîñòîÿíèÿì, âõîäÿùèì â ãðóïïó Ð âçàèìîäåéñòâóþùèõ ñîñòîÿíèé.  íàøåì ñëó÷àå Ð = {(020), (100), (001)}.

Îïåðàòîðû êîðèîëèñîâà âçàèìîäåéñòâèÿ H13 è H23 âûáèðàëèñü â âèäå

2

3 001 + 011 + 201 + = c ( ) + c ( ( +1 2)+( +1 2) ) + c ( ) +i z z− − −

− −H J J J J J J J J J

2 2 3 3

021 + 031 + z z+ c ( ( +1) ( +1) ) c ( ( +3 2) +( +3 2) ) +z z

− −

− +J J J J J J J J

+ 3 3 3 3

013 + c ( ( +1 2) +( +1 2) ) +z z −

J J J J2

211 + zc ( ( +1 2)),J J J (9)

i = 1 èëè 2. Îïåðàòîð, îïèñûâàþùèé âçàèìîäåéñòâèå ñîñòîÿíèé (020) è (001), ñîäåðæàë òðè ÷ëå-íà – ñ011, ñ021 è ñ201, à H23, îòâå÷àþùèé çà âçàèìîäåéñòâèå (100) è (001), ñåìü ñëàãàåìûõ – ñ001, ñ011, ñ031, ñ211, ñ013.

Ðåçóëüòàòû àíàëèçà ñïåêòðà

Ñïåêòð, èññëåäîâàâøèéñÿ â íàøåé ðàáîòå, çàðåãèñòðèðîâàë Georg Mellay íà ñïåêòðîìåòðå Bruker IFS 120 HR (ã. Ãèññåí, Ãåðìàíèÿ) ñ ðàçðåøåíèåì 0,015 ñì–1 ïðè òåìïåðàòóðå 1950 Ê.

Íåîáõîäèìî îòìåòèòü, ÷òî ÷àñòîòû ïåðåõîäîâ â ñïåêòðå îïðåäåëÿëèñü ñ ïîìîùüþ ïðîãðàììû Symath, êîòîðàÿ ïðåäíàçíà÷åíà äëÿ îïðåäåëåíèÿ ïîëîæåíèÿ ëèíèé, èõ ïîëóøèðèí è èíòåíñèâíî-ñòåé â ðåçóëüòàòå ñîâìåñòíîãî âàðüèðîâàíèÿ ýòèõ òðåõ ïàðàìåòðîâ ïóòåì ïîäãîíêè ðàñ÷åòíîãî ïðîôèëÿ ëèíèè ê ýêñïåðèìåíòàëüíîìó. ×àñòîòû íàéäåííûõ ëèíèé èçëó÷åíèÿ ïîëîñ 2ν2, ν1 è ν3 ïîçâîëèëè îïðåäåëèòü ðàíåå íåèçâåñòíûå âðàùàòåëüíûå óðîâíè ñîñòîÿíèé (020), (100) è (001).  äèàïàçîíå ÷àñòîò 1750–2000 ñì–1 íàéäåíî äîñòàòî÷íî áîëüøîå êîëè÷åñòâî ëèíèé, ñîîòâåòñò-âóþùèõ ðàçíîñòíîé ïîëîñå ν3 – ν2. Âî âðàùàòåëüíîé ÷àñòè ñïåêòðà 320–860 ñì–1 (èç ýêñïåðèìåí-òàëüíûõ ñïåêòðîâ, èñïîëüçîâàííûõ â íàøèõ ïðåäûäóùèõ ðàáîòàõ) áûëè íàéäåíû ëèíèè ïåðåõî-äîâ âðàùàòåëüíûõ ïîëîñ (020)–(020), (100)–(100) è (001)–(001), à òàêæå ëèíèè ïîëîñ (020)–(100), (020)–(001) è (001)–(100), ÷àñòîòû êîòîðûõ áûëè òàêæå èñïîëüçîâàíû äëÿ îïðåäåëåíèÿ óðîâíåé ýíåðãèè âûøåóêàçàííûõ ñîñòîÿíèé. Êðîìå ýòîãî èñïîëüçîâàëèñü ÷àñòîòû ïåðåõîäîâ, îïóáëèêîâàííûå â ðàáîòàõ [1, 2]. Ïðåäâàðèòåëüíàÿ èäåíòèôèêàöèÿ ÷àñòîò ïåðåõîäîâ ïðîâîäèëàñü

Page 27: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

27

íà îñíîâå ðàñ÷åòà âûñîêîòåìïåðàòóðíîãî ñïåêòðà D2O, ñäåëàííîãî Ñ.À. Òàøêóíîì ïî äàííûì ðàáîò [3, 4].

Ñðàâíåíèå ïîëó÷åííûõ íàìè íàáîðîâ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ óðîâíåé ýíåðãèè ñîñòîÿíèé (020), (100) è (001) ñ íàèáîëåå ïîëíûìè îïóáëèêîâàííûìè íàáîðàìè â ðàáîòàõ [2, 3] ïðèâåäåíî â òàáëèöå, â êîòîðîé ñðàâíèâàåòñÿ îáùåå ÷èñëî óðîâíåé ýíåðãèè, âîññòàíîâëåííûõ èç ÷àñòîò ïå-ðåõîäîâ, è ìàêñèìàëüíûå çíà÷åíèÿ âðàùàòåëüíûõ ÷èñåë J è Ka.

Ñðàâíåíèå ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ ñ ëèòåðàòóðíûìè äàííûìè

Ñîñòîÿíèå ×èñëî

óðîâíåéJ Ka Åmax, cì

–1 ×èñëî óðîâíåé

J Ka Åmax, cì–1

Ðàáîòû [1, 2] Íàøà ðàáîòà (020) 162 16 9 3850 320 26 18 7310 (100) 184 17 10 4515 330 21 20 8025 (001) 223 19 å10 4760 537 30 20 8130

Çàêëþ÷åíèå

 ðàáîòå ïðîâåäåíà èäåíòèôèêàöèÿ 1342 íîâûõ ëèíèé ìîëåêóëû D216O è ðàñøèðåí íàáîð

ýêñïåðèìåíòàëüíî îïðåäåëåííûõ âðàùàòåëüíûõ óðîâíåé ýíåðãèè ñîñòîÿíèé (020), (100) è (001). Òàê, áûëî îáíàðóæåíî 250 ëèíèé ïîëîñ 3ν2 – ν2, ν2 + ν3 – ν2, ν1 + ν2 – ν2, ïðèíàäëåæàùèõ âòîðîé òðèàäå êîëåáàòåëüíûõ ñîñòîÿíèé, à òàêæå êîëåáàòåëüíî-âðàùàòåëüíûå ïåðåõîäû ïîëîñ 4ν2 – 2ν2, 5ν2 – 3ν2, 2ν2 + ν3 – 3ν2.

Íà äàííîì ýòàïå îáðàáîòêà óðîâíåé äëÿ ñîñòîÿíèé (020), (100) è (001) åùå íå çàêîí÷åíà â ñâÿçè ñ ñóùåñòâåííûìè òðóäíîñòÿìè, âûçâàííûìè âëèÿíèåì äâóõ ôàêòîðîâ, äåéñòâóþùèõ îä-íîâðåìåííî. Ýòî ñèëüíîå öåíòðîáåæíîå èñêàæåíèå âðàùàòåëüíûõ óðîâíåé ñîñòîÿíèÿ (020) è íà-ëè÷èå ñèëüíîãî ðåçîíàíñíîãî âçàèìîäåéñòâèÿ ìåæäó âñåìè òðåìÿ ñîñòîÿíèÿìè. Äëÿ çíà÷åíèé âðà-ùàòåëüíîãî êâàíòîâîãî ÷èñëà J ≥ 13 íàáëþäàåòñÿ î÷åíü ñèëüíîå ïåðåìåøèâàíèå ñîñòîÿíèé (020) è (010) ïðè çíà÷åíèÿõ Kà = 13, 14.  ýòèõ ñëó÷àÿõ òðóäíî ãîâîðèòü äàæå î êîëåáàòåëüíîé èäåíòè-ôèêàöèè óðîâíåé.

Ëèòåðàòóðà

1. Papineau N., Flaud J.-M., Camy-Peyret C., Guelachvili G. The 2ν2, ν1, and ν3 bands of D216O. The

ground state (000) and the triad of interacting states {(020), (100), (001)} // J. Mol. Spectrosc. 1981. V. 87. P. 219–232.

2. Toth R.A. HDO and D2O low pressure, long path spectra in the 600–3100 cm–1 region. II. D2O line po-sitions and strengths // J. Mol. Spectrosc. 1999. V. 195. P. 98–122.

3. Partridge H., Schwenke D.W. The determination of an accurate isotope dependent potential energy sur-face for water from extensive ab initio calculations and experimental data // J. Chem. Phys. 1997. V. 106. P. 4618–4639.

4. Schwenke D.W., Partridge H. Convergence testing of the analytic representation of an ab initio dipole moment function for water: Improved fitting yields improved intensities // J. Chem. Phys. 2000. V. 113. P. 6592–6597.

ÎÖÅÍÊÀ ÝÔÔÅÊÒÈÂÍÎÑÒÈ ËÀÇÅÐÍÎÉ ÑÈÑÒÅÌÛ ÂÈÄÅÍÈß ÏÐÈ ÍÀÁËÞÄÅÍÈßÕ ×ÅÐÅÇ ÄÛÌÎÂÎÉ ÀÝÐÎÇÎËÜ

Ä.Â. Õîðîøàåâ

Èíñòèòóò îïòèêè àòìîñôåðû ÑÎ ÐÀÍ, ã. Òîìñê 634055 Òîìñê, ïð. Àêàäåìè÷åñêèé, 1, e-mail: [email protected]

Èçó÷åíèå âëèÿíèÿ äèñïåðñíûõ ñðåä (ÄÑ) íà êà÷åñòâî èçîáðàæåíèÿ íàáëþäàåìûõ îáúåêòîâ ÿâëÿåòñÿ àêòóàëüíîé ïðîáëåìîé. Âîçìîæíîñòè îïòè÷åñêîãî ìåòîäà íàáëþäåíèÿ îãðàíè÷åíû â îñ-íîâíîì ïîãëîùåíèåì è ðàññåÿíèåì ñâåòà â ÄÑ. Ïðè ýòîì åñëè ïîòåðè, îáóñëîâëåííûå ïîãëîùåíè-åì, ìîãóò áûòü êîìïåíñèðîâàíû áîëåå èíòåíñèâíûì îñâåùåíèåì îáúåêòîâ èëè ïðèìåíåíèåì áîëåå ÷óâñòâèòåëüíûõ ïðèåìíèêîâ, òî âëèÿíèå ðàññåÿíèÿ ïðèâîäèò ê ïîòåðå êîíòðàñòà èçîáðàæåíèÿ, âûçûâàþùåé óõóäøåíèå êà÷åñòâà âèäåíèÿ.

Page 28: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

28

Ìåòîä, îãðàíè÷èâàþùèé âëèÿíèå îáðàòíîãî ðàññåÿíèÿ ëó÷à ïîäñâåòêè íà êà÷åñòâî èçîáðàæå-íèÿ, èçâåñòåí äàâíî [1]. Ñóùíîñòü èäåè ìåòîäà ïðîñòðàíñòâåííîé ñåëåêöèè (ÌÏÑ) çàêëþ÷àåòñÿ â òîì, ÷òî ðàññìàòðèâàåìûé îáúåêò îñâåùàåòñÿ êîðîòêèìè èìïóëüñàìè ñâåòà, äëèòåëüíîñòü êîòîðûõ çíà÷èòåëüíî ìåíüøå âðåìåíè ðàñïðîñòðàíåíèÿ ñâåòà äî îáúåêòà è îáðàòíî. Ïðè ýòîì îáúåêò íà-áëþäàåòñÿ â îïòè÷åñêèé ïðèáîð, ñíàáæåííûé áûñòðîäåéñòâóþùèì çàòâîðîì, îòêðûâàþùèìñÿ ñèíõðîííî ñ ïîñûëêîé ñâåòîâûõ èìïóëüñîâ íà èíòåðâàëû âðåìåíè, ñðàâíèìûå ñ äëèòåëüíîñòüþ ñâåòîâûõ èìïóëüñîâ. Òàêèì îáðàçîì, ïðè íàáëþäåíèè îáúåêòà óñòðàíÿåòñÿ ïîìåõà îáðàòíîãî ðàñ-ñåÿíèÿ, ïðèõîäÿùàÿ èç îáëàñòåé ñðåäû, ðàñïîëîæåííûõ äî è ïîñëå ãðàíèö «âûðåçàåìîãî» ñòðî-áîì ïðîñòðàíñòâà. Ñ ïîìîùüþ ñòðîáèðóåìûõ ëàçåðíûõ ñèñòåì âèäåíèÿ, ò.å. èñïîëüçóþùèõ ÌÏÑ, óäàåòñÿ óìåíüøèòü âëèÿíèå ýòîé ïîìåõè [2].

 íàñòîÿùåé ðàáîòå ýêñïåðèìåíòàëüíî èññëåäîâàíà ýôôåêòèâíîñòü ëàçåðíîé ñèñòåìû âèäåíèÿ ïðè íàáëþäåíèÿõ îáúåêòà ÷åðåç äûìîâîé àýðîçîëü. Äëÿ ðàçëè÷íûõ âàðèàíòîâ íàáëþäåíèÿ îáúåê-òà óñòàíîâëåíû ïðåäåëüíûå çíà÷åíèÿ îïòè÷åñêèõ òîëùèí.

Ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðàáîòû ïðîâîäèëèñü â Áîëüøîé àýðîçîëüíîé êàìåðå (ÁÀÊ) ÈÎÀ ÑÎ ÐÀÍ. Ðàññåèâàþùàÿ ñðåäà (äûìîâîé àýðîçîëü) ñîçäàâàëàñü â ÁÀÊ ïóòåì òåðìè÷åñêîãî ðàç-ëîæåíèÿ äðåâåñèíû â ìóôåëüíîé ïå÷è (äûì ïèðîëèçà) áåç äîñòóïà êèñëîðîäà. Ïðîòÿæåííîñòü òðàññû íàáëþäåíèÿ ñîñòàâèëà 22,3 ì.  êà÷åñòâå òåñò-îáúåêòà èñïîëüçîâàëàñü øòðèõîâàÿ ìèðà âûñîòîé 75 ñì è øèðèíîé 65 ñì. Øòðèõîâàÿ ìèðà ñîñòîÿëà èç ÷åðåäóþùèõñÿ âåðòèêàëüíûõ áå-ëûõ è ÷åðíûõ ïîëîñ, ñ óãëîâûì ðàçìåðîì îòäåëüíîé ïîëîñû 2,29 ⋅ 10–3 ðàä. ×èñëî ïîëîñ ñîîòâåò-ñòâîâàëî óðîâíþ «îïîçíàâàíèÿ» íàáëþäàòåëåì îáúåêòà ïî êðèòåðèþ Äæîíñîíà [3]. Êðèòåðèè Äæîíñîíà ïîçâîëÿþò óñòàíîâèòü ñâÿçü ìåæäó õàðàêòåðèñòèêàìè âèäåîñèñòåì ïðè íàáëþäåíèè ñòàíäàðòíûõ òåñò-îáúåêòîâ è êà÷åñòâîì âèäåíèÿ â ðåàëüíûõ óñëîâèÿõ. Òàêèì îáðàçîì, â ýêñïåðè-ìåíòå øòðèõîâàÿ ìèðà ìîäåëèðóåò êà÷åñòâî âèäåíèÿ, ñîîòâåòñòâóþùåå «îïîçíàâàíèþ» ðåàëüíûõ îáúåêòîâ ñ ïîäîáíûìè ðàçìåðàìè.

Äëÿ ðåãèñòðàöèè èçîáðàæåíèÿ øòðèõîâîé ìèðû, íàõîäÿùåéñÿ çà ñëîåì äûìîâîãî àýðîçîëÿ â ÁÀÊ, ïðèìåíÿëàñü ëàçåðíàÿ ñèñòåìà âèäåíèÿ, ðåàëèçóþùàÿ ÌÏÑ. Ëàçåðíàÿ ñèñòåìà âèäåíèÿ [2] ñîñòîÿëà èç ëàçåðíîãî èñòî÷íèêà ïîäñâåòêè, ïðèåìíèêà îïòè÷åñêîãî ñèãíàëà è òåëåâèçèîííîãî óñòðîéñòâà. Äëÿ ïîñëåäóþùåé çàïèñè è îáðàáîòêè ñèãíàë c ïîìîùüþ àäàïòåðà ââîäèëñÿ â êîìïü-þòåð. Îñíîâíûå ïàðàìåòðû ëàçåðíîé ñèñòåìû âèäåíèÿ òàêîâû: äëèíà âîëíû èçëó÷åíèÿ ïîäñâåòêè 0,807 ìêì, äëèòåëüíîñòü èìïóëüñà ïîäñâåòêè è äëèòåëüíîñòü ñòðîáà ïðèåìíèêà ðàâíû 120 íñ, ÷àñòîòà ïîâòîðåíèÿ èìïóëüñîâ ïîäñâåòêè 50–4000 Ãö, ãëóáèíà âèäèìîñòè 20 ì.  êà÷åñòâå àëü-òåðíàòèâíîãî âàðèàíòà ïðè íàáëþäåíèÿõ îáúåêòà âìåñòî èìïóëüñíîé ëàçåðíîé ïîäñâåòêè áûë èñ-ïîëüçîâàí ïðîæåêòîð. Ñâåò îò ëàìïû ïðîæåêòîðà ïîçâîëÿë ÿðêî è ðàâíîìåðíî îñâåòèòü ïëîñêîñòü òåñò-îáúåêòà. Ïî õîäó ýêñïåðèìåíòà ðåàëèçîâûâàëèñü äâà âàðèàíòà ïîäñâåòêè îáúåêòà íàáëþäå-íèÿ: èìïóëüñíàÿ ëàçåðíàÿ ïîäñâåòêà è íåïðåðûâíàÿ ïîäñâåòêà ïðîæåêòîðà. Îáà âàðèàíòà èñïîëü-çîâàëèñü êàê îòäåëüíî, òàê è â ñî÷åòàíèè.

Òèïè÷íàÿ ñõåìà ýêñïåðèìåíòà ïî íàáëþäåíèþ òåñò-îáúåêòà ñ èñïîëüçîâàíèåì ëàçåðíîé ñèñòå-ìû âèäåíèÿ ïðîèëëþñòðèðîâàíà íà ðèñ. 1.

Ðèñ. 1. Ñõåìà ýêñïåðèìåíòà ïî íàáëþäåíèþ òåñò-îáúåêòà ñ èñïîëüçîâàíèåì ëàçåðíîé ñèñòåìû âèäåíèÿ: 1, 3 – èñòî÷íèêè ïîäñâåòêè (ïðîæåêòîð è ëàçåð ñîîòâåòñòâåííî); 2 – ïðèåìíèê îïòè÷åñêîãî ñèãíàëà; 4 – îáúåêò íàáëþäåíèÿ; 5 – òåëåâèçèîííûé ýêðàí

5 2

3

1

4

Page 29: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

29

Êîíòðîëü îïòè÷åñêîé òîëùè τ ñðåäû îñóùåñòâëÿëñÿ ïî ñòàíäàðòíîé ôîòîìåòðè÷åñêîé ñõåìå. Ìåòîäèêà îïðåäåëåíèÿ τ ñðåäû çàêëþ÷àëàñü â ñëåäóþùåì. Ñíà÷àëà ïðîâîäèëèñü èçìåðåíèÿ èí-òåíñèâíîñòè ñâåòîâîãî ïîòîêà, ïðîøåäøåãî ÷åðåç íåçàïîëíåííûé ÄÑ ÁÀÊ. Çàòåì ÁÀÊ çàïîëíÿë-ñÿ ÄÑ, è èçìåðåíèÿ ïîâòîðÿëèñü. ×àñòü ñâåòîâîãî ïó÷êà îòâîäèëîñü â ñòîðîíó ïðè ïîìîùè ïîëó-ïðîçðà÷íîãî çåðêàëà äî âõîäà â ÁÀÊ ñ ÄÑ, çàòåì ïîäàâàëàñü íà âñïîìîãàòåëüíûé èçìåðèòåëü «îïîðíîãî ñèãíàëà». Òàêèì îáðàçîì, ïðè îïðåäåëåíèè τ ñðåäû èñêëþ÷àëîñü âëèÿíèå âîçìîæíîãî èçìåíåíèÿ èíòåíñèâíîñòè ñâåòîâîãî ïó÷êà â ïåðèîä íàáëþäåíèé.  ýòîé ñõåìå èñïîëüçîâàëèñü: ãåëèé-íåîíîâûé ëàçåð ËÃÍ-215, èçìåðèòåëü Selective Nanovoltmetr type 237, èçìåðèòåëü «îïîð-íîãî ñèãíàëà» ÈËÄ-2Ì.

Îñíîâíûå ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòàëüíîãî íàáëþäåíèÿ èçîáðàæåíèÿ òåñò-îáúåêòà, ýêðàíèðî-âàííîãî ñëîåì äûìîâîãî àýðîçîëÿ, ïðèâåäåíû íà ðèñ. 2, 3.

Íà ðèñ. 2 (ñëåâà) ïðèâåäåíî èçîáðàæåíèå, ïîëó÷åííîå ñ ýêðàíà ìîíèòîðà áåç ñòðîáèðîâàíèÿ ïðè èìïóëüñíîé ëàçåðíîé ïîäñâåòêå òåñò-îáúåêòà, äëÿ îïòè÷åñêîé òîëùè ñðåäû τ = 2,7. Äëÿ òàêî-ãî æå çíà÷åíèÿ τ íà ðèñ. 2 (ñïðàâà) ïðèâåäåíî èçîáðàæåíèå òåñò-îáúåêòà, íî óæå â ðåæèìå ñòðî-áèðîâàíèÿ ïðèåìíèêà. Çàìåíà èìïóëüñíîé ëàçåðíîé ïîäñâåòêè íåïðåðûâíûì îñâåùåíèåì òåñò-îáúåêòà ïðîæåêòîðîì ïðè òîì æå çíà÷åíèè îïòè÷åñêîé òîëùè ñðåäû äàåò ñëåäóþùåå èçîáðàæåíèå (ðèñ. 3, ñëåâà).

Ðèñ. 2. Èçîáðàæåíèÿ, ïîëó÷åííûå â ðåçóëüòàòå ïîäñâåòêè òåñò-îáúåêòà ëàçåðîì: ñëåâà – ïðèåìíèê íå ñòðî- áèðóåòñÿ, ñïðàâà – ïðèåìíèê ñòðîáèðóåòñÿ. Íàáëþäåíèå âåäåòñÿ ÷åðåç ñëîé äûìîâîãî àýðîçîëÿ ñ τ = 2,7

Ðèñ. 3. Èçîáðàæåíèÿ, ïîëó÷åííûå â ðåçóëüòàòå ïîäñâåòêè òåñò-îáúåêòà: ñëåâà – ñ èñïîëüçîâàíèåì ïðîæåêòî-ðà ïðè τ = 2,7, ñïðàâà – ñ èñïîëüçîâàíèåì èìïóëüñíîé ëàçåðíîé ïîäñâåòêè. Íàáëþäåíèå âåäåòñÿ ÷åðåç ñëîé äûìîâîãî àýðîçîëÿ ñ τ = 4,7

Ïðåäñòàâëåííàÿ íà ðèñ. 2 è 3 ñåðèÿ èçîáðàæåíèé ïîêàçûâàåò, ÷òî åñëè ïðèåìíèê ðàáîòàåò áåç ðåæèìà ñòðîáèðîâàíèÿ (ñì. ðèñ. 2, ñëåâà), òî íàáëþäåíèå îáúåêòà ñêâîçü äûìîâîé àýðîçîëü ñ τ = 2,7 îêàçûâàåòñÿ íåâîçìîæíûì, ðèñ. 2 è 3 (ñïðàâà) äåìîíñòðèðóþò ÿâíîå ïðåèìóùåñòâî ñòðî-áèðóåìîé ëàçåðíîé ñèñòåìû âèäåíèÿ íàä íåïðåðûâíûì îñâåùåíèåì òåñò-îáúåêòà ïðîæåêòîðîì (ñì. ðèñ. 3, ñëåâà). Ïðèìåíåíèå ñòðîáèðóåìîé ëàçåðíîé ñèñòåìû âèäåíèÿ ïîçâîëÿåò âèçóàëèçèðî-âàòü îáúåêòû ÷åðåç ñëîé äûìîâîãî àýðîçîëÿ ñ îïòè÷åñêîé òîëùèíîé ñðåäû ñ τ ≤ 4,7 (ñì. ðèñ. 3). Ïðè áîëüøèõ çíà÷åíèÿõ τ ñðåäû ïîìåõà ìíîãîêðàòíîãî îáðàòíîãî ðàññåÿíèè â âûðåçàåìîì ñòðîáå

Page 30: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

30

íå ïîçâîëÿåò çàðåãèñòðèðîâàòü ïîëåçíûé ñèãíàë. Îäíèì èç ïóòåé ðåøåíèÿ äàííîé ïðîáëåìû, î÷å-âèäíî, ÿâëÿåòñÿ óìåíüøåíèå äëèòåëüíîñòè, à çíà÷èò, è ãëóáèíû âûðåçàåìîãî ñòðîáà.

Ëèòåðàòóðà

1. Âàíþêîâ Ì.Ï., Íèëîâ Å.Â., ×åðòêîâ À.À. Íàáëþäåíèå è ôîòîãðàôèðîâàíèå â ñâåòîðàññåèâàþùèõ ñðåäàõ ìåòîäîì ïðîñòðàíñòâåííîé ñåëåêöèè // Îïòèêî-ìåõàíè÷åñêàÿ ïðîìûøëåííîñòü. 1970. ¹ 6. Ñ. 50–55.

2. Áåëîâ Â.Â., Áåëîóñîâ Â.Ñ., Áîðèñîâ Á.Ä., Êóðÿ÷èé Ì.È., Ìàòâèåíêî Ã.Ã., Ïóñòûíñêèé È.Í., Òàðàñåíêî Â.Ï. Còðîáèðóåìàÿ ñèñòåìà íî÷íîãî âèäåíèÿ ZOND // Íàóêà–ïðîèçâîäñòâó. 2003. ¹ 9. Ñ. 32–38.

3. Çåãå Ý.Ï., Èâàíîâ À.Ï., Êàöåâ È.Ë. Ïåðåíîñ èçîáðàæåíèÿ â ðàññåèâàþùåé ñðåäå. Ìèíñê: Íàóêà è òåõíèêà, 1985. 327 ñ.

ÎÑÎÁÅÍÍÎÑÒÈ ÏÎÂÅÄÅÍÈß ÏÀÐÀÌÅÒÐÎÂ F-ÑËÎß ÈÎÍÎÑÔÅÐÛ ÍÀÄ ÈÐÊÓÒÑÊÎÌ ÂÎ ÂÐÅÌß ÌÀÃÍÈÒÍÎÉ ÁÓÐÈ 29–31.10.2003 ã.

ÏÎ ÄÀÍÍÛÌ ÂÇ È ÐÀÄÀÐÀ ÍÐ

À.Ã. Êèì, Â.Ï. Ãðîçîâ, Ê.Ã. Ðàòîâñêèé, À.Â. Ìåäâåäåâ, À.Ï. Ïîòåõèí, Á.Ã. Øïûíåâ

Èíñòèòóò ñîëíå÷íî-çåìíîé ôèçèêè ÑÎ ÐÀÍ, ã. Èðêóòñê E-mail: [email protected]

Ìîùíàÿ ìàãíèòíàÿ áóðÿ 29–31.10 áûëà ñóïåðïîçèöèåé äâóõ áîëüøèõ ìàãíèòíûõ áóðü îò ñîëíå÷íûõ âñïûøåê 28.10(Õ17.2) è 29.10(Õ10.0). Èîíîñôåðíûé îòêëèê íà ìàãíèòíóþ áóðþ â Èðêóòñêå (52° ñ.ø., 104° â.ä.) èññëåäîâàëñÿ ñ ïîìîùüþ êîìïëåêñà ðàäèîôèçè÷åñêèõ èíñòðóìåí-òîâ ÈÑÇÔ ÑÎ ÐÀÍ, âêëþ÷àþùåãî â ñåáÿ äèãèçîíä DPS-4, Ë×Ì-èîíîçîíä è ðàäàð íåêîãåðåíò-íîãî ðàññåÿíèÿ (ÍÐ).  ðàáîòå îñíîâíîå âíèìàíèå óäåëåíî àíàëèçó ðàçëè÷èÿ â äàííûõ, ïîëó÷åí-íûõ íà òðåõ èíñòðóìåíòàõ.

1. Îïèñàíèå èíñòðóìåíòîâ

Ïåðåäàþùèé ïóíêò èîíîçîíäà, èñïîëüçóþùåãî ñèãíàëû ñ ëèíåéíîé ÷àñòîòíîé ìîäóëÿöèåé (Ë×Ì), íàõîäèòñÿ âáëèçè ã. Óñîëüå-Ñèáèðñêîå, ∼ 130 êì ñåâåðî-çàïàäíåå ã. Èðêóòñêà, ïðèåìíûé ïóíêò – âáëèçè ï. Òîðû, ∼ 130 êì þãî-çàïàäíåå Èðêóòñêà. Ë×Ì-èîíîçîíä [3] ìîæåò èñïîëüçî-âàòüñÿ äëÿ ñëàáîíàêëîííîãî çîíäèðîâàíèÿ (èçëó÷åíèå â Óñîëüå, ïðèåì â Òîðàõ, äëèíà òðàññû îêîëî 120 êì, ñðåäíÿÿ òî÷êà òðàññû – ∼ 115 êì çàïàäíåå Èðêóòñêà).  ñïîêîéíûõ è ñëàáî âîç-ìóùåííûõ óñëîâèÿõ èîíîãðàììû ñëàáîíàêëîííîãî çîíäèðîâàíèÿ ìàëî îòëè÷àþòñÿ îò èîíîãðàìì âåðòèêàëüíîãî çîíäèðîâàíèÿ DPS-4, ïîëó÷åííûõ â Èðêóòñêå [1].

101,0 101,5 102,0 102,5 103,0 103,5 104,0 104,5 105,0

51,0

51,5

52,0

52,5

53,0 Ðàäàð HP

Z=200 êì

~130км

~130

км

~115км

Z=400 êì

Z=600 êì

îç. Áàéêàë Òîðû

Èðêóòñê

Ðèñ. 1. Ãåîãðàôè÷åñêîå ðàñïîëîæåíèå èíñòðóìåíòîâ

Îñíîâíûì íàçíà÷åíèåì ðàäàðà [2] ÿâëÿåòñÿ èçìåðåíèå ýëåêòðîííîé êîíöåíòðàöèè, ýëåêòðîí-íîé è èîííîé òåìïåðàòóð. Îòëè÷èòåëüíîé îñîáåííîñòüþ èðêóòñêîãî ðàäàðà ÿâëÿåòñÿ âîçìîæíîñòü

Page 31: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

31

èçìåðåíèÿ ôàðàäååâñêîãî âðàùåíèÿ ïëîñêîñòè ïîëÿðèçàöèè, ÷òî ïîçâîëÿåò ïðîâîäèòü àáñîëþòíûå èçìåðåíèÿ ýëåêòðîííîé êîíöåíòðàöèè.

Âçàèìíîå ðàñïîëîæåíèå èíñòðóìåíòîâ ïîêàçàíî íà ðèñ. 1 (ìåñòî ïåðåäàò÷èêà Ë×Ì-èîíîçîíäà ñîâïàäàåò ñ ìåñòîì ðàäàðà ÍÐ). Èç ðèñóíêà âèäíî, ÷òî ñðåäíÿÿ òî÷êà òðàññû Ë×Ì-èîíîçîíäà áëèæå ê ñåêòîðó îáçîðà ðàäàðà ÍÐ, ÷åì ê Èðêóòñêó.

2. Ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé

Âàðèàöèè Dst-èíäåêñà (ðèñ. 2) ïîëó÷åíû ñ ñàéòà http://swdcdb.kugi.kyoto-u.ac.jp/dstdir. Âèäíî, ÷òî áóðÿ 29–31.10 ÿâëÿåòñÿ ñóïåðïîçèöèåé äâóõ áóðü: ïåðâàÿ 12UT 29.10–6UT 30.10, âòîðàÿ 18UT 30.10–6UT 31.10.

0

–100

–200

–300

–400

–500

Dst, íÒë

0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 24

UT01.11 30.10 31.1029.10

Ðèñ. 2. Âàðèàöèè Dst-èíäåêñà

Íà ðèñ. 3 ïîêàçàí 4-ñóòî÷íûé õîä êðèòè÷åñêîé ÷àñòîòû f0F2 è âûñîòû ìàêñèìóìà hmF2 ýëåê-òðîííîé êîíöåíòðàöèè (ìàêñèìóì ýëåêòðîííîé êîíöåíòðàöèè, ïîëó÷åííûé íà ðàäàðå ÍÐ, ïåðå-ñ÷èòàí â êðèòè÷åñêóþ ÷àñòîòó).

0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18

12

10

8

6

4

2

0

f0F2, Ìãö

UT01.11 31.1030.10 29.10

Ðèñ. 3. Äèíàìèêà êðèòè÷åñêîé ÷àñòîòû f0F2 è âûñîòû ìàêñèìóìà hmF2 âî âðåìÿ ìàãíèòíîé áóðè 29.10–01.11.2003 ã.

Äàííûå äèãèçîíäà DPS-4 èçîáðàæåíû ïóíêòèðíîé ëèíèåé, äàííûå Ë×Ì-èîíîçîíäà – ëèíèåé ñ êðóæêàìè è äàííûå ðàäàðà ÍÐ – òîíêîé ñïëîøíîé ëèíèåé. Êàê âèäíî èç ðèñ. 3, äëÿ âñåõ èí-ñòðóìåíòîâ èìåþòñÿ èíòåðâàëû îòñóòñòâèÿ äàííûõ. Äàííûå äèãèçîíäà îòñóòñòâóþò èç-çà ïîãëî-ùåíèÿ, äàííûå Ë×Ì-èîíîçîíäà – èç-çà ïîçäíåãî âêëþ÷åíèÿ (29.10, 20:45UT), ïîãëîùåíèÿ è òåõíè÷åñêèõ ïðè÷èí, äàííûå ðàäàðà ÍÐ – èç-çà ïîçäíåãî âêëþ÷åíèÿ (29.10, 10:45UT), òåõíè÷å-ñêèõ ïðè÷èí è ìîùíûõ êîãåðåíòíûõ ýõî, ïðèâîäÿùèõ ê áîëüøèì îøèáêàì èçìåðåíèÿ ïðîôèëÿ ýëåêòðîííîé êîíöåíòðàöèè.  èòîãå ïîëíûé íàáîð äàííûõ áûë ïîëó÷åí 30.10 (1–2 è 5–18UT), 31.10 (7–9UT) è 01.11. Íàèìåíüøèå ðàçëè÷èÿ â äàííûõ íàáëþäàþòñÿ â ñïîêîéíûé äåíü 01.11 è â ïåðèîä ìåæäó áóðÿìè 30.10 (9–15UT). Íàèáîëüøèå ðàñõîæäåíèÿ çàðåãèñòðèðîâàíû âî âðåìÿ ôàçû âîññòàíîâëåíèÿ ïåðâîé áóðè 30.10 (5–6UT).

Àíàëèçèðóÿ äàííûå â öåëîì, ìîæíî îòìåòèòü, ÷òî ðàçëè÷èÿ â âûñîòå ìàêñèìóìà íàìíîãî çà-ìåòíåé, ÷åì ðàçëè÷èÿ â êðèòè÷åñêîé ÷àñòîòå. Ýòè ðàçëè÷èÿ ïðîÿâëÿþòñÿ â âèäå áûñòðûõ øóìî-ïîäîáíûõ âàðèàöèé âûñîò ìàêñèìóìà, ïîëó÷åííûõ íà ðàäàðå ÍÐ. Èíòåðâàëû òàêèõ âàðèàöèé

UT

hmF2, êì

0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 0 6 12 18 24

500

400

300

200

100

Page 32: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

32

íàáëþäàþòñÿ â ãëàâíîé ôàçå ïåðâîé áóðè 29.10 (19–23UT), íà ôàçå âîññòàíîâëåíèÿ ïåðâîé áóðè 30.10 (3–6UT), â íà÷àëüíîé ñòàäèè âòîðîé áóðè 30.10 (15–18UT) è íà ôàçå âîññòàíîâëåíèÿ âòî-ðîé áóðè 31.10 (1–5UT). Âîçìîæíîé ïðè÷èíîé ýòèõ âàðèàöèé ÿâëÿåòñÿ îñòàòî÷íîå âëèÿíèå êîãå-ðåíòíûõ ýõî. Ñëåäóåò îòìåòèòü õîðîøåå ñîãëàñîâàíèå äàííûõ äèãèçîíäà è ðàäàðà ÍÐ â íà÷àëü-íîé ñòàäèè ïåðâîé áóðè 29.10 (11–15UT), à òàêæå äàííûõ äèãèçîíäà è Ë×Ì-èîíîçîíäà â ãëàâ-íîé ôàçå âòîðîé áóðè 30.10 (18–21UT).

Ñ òî÷êè çðåíèÿ ñðàâíåíèÿ äàííûõ ïðåäñòàâëÿåò èíòåðåñ ïåðèîä ôàçû âîññòàíîâëåíèÿ ïåðâîé áóðè, êîãäà íàáëþäàëèñü íàèáîëåå ñèëüíûå ðàçëè÷èÿ â êðèòè÷åñêîé ÷àñòîòå ìåæäó òðåìÿ èíñòðó-ìåíòàìè. Íà ðèñ. 4 ïîêàçàíû âàðèàöèè f0F2 è hmF2 íà èíòåðâàëå ñ 0 äî 10UT 30.10, îáîçíà÷åíèÿ êðèâûõ – òå æå, ÷òî è íà ðèñ. 3 (äèãèçîíä – ïóíêòèðíàÿ ëèíèÿ, Ë×Ì-èîíîçîíä – ëèíèÿ ñ êðóæ-êàìè, ðàäàð ÍÐ – òîíêàÿ ñïëîøíàÿ ëèíèÿ).

Ðèñ. 4. Äèíàìèêà f0F2 è hmF2 30.10.2003 ñ 0 äî 10UT

Íà ðèñ. 5 ïðèâåäåíû ïðîôèëè ýëåêòðîííîé êîíöåíòðàöèè Ne(z), ïîñòðîåííûå ïî äàííûì òðåõ èíñòðóìåíòîâ (äèãèçîíä – ïóíêòèðíàÿ ëèíèÿ, Ë×Ì-èîíîçîíä – ëèíèÿ ñ êðóæêàìè, ðàäàð ÍÐ – òîíêàÿ ñïëîøíàÿ ëèíèÿ). Ñðàâíåíèå ïðîôèëåé ýëåêòðîííîé êîíöåíòðàöèè ïîêàçûâàåò, ÷òî â 05:00, 05:15, 05:30, 05:45 UT òðè èíñòðóìåíòà äàþò ñèëüíî îòëè÷àþùèåñÿ ðåçóëüòàòû, â 06:00 – äîâîëüíî áëèçêèå, â 06:45 ïðîôèëè äèãèçîíäà è Ë×Ì-èîíîçîíäà ïðàêòè÷åñêè ñîâïàäàþò.  05:15 è 05:30 ðàäàð ÍÐ è Ë×Ì-èîíîçîíä äàþò áëèçêèå çíà÷åíèÿ ìàêñèìàëüíîé ýëåêòðîííîé êîíöåí-òðàöèè, íî çíà÷åíèÿ Ne íà âûñîòå ∼ 250 êì ðàçëè÷àþòñÿ íà ∼ 2 · 105 ñì–3, ïðèáëèçèòåëüíî íà ñòîëüêî æå ðàçëè÷àþòñÿ çíà÷åíèÿ äèãèçîíäà è ðàäàðà ÍÐ.

Ðèñ. 5. Ïðîôèëè ýëåêòðîííîé êîíöåíòðàöèè Ne(z) (10–5 · ýë/ñì3) 30.10.2003 ã.

Âûâîäû

 ñïîêîéíûõ óñëîâèÿõ (ñïîêîéíûé äåíü 01.11 è â ïåðåðûâå ìåæäó áóðÿìè 30.10) âñå òðè èí-ñòðóìåíòà äàþò áëèçêèå ðåçóëüòàòû. Ïîïàðíî õîðîøî ñîãëàñóþòñÿ äàííûå äèãèçîíäà è ðàäàðà ÍÐ â íà÷àëüíîé ôàçå ïåðâîé áóðè è äàííûå äèãèçîíäà è Ë×Ì-èîíîçîíäà íà ãëàâíîé ñòàäèè âòî-ðîé áóðè. Íàèáîëüøèå îòëè÷èÿ íàáëþäàþòñÿ íà ôàçå âîññòàíîâëåíèÿ ïåðâîé áóðè. Íàáëþäàåìûå îòëè÷èÿ îáóñëîâëåíû ñèëüíî ðàçâèòîé íåîäíîðîäíîé ñòðóêòóðîé èîíîñôåðû è ðàçëè÷íûì ãåî-ãðàôè÷åñêèì ïîëîæåíèåì èíñòðóìåíòîâ. Îöåíêà ãðàäèåíòà ìàêñèìàëüíîãî çíà÷åíèÿ ýëåêòðîííîé

2

4

6

8

10 f0F2, ÌÃö hmF2, êì400

300

200

100

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

UT UT

400

300

200

100

0 400

300

200

100

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 0 1 2 3 4 5 6 7 8

05:00UT 05:15UT 05:30UT

05:45UT 06:00UT 06:40UT

z

z

z

z

z

z

Ne

Ne

Ne

Ne

Ne

Ne

Page 33: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

33

êîíöåíòðàöèè â âîñòî÷íî-çàïàäíîì íàïðàâëåíèè ñîñòàâëÿåò âåëè÷èíó ïîðÿäêà 2·105 ñì–3 íà 100 êì. Äëÿ áîëåå äåòàëüíîé îöåíêè õàðàêòåðèñòèê íåîäíîðîäíîé ñòðóêòóðû íåîáõîäèìî ñîçäà-íèå êîìïëåêñà ìîäåëèðîâàíèÿ, ó÷èòûâàþùåãî ñëîæíûé õàðàêòåð ðàñïðîñòðàíåíèÿ ðàäèîâîëí â íåîäíîðîäíîé èîíîñôåðå.

Íàñòîÿùàÿ ðàáîòà âûïîëíåíà ïðè ïîääåðæêå Ðîññèéñêîãî ôîíäà ôóíäàìåíòàëüíûõ èññëåäî-âàíèé (ãðàíòû ¹ 03-05-64627 è 03-05-64527) è â ðàìêàõ ãðàíòà ÍØ-272.2003.5 ãîñóäàðñòâåííîé ïîääåðæêè âåäóùèõ íàó÷íûõ øêîë Ðîññèéñêîé Ôåäåðàöèè.

Ëèòåðàòóðà

1. Ãðîçîâ Â.Ï., Íîñîâ Â.Å., Êîòîâè÷ Ã.Â., Êèì À.Ã., Ìàòþøîíîê Ñ.Ì., Ðàòîâñêèé Ê.Ã. Ñðàâíåíèå îñíîâíûõ ïàðàìåòðîâ èîíîñôåðû íà ñëàáîíàêëîííîé òðàññå ñ äàííûìè âåðòèêàëüíîãî çîíäèðîâàíèÿ // Ãåîìàãíåòèçì è àýðîíîìèÿ. 2004. Ò. 44. ¹ 3. Ñ. 1–6.

2. Æåðåáöîâ Ã.À., Çàâîðèí À.Â., Ìåäâåäåâ À.Â., Íîñîâ Â.Å., Ïîòåõèí À.Ï., Øïûíåâ Á.Ã. Èðêóòñêèé ðàäàð íåêîãåðåíòíîãî ðàññåÿíèÿ // Ðàäèîòåõíèêà è ýëåêòðîíèêà. 2002. Ò. 47. ¹ 11. Ñ. 1–7.

3. Ìàòþøîíîê Ñ.Ì., Ñàâ÷åíêî Ò.Í. Ìíîãîôóíêöèîíàëüíûé ïðèåìíûé êîìïëåêñ èîíîñôåðíîãî çîíäè-ðîâàíèÿ // Èçëó÷åíèå è ðàññåÿíèå ÝÌÂ: Òðóäû Ìåæäóíàð. íàó÷. êîíô. Òàãàíðîã, 2003. Ñ. 283–286.

ÎÖÅÍÊÀ ÇÀÏÀÑÀ ÓÃËÅÐÎÄÀ È ÎÁÙÅÉ ÌÀÑÑÛ ÑÃÎÐÀÞÙÈÕ ÌÀÒÅÐÈÀËÎÂ Â ÇÀÂÈÑÈÌÎÑÒÈ ÎÒ ÒÈÏÎÂ ÏÐÅÎÁËÀÄÀÞÙÈÕ

ËÅÑÎÍÀÑÀÆÄÅÍÈÉ ÏÎ ÄÀÍÍÛÌ ÄÈÑÒÀÍÖÈÎÍÍÎÃÎ ÑÏÓÒÍÈÊÎÂÎÃÎ ÇÎÍÄÈÐÎÂÀÍÈß

È.Ï. Ðåñåëüñ

664033 Èðêóòñê, óë. Ëåðìîíòîâà, 126, à/ÿ 4026 Òåë. +7 (3952) 425–865, ôàêñ. +7 (3952) 462–557, Èíñòèòóò ñîëíå÷íî-çåìíîé ôèçèêè

E-mail: [email protected]

Îäíîé èç öåíòðàëüíûõ ïðîáëåì èçó÷åíèÿ êðóïíîìàñøòàáíûõ áèîñôåðíûõ ïðîöåññîâ ÿâëÿåò-ñÿ îöåíêà âîçäåéñòâèÿ íà êëèìàò Çåìëè èçìåíåíèÿ ñîäåðæàíèÿ â àòìîñôåðå óãëåêèñëîãî ãàçà, ñïîñîáíîãî çàäåðæèâàòü òåïëî ó çåìíîé ïîâåðõíîñòè è òåì ñàìûì ñîçäàâàòü «ïàðíèêîâûé ýô-ôåêò».

Ëåñíûå ïîæàðû – íàèáîëåå ðàñïðîñòðàíåííûé âèä êàòàñòðîôè÷åñêîãî âîçäåéñòâèÿ íà ñîäåð-æàíèå óãëåðîäà â àòìîñôåðå è îäèí èç âàæíåéøèõ ïðèðîäíûõ ìåõàíèçìîâ óãëåðîäíîãî öèêëà, êîòîðûå âíîñÿò çàìåòíûé âêëàä â ãëîáàëüíûå ýìèññèè äâóîêèñè óãëåðîäà [2].

 ïðîöåññå ïîæàðîâ ïðîèñõîäÿò êðàòêîâðåìåííûå îáøèðíûå âûáðîñû óãëåðîäà â àòìîñôåðó ñ ïîñëåäóþùåé àêòèâèçàöèåé åãî äåïîíèðîâàíèÿ ïðè âîññòàíîâèòåëüíûõ ïðîöåññàõ â ëåñíûõ ýêîñè-ñòåìàõ.

Äîìèíèðóþùóþ ðîëü â àíòðîïîãåííîé ýìèññèè ïàðíèêîâûõ ãàçîâ íà òåððèòîðèè ÐÔ èãðàåò ÑÎ2 (â îñíîâíîì, â ðåçóëüòàòå ñæèãàíèÿ èñêîïàåìîãî òîïëèâà). Åãî âêëàä â ñóììàðíóþ ýìèññèþ, âûðàæåííóþ â ÑÎ2-ýêâèâàëåíòå, ñîñòàâëÿåò 76%. Âòîðîå ìåñòî çàíèìàåò ÑÍ4 ñ 20% îáùåé ýìèñ-ñèè. Îñòàâøèåñÿ ÷åòûðå ïðîöåíòà ïðèõîäÿòñÿ íà N2O, ãèäðîôòîðóãëåðîäíûå (HFC) è ïåðôòî-ðóãëåðîäíûå (HFC) ñîåäèíåíèÿ è íà ãåêñàôòîðèä ñåðû [3]. Òàêàÿ ñòðóêòóðà ýìèññèè ñîõðàíÿëàñü ïðàêòè÷åñêè íåèçìåííîé íà ïðîòÿæåíèè âñåãî ïîñëåäíåãî äåñÿòèëåòèÿ.

Ââèäó îáøèðíûõ ëåñíûõ òåððèòîðèé Ñèáèðè ïðåäñòàâëÿåò èíòåðåñ ïîëó÷åíèå ðåãóëÿðíûõ äàííûõ î ñðåäíåãîäîâîé ìàññå ïîñòóïàþùåãî â àòìîñôåðó ÑÎ2 â ðåçóëüòàòå ñãîðàíèÿ áèîìàññû. Öåëüþ äàííîé ðàáîòû ÿâëÿëîñü ïîñòðîåíèå êàðò îñíîâíûõ òèïîâ ðàñòèòåëüíîñòè ñ èñïîëüçî-âàíèåì ñïóòíèêîâûõ äàííûõ ÈÑÇ «Landsat 7 ïðèáîðà ÅTM+» ñ ïîñëåäóþùèì ïîñòðîåíèåì íà èõ îñíîâå êàðò ðàñïðåäåëåíèÿ âûøåíàçâàííûõ ïàðàìåòðîâ.

Êîëè÷åñòâåííûå ïîêàçàòåëè ýìèññèè óãëåðîäà ïðè ëåñíûõ ïîæàðàõ â îïðåäåëÿþùåé ñòåïåíè çàâèñÿò îò ïëîùàäè, âèäà è èíòåíñèâíîñòè ïîæàðà, âåëè÷èíû ïîñëåïîæàðíîãî îòïàäà è ñòåïåíè ðàçëîæåíèÿ ëåñíûõ ãîðþ÷èõ ìàòåðèàëîâ, à òàêæå èçìåíåíèÿ ñòðóêòóðû ðàñòèòåëüíîñòè ïîñëå ïî-æàðîâ [1]. Êîëè÷åñòâî óãëåðîäà, ïîñòóïàþùåãî â àòìîñôåðó â ðåçóëüòàòå ïîæàðîâ, îïðåäåëÿåòñÿ ìàññîé ñãîðàþùèõ ëåñíûõ ãîðþ÷èõ ìàòåðèàëîâ è èõ õèìè÷åñêèì ñîñòàâîì.

Ñ ïîìîùüþ ñïóòíèêîâûõ äàííûõ ÈÑÇ «Landsat 7 ïðèáîðà ETM+» (ðèñ. 1) áûëà ïðîâåäåíà êëàññèôèêàöèÿ ïî îñíîâíûì òèïàì ëåñíûõ ïîðîä, èç êîòîðûõ âûäåëèëèñü ñëåäóþùèå: õâîéíûå,

Page 34: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

34

ìåëêîëèñòâåííûå, ñìåøàííûå ñ ïðåîáëàäàíèåì õâîéíûé, ñìåøàííûå ñ ïðåîáëàäàíèåì ëèñòâåí-íûõ, ðåäèíû è êóñòàðíèêè.

Êëàññèôèêàöèÿ îñíîâíûõ òèïîâ ëåñîâ íà òåððèòîðèè Íèæíåèëèìñêîãî ðàéîíà Èðêóòñêîé îáëàñòè ïî äàííûì ÈÑÇ «Landsat 7 ETÌ+»,

ñúåìêà 21 àâãóñòà 2003 ã.

Ðèñ. 1. Êëàññèôèêàöèÿ îñíîâíûõ òèïîâ ëåñîâ

Íà îñíîâå äàííûõ çàïàñà è ãîäè÷íîãî äåïîíèðîâàíèÿ óãëåðîäà (òàáë. 1) îñíîâíûõ ëåñîîáðà-çóþùèõ ïîðîä áûëà ïîñòðîåíà êàðòà (ðèñ. 2), èç êîòîðîé âèäíî, ÷òî íàèáîëüøèé çàïàñ óãëåðîäà ñîäåðæèòñÿ â õâîéíûõ ïîðîäàõ, ìåíüøå â ëèñòâåííûõ è ìèíèìóì óãëåðîäà â êóñòàðíèêàõ. Îïè-ðàÿñü íà ýòó êàðòó, ìîæíî ñóäèòü î ïîñëåäóþùåì âûáðîñå êîëè÷åñòâà óãëåðîäà â ðåçóëüòàòå ïîæàðîâ.

Ò à á ë è ö à 1

Îáúåì ôèòîìàññû, çàïàñ è ãîäè÷íîå äåïîíèðîâàíèå óãëåðîäà äëÿ îñíîâíûõ ëåñîîáðàçóþùèõ ïîðîä

Ïîðîäà Ôèòîìàññà, Ìò Çàïàñ Ñ, Ìò Äåïîíèðîâàíèå Ñ,

Ìò ⋅ ãîä–1 Õâîéíûå 9931,9 5609,22 27,7 Ëèñòâåííûå 5113,1 2535,35 18,5 Ñìåøàííûå (ñ ïðåîáëàäàíèåì õâîéíûõ) 8486,26 4687,05 24,89 Ñìåøàííûå (ñ ïðåîáëàäàíèåì ëèñòâåííûõ) 6558,74 3457,5 21,26

Page 35: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

35

Ìàñøòàáû ãîðèìîñòè ëåñîâ íà êîíòðîëèðóåìîé òåððèòîðèè äî íàñòîÿùåãî âðåìåíè ìîãóò îöåíèâàòüñÿ ëèøü êîñâåííûì ïóòåì – ÷åðåç ïëîùàäè ãàðåé è ïîãèáøèõ íàñàæäåíèé.

Íèæíåèëèìñêèé ðàéîí Èðêóòñêîé îáëàñòè.

Êàðòà ðàñïðåäåëåíèÿ ëåñîîáðàçóþùèõ ïîðîä è çàïàñ óãëåðîäà

Ðèñ. 2. Îñíîâíûå ãðóïïû ëåñîîáðàçóþùèõ ïîðîä è çàïàñ óãëåðîäà

Äëÿ îöåíêè ìàñøòàáîâ «ïîæàðíûõ» ýìèññèé íåîáõîäèìî çíàòü ìàññó ñãîðàþùèõ âåùåñòâ, à äëÿ îöåíêè «ïîñëåïîæàðíûõ» ýìèññèé – ìàññó îòìèðàþùåé ëåñíîé ðàñòèòåëüíîñòè. Ìàññà ñãîðàþùèõ îðãàíè÷åñêèõ âåùåñòâ óñòàíàâëèâàëàñü ñ ó÷åòîì ñðåäíèõ çàïàñîâ ÷åòûðåõ ãðóïï ëåñ-íûõ ãîðþ÷èõ ìàòåðèàëîâ (âîçäóøíûå, íàçåìíûå, ëåñíàÿ ïîäñòèëêà è îðãàíîãåííûå ãîðèçîíòû ïî÷âû, äðåâåñíûå îñòàòêè) è óäåëüíûõ ðàñõîäîâ óêàçàííûõ ëåñíûõ ãîðþ÷èõ ìàòåðèàëîâ ïðè âåð-õîâûõ, íèçîâûõ è ïî÷âåííûõ ïîæàðàõ (òàáë. 2) [3].

Ò à á ë è ö à 2

Ìàññà ñãîðàþùèõ îðãàíè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ íà åäèíèöó ïðîéäåííîé îãíåì ïëîùàäè

Ìàññà ñãîðàþùèõ îðãàíè÷åñêèõ ìàòåðèàëîâ, Òãà–1, ïðè ïîæàðàõ Òèïû ëåñíûõ ãîðþ÷èõ ìàòåðèàëîâ (ËÃÌ)

Îáùèé çàïàñ, Òãà–1

âåðõîâûõ íèçîâûõ ïîäçåìíûõ

Âîçäóøíûå: õâîÿ, ìåëêèå è ñóõèå âåòêè 4–12 7 – – Íàçåìíûå: íàïî÷âåííûé ïîêðîâ, ñâåæèé îòïàä, êóñòàðíèêè, ïîäðîñò, ïîäëåñîê 2–15 5 5 10 ëåñíàÿ ïîäñòèëêà, îðãàíîãåííûå ãîðèçîíòû ïî÷âû 5–150 12 5 100 äðåâåñíûå îñòàòêè: âàëåæ, ñóõîñòîé, çàãîòîâëåííàÿ äðåâåñèíà 2–20 6 2 10

Âñåãî 30 12 120

Êóñòàðíèêè

Ëèñòâåííûå(2535 Ìò)

Ñìåøàííûå ñ ïðåîáëàäàíèåì

ëèñòâåííûõ (3457 Ìò)

Ñìåøàííûå ñ ïðåîáëàäàíèåì

õâîéíûõ (4687 Ìò)

Õâîéíûå (5609 Ìò)

Íàñåëåííûåïóíêòû

30 0 30 60 êì

Page 36: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

36

Ïðè ðàñ÷åòå êîëè÷åñòâà ýìèññèè ïàðíèêîâûõ ãàçîâ â àòìîñôåðó â ðåçóëüòàòå ëåñíûõ ïîæàðîâ íàèáîëåå âàæíûå ìîæíî ñ÷èòàòü ñëåäóþùèå ïàðàìåòðû: çàïàñ è äåïîíèðîâàíèå óãëåðîäà â ñãîðàþùèõ ïîðîäàõ è îáùóþ ìàññó ñãîðàþùèõ ìàòåðèàëîâ íà åäèíèöó ïëîùàäè, ïðîéäåííîé îãíåì. È òîò è äðóãîé ïàðàìåòðû íàïðÿìóþ çàâèñÿò îò òèïà ñãîðåâøåé ðàñòèòåëüíîñòè. Ïî ðå-çóëüòàòàì êëàññèôèêàöèè è ïîñòðîåííûõ êàðò ðàñïðåäåëåíèÿ ëåñîîáðàçóþùèõ ïîðîä è êàðòå ðàñ-ïðåäåëåíèÿ çàïàñà óãëåðîäà ìîæíî îöåíèòü, êàêîé âêëàä óãëåðîäà áóäåò âíîñèòü êàæäàÿ ïîðîäà â ðåçóëüòàòå ëåñíûõ ïîæàðîâ.

Ëèòåðàòóðà

1. Àáóøåíêî Í.À., Ìèíüêî Í.Ï., Ñåìåíîâ Ñ.Ì., Òàùèëèí Ñ.À., Òàòàðíèêîâ À.Â. Àëãîðèòì îáíàðó-æåíèÿ î÷àãîâ ïîæàðîâ ïî ìíîãîñïåêòðàëüíûì äàííûì ïðèáîðà AVHRR/NOAA // VI Ìåæäóíàð. ñèìïîç. «Îïòèêà àòìîñôåðû è îêåàíà». 1999. Òîìñê. 71 ñ.

2. Atmospheric Sciences Division, NASA Langley Research Center. Hampton, Virginia http://asd-www.larc.nasa.gov/ASR_right.html.

3. Èñàåâ À.Ñ., Êîðîâèí Ã.Í. Äåïîíèðîâàíèå óãëåðîäà â ëåñàõ Ðîññèè // Óãëåðîä â áèîãåîöåíîçàõ. Ì., 1997. 59 ñ.

ÏÐÈÌÅÍÅÍÈÅ ÒÅÎÐÈÈ ÐÀÑÏÎÇÍÀÂÀÍÈß ÎÁÐÀÇÎÂ ÄËß ÂÛÄÅËÅÍÈß ÎÁÚÅÊÒÎÂ ÏÎ ÑÏÓÒÍÈÊÎÂÛÌ ÄÀÍÍÛÌ NOAA

Ñ.Ì. Ñåìåíîâ, À.Â. Òàòàðíèêîâ, È.Ï. Ðåñåëüñ

664033 Èðêóòñê, óë. Ëåðìîíòîâà, 126, Èíñòèòóò ñîëíå÷íî-çåìíîé ôèçèêè ÑÎ ÐÀÍ E-mail: [email protected]

Èíòåðåñ ê ïðîáëåìàì ðàñïîçíàâàíèÿ îáðàçîâ è àâòîìàòè÷åñêîé îáðàáîòêå ñïóòíèêîâûõ èçî-áðàæåíèé çíà÷èòåëüíî âîçðîñ â ïîñëåäíåå äåñÿòèëåòèå.  ñâÿçè ñ ýòèì âîçðîñëà è íåîáõîäèìîñòü ðàçðàáîòêè ïðèìåíåíèé òåîðåòè÷åñêèõ ìåòîäîâ è ïðîãðàììíûõ ñðåäñòâ ðàñïîçíàâàíèÿ è îáðàáîò-êè ñïóòíèêîâ èçîáðàæåíèé.

Ïðåäñòàâëÿåìûå â äàííîé ñòàòüå ìåòîäû ðàñïîçíàâàíèÿ ïåðâîíà÷àëüíî áûëè ðàçðàáîòàíû äëÿ çàäà÷è âûäåëåíèÿ ëåñíûõ ïîæàðîâ è îïðåäåëåíèÿ èõ òî÷íûõ ãåîãðàôè÷åñêèõ êîîðäèíàò, ïî èí-ôîðìàöèè, ïîëó÷àåìîé ñî ñïóòíèêîâ ñåðèè NOAA [1]. Îäíàêî â äàëüíåéøåì âûÿñíèëîñü, ÷òî òå æå ìåòîäû óäîâëåòâîðèòåëüíî ñïðàâëÿþòñÿ è ñ äðóãèìè çàäà÷àìè âûäåëåíèÿ îáúåêòîâ íà èçîáðà-æåíèè.

Íåêîòîðûå îáúåêòû íà ñïóòíèêîâûõ èçîáðàæåíèÿõ óäîáíåå ðàññìàòðèâàòü êàê êëàñòåðû â n-ìåðíîì ïðîñòðàíñòâå ïðèçíàêîâ, ò.å. ïî îáùåïðèíÿòîé òåðìèíîëîãèè, êàê îáðàçû.

Ê òàêèì îáúåêòàì íà ñïóòíèêàõ ñåðèè NOAA îòíîñÿòñÿ ïîæàðû, îáëàêà è âîäíàÿ ïîâåðõ-íîñòü. Åñëè èõ ðàññìàòðèâàòü êàê îáðàçû â íåêîòîðîì n-ìåðíîì ïðîñòðàíñòâå ïðèçíàêîâ, òî çàäà-÷à âûäåëåíèÿ ýòèõ îáúåêòîâ ñâîäèòñÿ ê îïðåäåëåíèþ ãèïåðïîâåðõíîñòåé, ðàçäåëÿþùèõ ðàñïîçíà-âàåìûå êëàññû. Ïÿòü êàíàëîâ ïðèáîðà AVHRR ñïóòíèêîâ ñåðèè NOAA ïîçâîëÿþò ñîïîñòàâèòü êàæäîìó ïèêñåëþ ñïóòíèêîâîãî èçîáðàæåíèÿ òî÷êó â 5-ìåðíîì ïðîñòðàíñòâå ïðèçíàêîâ. Êðîìå òîãî, â êà÷åñòâå ïðèçíàêà ìîãóò ðàññìàòðèâàòüñÿ êîíòðàñò äàííîãî ïèêñåëÿ èçîáðàæåíèÿ îòíîñè-òåëüíî åãî áëèæàéøåãî îêðóæåíèÿ (äëÿ ïîæàðîâ), çíà÷åíèå ìîäóëÿ ãðàäèåíòà (äëÿ îçåð èëè ìî-ðåé) è ò.ä. Íàìè èñïîëüçîâàëîñü 8-ìåðíîå ïðîñòðàíñòâî ïðèçíàêîâ, õîòÿ íàáîð ïðèçíàêîâ áûë ðàçíûì äëÿ ðàçíûõ àëãîðèòìîâ. Äëÿ ïîñòðîåíèÿ ãèïåðïîâåðõíîñòåé ìîãóò áûòü èñïîëüçîâàíû äåòåðìèíèñòñêèé ìåòîä, åñëè êëàññû íå ïåðåñåêàþòñÿ, èëè, â ïðîòèâíîì ñëó÷àå, êàêîé-ëèáî ñòà-òèñòè÷åñêèé êðèòåðèé.  îáîèõ ñëó÷àÿõ èõ ïîñòðîåíèå ïðîèçâîäèòñÿ ïî îáó÷àþùåé âûáîðêå, ïðå-äîñòàâëåííîé ïðîãðàììå ÷åëîâåêîì-îïåðàòîðîì.

Ïîñëå ïðîâåäåíèÿ ïðîöåäóðû îáó÷åíèÿ ïðîãðàììå, ñîäåðæàùåé êîíêðåòíûé íàáîð ãèïåðïî-âåðõíîñòåé, ïðåäúÿâëÿåòñÿ ïèêñåëü, ïîäëåæàùèé êëàññèôèêàöèè. Ïðîãðàììà ïðèíèìàåò ðåøåíèå î ïðèíàäëåæíîñòè ê êîíêðåòíîìó êëàññó, èñõîäÿ èç èíôîðìàöèè, çàëîæåííîé â íåå ïðè îáó÷åíèè. Íåäîñòàòêîì ñòàòèñòè÷åñêèõ ìåòîäîâ ÿâëÿåòñÿ òî, ÷òî îêîëî ïîëîâèíû ïîãðàíè÷íûõ òî÷åê êëàññèôèöèðóåòñÿ íåïðàâèëüíî. Ýòî ìîæåò çíà÷èòåëüíî ñíèçèòü ýôôåêòèâíîñòü ðàñïîçíàâàíèÿ, åñëè ãðàíèöà â 8-ìåðíîì ïðîñòðàíñòâå èìååò ñëîæíóþ ôîðìó èëè åñëè àïïðîêñèìàöèÿ êëàñòåðîâ ïðåäñòàâëåíà íåáîëüøèì êîëè÷åñòâîì óçëîâ. Ïîýòîìó áîëåå ýôôåêòèâíûì ïðåäñòàâëÿåòñÿ äåòåð-

Page 37: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

37

ìèíèñòñêèé ïîäõîä. Íàìè áûëà ðàçðàáîòàíà ïðîãðàììà ðàñïîçíàâàíèÿ, îñíîâàííàÿ íà ìåòîäå ïî-òåíöèàëüíûõ ôóíêöèé.

Äëÿ ðàñïîçíàâàíèÿ îáúåêòîâ (ïðåæäå âñåãî ïîæàðîâ) íà ñïóòíèêîâûõ èçîáðàæåíèÿõ áûëà âûáðàíà ðåøàþùàÿ ôóíêöèÿ ñëåäóþùåãî âèäà [2]:

d(x) = a1 exp{–c||x – x1||2} + a2 exp{–c||x – x2||

2} + … + ak exp{–c||x – xk||2},

ãäå x – ðàñïîçíàâàåìûé îáðàç, xi, i = 1, 2,…, k – îáðàçû, îïðåäåëåííûå â ïðîöåññå îáó÷åíèÿ; ai – ÷èñëîâûå êîýôôèöèåíòû, ðàâíûå 1 èëè –1, â çàâèñèìîñòè îò òîãî, ê êàêîìó êëàññó, ïîæàðîâ èëè «íåïîæàðîâ», îòíîñèëñÿ îáðàç xi; c – ïîëîæèòåëüíàÿ ÷èñëîâàÿ êîíñòàíòà, à ||x – xi|| – íîðìà âåêòîðà (x – xi).

Ôóíêöèÿ d(x) ïîëîæèòåëüíà, åñëè x – ïîæàð, è îòðèöàòåëüíà â ïðîòèâíîì ñëó÷àå. Íà ðèñ. 1 ïðèâåäåíî èçîáðàæåíèå, ñ áîëüøèì êîëè÷åñòâîì ïîæàðîâ, ïîëó÷åííîå ñî ñïóòíèêà

NOAA (ïîêàçàíû ñîîòâåòñòâåííî 1, 2, 3 è 4-é êàíàëû ïðèáîðà AVHRR). Ïîæàðû îáðàçóþò ÷åð-íûå êîíòðàñòíûå ïÿòíà â 3-ì êàíàëå. Ïîñêîëüêó äëÿ ïîæàðîâ âàæíîå çíà÷åíèå èìåþò íàëè÷èå èëè îòñóòñòâèå êîíòðàñòà âî 2-ì, 3-ì è 4-ì êàíàëàõ, òî ïðîñòðàíñòâî ïðèçíàêîâ áûëî äîïîëíåíî çíà÷åíèÿìè, ó÷èòûâàþùèìè ýòè òðè ïàðàìåòðà.

à á

Ðèñ. 1. Èçîáðàæåíèå ñî ñïóòíèêà NOAA: à, á, â, ã ñîîòâåòñòâóþò 1, 2, 3 è 4-ìó êàíàëàì. Ïîæàðû îáðàçóþò ÷åðíûå êîíòðàñòíûå ïÿòíà â 3-ì êàíàëå

Îáó÷àþùàÿ ïðîöåäóðà ñòðîèëàñü ïî ñëåäóþùåé ñõåìå. Âíà÷àëå èç îáó÷àþùåé âûáîðêè âíî-ñèëîñü â ðàñïîçíàþùèé íàáîð îáðàçîâ (ÐÍÎ) ïî îäíîìó îáðàçó, ïðåäñòàâëÿþùåìó îáà êëàññà. Çàòåì ïðîâåðÿëàñü ïðàâèëüíîñòü ðàñïîçíàâàíèÿ âûáîðêè ïîæàðîâ. Êàê òîëüêî îáíàðóæèâàëñÿ ïîæàð, ðàñïîçíàííûé íåïðàâèëüíî, åãî äàííûå âíîñèëèñü â ÐÍÎ, è ïåðåõîäèëè ê ïðîâåðêå âû-áîðêè «íåïîæàðîâ». Ñàì îáðàç ïîæàðà ïðè ýòîì èñêëþ÷àëñÿ èç äàëüíåéøåãî ðàññìîòðåíèÿ.

à á

â ã

Page 38: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

38

Ðèñ. 2. Ñïóòíèêîâîå èçîáðàæåíèå ñî ñïóòíèêà ñåðèè NOAA (2-é êàíàë ïðèáîðà AVHRR)

Ðèñ. 3. Ïîêàçàíû âûäåëåííûå êëàñòåðû âîäíûõ ïîâåðõíîñòåé (áåëûì öâåòîì) è îáëàêà (ñåðûì öâåòîì)

Page 39: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

39

Àíàëîãè÷íî, êîãäà íàõîäèëñÿ íåïðàâèëüíî ðàñïîçíàííûé «íåïîæàð», åãî äàííûå âíîñèëèñü â ÐÍÎ, è âíîâü ïåðåõîäèëè ê ïðîâåðêå âûáîðêè ïîæàðîâ. Ïðîöåäóðà ïðîäîëæàëàñü äî òåõ ïîð, ïîêà ðàñïîçíàâàíèå îáåèõ âûáîðîê íå ñòàíîâèëîñü áåçîøèáî÷íûì.

Êàê âèäíî èç âèäà ðåøàþùåé ôóíêöèè, ñêîðîñòü âû÷èñëåíèÿ ìîæåò áûòü íåïðèåìëåìî áîëü-øîé, ïîýòîìó ïðåäâàðèòåëüíî èñïîëüçîâàëñÿ àëãîðèòì âûäåëåíèÿ ïîòåíöèàëüíûõ î÷àãîâ ïîæàðîâ.  àëãîðèòìå ïèêñåëü ñ÷èòàåòñÿ «íåïîæàðíûì», åñëè âûïîëíÿþòñÿ ñëåäóþùèå óñëîâèÿ:

t3 – 3,303 (t4 – t5 ) –3,75 < 0 èëè

a3 – a1 0,049 – (1,24795e–5 ν33)/(exp((1,4388 ν3)/t4) – 1) < 0,

ãäå t3, t4 è t5 – òåìïåðàòóðà, ñîîòâåòñòâåííî, 3-ãî, 4-ãî è 5-ãî êàíàëîâ, à à1 è à3 – ïîòîêè èçëó-÷åíèé 1-ãî è 3-ãî êàíàëîâ. Ïðîâåðêà ìåòîäà ïîòåíöèàëüíûõ ôóíêöèé ïðîâîäèëàñü òîëüêî äëÿ ïî-òåíöèàëüíûõ î÷àãîâ ïîæàðîâ.

Äëÿ ïîëó÷åíèÿ êîëè÷åñòâåííûõ õàðàêòåðèñòèê ýôôåêòèâíîñòè ðàáîòû ïðîãðàììû áûëè èñ-ïîëüçîâàíû 26 òåñòîâûõ èçîáðàæåíèé. Äëÿ ýòèõ èçîáðàæåíèé ìåòîäîì ýêñïåðòíîé îöåíêè áûëè îïðåäåëåíû âèäèìûå íà íèõ ïîæàðû. Îáùåå êîëè÷åñòâî âûäåëåííûõ ýêñïåðòàìè ïîæàðîâ ñîñòà-âèëî 860. Ðåçóëüòàòû ñðàâíåíèÿ ðàáîòû ïðîãðàììû ñ ýêñïåðòíîé îöåíêîé ïðèâåäåíû â òàáëèöå. Çàìåòèì, ÷òî â ÷èñëî ëîæíî ðàñïîçíàííûõ ïîæàðîâ âîøëè èìåâøèåñÿ íà òåñòîâûõ èçîáðàæåíèÿõ áëèêè îò âîäíûõ ïîâåðõíîñòåé, êîòîðûå ïðàêòè÷åñêè íå îòëè÷èìû îò êðóïíûõ î÷àãîâ.  ïðîòèâ-íîì ñëó÷àå êîëè÷åñòâî ëîæíûõ ñðàáàòûâàíèé áûëî áû íèæå ïðèìåðíî â äâà ðàçà. Òàì æå äëÿ ñðàâíåíèÿ ñ äðóãèìè èçâåñòíûìè ïîäõîäàìè ïðèâåäåíû äàííûå ïî êîíòåêñòíîìó àëãîðèòìó, à òàêæå ïîäõîä ñ èñïîëüçîâàíèåì ïîðîãîâîãî ìåòîäà, ðàíåå ðàçðàáîòàííûé â íàøåì öåíòðå. Êàê èçâåñòíî, äëÿ ðàçíûõ ðåãèîíîâ ýôôåêòèâíûì îêàçûâàåòñÿ ïðèìåíåíèå ðàçëè÷íûõ ïîðîãîâ. Ïî-ñêîëüêó íàø ïîðîãîâîé ìåòîä áûë ðàçðàáîòàí íà îñíîâå àíàëèçà õàðàêòåðèñòèê ïîæàðîâ íà íå-ñêîëüêèõ ñîòíÿõ ñíèìêîâ Èðêóòñêîãî è áëèçëåæàùèõ ðåãèîíîâ, òî ìîæíî óòâåðæäàòü, ÷òî è ëþ-áîé äðóãîé ïîðîãîâûé ìåòîä äàñò íå íàìíîãî ëó÷øèå ðåçóëüòàòû.

Ïðîãðàììà àâòîìàòè÷åñêîãî ðàñïîçíàâàíèÿ

Êîíòåêñòóàëüíûé àëãîðèòì Ïîðîãîâûé ìåòîä

Ïîæàðû

êîëè÷åñòâî ïîæàðîâ

â % ê îáùåìó êîëè÷åñòâó ïîæàðîâ

êîëè÷åñòâî ïîæàðîâ

â % ê îáùåìó êîëè÷åñòâó ïîæàðîâ

êîëè÷åñòâî ïîæàðîâ

â % ê îáùåìó êîëè÷åñòâó ïîæàðîâ

Ïðîïóùåííûå (íå âûäåëåííûå) 54 6,27 246 28,60 330 38,37

Ëîæíûå (âûäåëåííûå) 78 9,07 414 48,13 94 10,93

Äëÿ ðàñïîçíàâàíèÿ íà ñïóòíèêîâûõ èçîáðàæåíèÿõ âîäíûõ ïîâåðõíîñòåé è îáëà÷íîãî ïîêðîâà ìû ïðèìåíÿåì àíàëîãè÷íûé ìåòîä. Íà ðèñ. 2 ìû âèäèì èñõîäíûé ñíèìîê ñî ñïóòíèêà NOAA, à íà ðèñ. 3 ïîêàçàíû âûäåëåííûå ïóòåì ñåãìåíòàöèè êëàñòåðû èçîáðàæåíèÿ îç. Áàéêàë.

Èññëåäîâàíèÿ, ïðîâåäåííûå àâòîðàìè, ïîêàçàëè, ÷òî òàêîé ìåòîä ðàñïîçíàâàíèÿ ïîæàðîâ, âîäíîé ïîâåðõíîñòè è îáëàêîâ íà èçîáðàæåíèÿõ, ïîëó÷åííûõ ñî ñïóòíèêîâ ñåðèè NOAA, áàçè-ðóþùèéñÿ íà òåîðèè ðàñïîçíàâàíèÿ îáðàçîâ, äàåò ðåçóëüòàòû, ñðàâíèìûå ïî êà÷åñòâó ñ ðàáîòîé ÷åëîâåêà-îïåðàòîðà. Ýòî óòâåðæäåíèå ïîäêðåïëÿåòñÿ íåñêîëüêèìè ãîäàìè ïðàêòè÷åñêîé ðàáîòû ðàçðàáîòàííûõ ïðîãðàìì è àëãîðèòìîâ â ëàáîðàòîðèè êîñìè÷åñêîãî ìîíèòîðèíãà ÈÑÇÔ ÑÎ ÀÍ.

Ëèòåðàòóðà

1. Àáóøåíêî Í.À., Ìèíüêî Í.Ï., Ñåìåíîâ Ñ.Ì., Òàùèëèí Ñ.À., Òàòàðíèêîâ À.Â. Èñïîëüçîâàíèå èí-ôîðìàöèè ñî ñïóòíèêîâ ñåðèè NOAA äëÿ îïåðàòèâíîãî ìîíèòîðèíãà ëåñíûõ ïîæàðîâ è èõ ïîñëåäñò-âèé: Ìàòåð. êîíô. «Ñîâðåìåííûå ïðîáëåìû ýêîëîãèè, ïðèðîäîïîëüçîâàíèÿ è ðåñóðñîñáåðåæåíèÿ Ïðèáàéêàëüÿ». Èðêóòñê, 1998. Ñ. 173.

2. Òó Äæ., Ãîíñàëåñ Ð. Ïðèíöèïû ðàñïîçíàâàíèÿ îáðàçîâ. Ì.: Ìèð, 1978.

Page 40: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

40

Î ÂÎÇÌÎÆÍÎÑÒÈ ÈÑÏÎËÜÇÎÂÀÍÈß ÐÎÑÑÈÉÑÊÎÉ ÊÎÑÌÈ×ÅÑÊÎÉ ÑÈÑÒÅÌÛ ÃËÎÁÀËÜÍÎÃÎ ÍÀÁËÞÄÅÍÈß ÄËß ÎÏÅÐÀÒÈÂÍÎÃÎ

ÎÁÍÀÐÓÆÅÍÈß ËÅÑÍÛÕ ÏÎÆÀÐÎÂ

Þ.Â. Àðòàìîíîâà

Ôåäåðàëüíîå ãîñóäàðñòâåííîå óíèòàðíîå ïðåäïðèÿòèå ”Öåíòðàëüíûé íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêèé èíñòèòóò «Êîìåòà»”

115280 Ìîñêâà, óë. Âåëîçàâîäñêàÿ, ä. 5 E-mail: [email protected], [email protected]

 íàñòîÿùåå âðåìÿ â Ðîññèè íå ñóùåñòâóåò êîñìè÷åñêèõ ñèñòåì, ïîçâîëÿþùèõ ðåøàòü âîïðî-ñû îïåðàòèâíîãî îáíàðóæåíèÿ ëåñíûõ ïîæàðîâ (ËÏ).

 ìèðîâîé ïðàêòèêå, â òîì ÷èñëå â Ðîññèè, ïðè ðåøåíèè îïåðàòèâíûõ âîïðîñîâ îáíàðóæåíèÿ ËÏ ïðåäïî÷òåíèå îòäàåòñÿ àìåðèêàíñêîé ñèñòåìå ìåòåîðîëîãè÷åñêèõ ñïóòíèêîâ NOAA, íî ýòà ñèñòåìà íå ïîçâîëÿåò ðåøàòü çàäà÷è ðàííåãî îáíàðóæåíèÿ ËÏ èç-çà äèñêðåòíîñòè ïîñòóïëåíèÿ ñïóòíèêîâûõ äàííûõ è íå îòâå÷àåò òðåáîâàíèÿì ðîññèéñêèõ ïîòðåáèòåëåé ê îáíàðóæåíèþ ËÏ: âðåìÿ îáíàðóæåíèÿ ËÏ â äíè ñ âûñîêîé è ÷ðåçâû÷àéíîé ïîæàðîîïàñíîñòüþ – íå áîëåå 1,6÷2,0 ÷ è âðåìÿ íàáëþäåíèÿ ËÏ íà òåððèòîðèè Ðîññèè – íåïðåðûâíî.

Çàäà÷è ðàííåãî îáíàðóæåíèÿ ëåñíûõ ïîæàðîâ, ó÷èòûâàÿ ðåàëüíîå ñîñòîÿíèå ýêîíîìèêè ñòðà-íû, öåëåñîîáðàçíî âîçëîæèòü íà îòå÷åñòâåííóþ âûñîêîîðáèòàëüíóþ êîñìè÷åñêóþ ñèñòåìó ãëî-áàëüíîãî íàáëþäåíèÿ «ÎÊλ [1]. Äëÿ îöåíêè âîçìîæíîñòè ïðèìåíåíèÿ äàííûõ ÊÑ «ÎÊλ áûëè ïðîâåäåíû ýêñïåðèìåíòû, ïîäòâåðæäàþùèå îáíàðóæåíèå ËÏ áîðòîâîé àïïàðàòóðîé ÈÊ-äèàïà- çîíà ÊÀ ÊÑ «ÎÊλ [2–4]. Ðåçóëüòàòû îáðàáîòêè ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ ïîêàçàëè, ÷òî îò-íîøåíèÿ ñèãíàë/ôîí â èñïîëüçóåìîé àïïàðàòóðå ãëîáàëüíîãî îáçîðà äîñòàòî÷íî äëÿ îáíàðóæå-íèÿ îòìåòîê îò ëåñíûõ ïîæàðîâ, êîòîðûå ïðîÿâëÿëèñü â âèäå àíîìàëüíûõ ñòðóêòóð íà èçîáðàæå-íèè, íåõàðàêòåðíûõ äëÿ òèïîâ îáëà÷íîñòè ðàéîíà íàáëþäåíèÿ: ýëåìåíòû, âûòÿíóòûå ïîïåðåê îá-ëà÷íîãî ôðîíòà, íàëè÷èå îòäåëüíîãî êó÷åâîîáðàçíîãî îáëàêà, îáðàçóþùåãîñÿ ïîáëèçîñòè îò ôðîíòà ìîùíîãî ëåñíîãî ïîæàðà. Ðåçóëüòàòû ìîäåëèðîâàíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî áîðòîâàÿ àïïàðàòóðà ÊÑ «ÎÊλ ïîçâîëÿåò îáíàðóæåíèå ËÏ ïëîùàäüþ 200 è 400 ì2 â ñïåêòðàëüíîì äèàïàçîíå, âêëþ-÷àþùåì ïðàâîå êðûëî ïîëîñû 2,7 ìêì, ïðè ýòîì îòíîøåíèå ñèãíàë/ôîí ∼ 1,5 [2]. Íà ðèñ. 1 â êà÷åñòâå ïðèìåðà ïðèâåäåíû îáðàáîòàííûå èçîáðàæåíèÿ ÊÑ «ÎÊλ è NOAA. Íà ðèñ. 2 ïðåä-ñòàâëåíû ðåçóëüòàòû ñîâìåñòíîãî àíàëèçà èçîáðàæåíèé NOAA è «ÎÊλ, ïîêàçûâàþùèå, ÷òî äàííûå õîðîøî êîððåëèðóþò ìåæäó ñîáîé.

à á

Ðèñ. 1. Òðàíñôîðìèðîâàííûå èçîáðàæåíèÿ ñèñòåì NOAA (a), äàëüíèé ÈÊ-äèàïàçîí, è «ÎÊλ (á), ñðåäíèé ÈÊ-äèàïàçîí

Òàê êàê äàííûå NOAA è äðóãèõ ñðåäíåîðáèòàëüíûõ ñèñòåì, èñïîëüçóåìûõ äëÿ îáíàðóæåíèÿ ËÏ (TERRA è äð.), ÿâëÿþòñÿ äîñòóïíûìè äëÿ ïîòðåáèòåëåé, íà ïåðâûõ ýòàïàõ èñïîëüçîâàíèÿ ÊÑ «ÎÊλ äëÿ îáíàðóæåíèÿ ËÏ öåëåñîîáðàçíî èñïîëüçîâàòü ýòè ñèñòåìû êàê îáó÷àþùèå, ò.å. ïðîâîäèòü ñîâìåñòíóþ îáðàáîòêó äàííûõ ñðåäíåîðáèòàëüíûõ ñèñòåì è âûñîêîîðáèòàëüíîé ñèñòå-ìû «ÎÊλ. Êðîìå òîãî, äàííûå ýòèõ ñèñòåì ïîçâîëÿþò â îïåðàòèâíîì ðåæèìå îñóùåñòâëÿòü àíà-ëèç îáëà÷íîñòè è èñêëþ÷àòü èç îáðàáîòêè ðàéîíû, çàêðûòûå ñïëîøíîé îáëà÷íîñòüþ.

Page 41: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

41

Ðèñ. 2. Ñîâìåñòíûé àíàëèç äàííûõ ñèñòåì NOAA è «ÎÊÎ-2»

Ðèñ. 3. Ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ñîâìåñòíîé îáðàáîòêè äàííûõ âûñîêîîðáèòàëüíûõ è ñðåäíåîðáèòàëüíûõ ÊÑ

Óñòðîéñòâî ââîäà èíôîðìàöèè

Àðõèâ îáðàáîòàííûõ äàííûõ

Ãåîãðàôè÷åñêàÿ ïðèâÿçêà äàííûõ

Ïîòðåáèòåëü

Ìîäåì

Ìîäåì

ÊÀ ÊÑ «ÎÊλ ÊÀ ÑÐÅÄÍÅÎÐÁÈÒÀËÜÍÎÉ ÊÑ

Òåõíè÷åñêèå ñðåäñòâà îáðàáîòêè äàí-íûõ ñðåäíåîðáèòàëüíûõ ÊÑ

ÊÎÌÏËÅÊÑ ÎÁÐÀÁÎÒÊÈ ÄÀÍÍÛÕ

Ïðåäâàðèòåëüíàÿ îáðàáîòêà èíôîðìàöèè

Ïåðâè÷íàÿ îáðàáîòêà äàííûõ ÊÑ «ÎÊλ

Òåìàòè÷åñêàÿ îáðàáîòêà äàííûõ

Ìîäåì

Ôðàãìåíò èçîáðàæåíèÿ NOAA

А В

Ôðàãìåíò èçîáðàæåíèÿ ñèñòåìû «ÎÊÎ-2»

А′

В′

Ãðàôèê ïîïèêñåëüíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ÿðêîñòè äëÿ çàäàííîãî óãëà ñå÷åíèÿ

5,00E+01

1,00E+02

1,50E+02

2,00E+02

2,50E+02

0 30 60

N,

ïèêñåëü

200

S, êì

350

Page 42: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

42

Âîïðîñ ñîâìåñòíîé îáðàáîòêè äàííûõ î ËÏ, ïîëó÷åííûõ îò ðàçëè÷íûõ êîñìè÷åñêèõ ñèñòåì, ÿâëÿåòñÿ êàðäèíàëüíûì, îí âêëþ÷àåò â ñåáÿ âîïðîñû ïðåäâàðèòåëüíîé è ïåðâè÷íîé îáðàáîòêè äàííûõ, ñîâìåñòíîé êîîðäèíàòíîé ïðèâÿçêè è òåìàòè÷åñêîé îáðàáîòêè ñ ïîñëåäóþùåé âûäà÷åé èíôîðìàöèè ïîòðåáèòåëþ.

Íà ðèñ. 3 ïðåäñòàâëåíà ñòðóêòóðíàÿ ñõåìà ñîâìåñòíîé îáðàáîòêè äàííûõ. Ðåçóëüòàòû ñîâìåñòíîé îáðàáîòêè ïîçâîëÿò íàáðàòü ñòàòèñòè÷åñêèå äàííûå íå òîëüêî î ñèã-

íàëàõ îò ðàçëè÷íûõ ËÏ äëÿ ðàçëè÷íûõ óñëîâèé íàáëþäåíèÿ è ó÷èòûâàþùèå ñïåöèôèêó ðàéîíà è ñåçîíà ñúåìêè, íî è îá îáëà÷íûõ ñòðóêòóðàõ, îáðàçóþùèõñÿ íåïîñðåäñòâåííî íàä ÎËÏ, êîòîðûå ÿâëÿþòñÿ êîñâåííûì ïðèçíàêîì ïðè îáíàðóæåíèè è ðàñïîçíàâàíèè ËÏ íà èçîáðàæåíèÿõ.  òî æå âðåìÿ çà ïîñëåäíèå ãîäû ÔÃÓÏ “ÖÍÈÈ «Êîìåòà»” íàêîïëåíî áîëüøîå êîëè÷åñòâî ñòàòèñòè÷å-ñêèõ äàííûõ, ïîëó÷åííûõ ïðè íàáëþäåíèè Âîñòî÷íîé Ñèáèðè è Äàëüíåãî Âîñòîêà ãåîñòàöèîíàð-íûìè àïïàðàòàìè ñèñòåìû «ÎÊλ. Âñå ýòî ïîçâîëèëî ïðèñòóïèòü ê ñîçäàíèþ áàçû äàííûõ, íå-îáõîäèìîé äëÿ óñîâåðøåíñòâîâàíèÿ ñóùåñòâóþùèõ è ðàçðàáîòêè è òåñòèðîâàíèÿ ïîðîãîâûõ àëãî-ðèòìîâ, îïòèìàëüíûõ äëÿ îáíàðóæåíèÿ ËÏ, è îòêàçàòüñÿ îò èñïîëüçîâàíèÿ äàííûõ çàðóáåæíûõ ñèñòåì, êîòîðûå ìîãóò â ëþáîå âðåìÿ ïåðåñòàòü áûòü äîñòóïíûìè äëÿ ðîññèéñêèõ ïîòðåáèòåëåé. Èñïîëüçîâàíèå ïåðñïåêòèâíîé ãëîáàëüíîé êîñìè÷åñêîé ñèñòåìû íàáëþäåíèÿ, ñîñòîÿùåé èç íåñêîëüêèõ ÊÀ íà ãåîñòàöèîíàðíûõ è âûñîêîýëëèïòè÷åñêèõ îðáèòàõ ñ àïïàðàòóðîé ñ ïîâûøåííîé ÷óâñòâèòåëüíîñòüþ è øèðîêèìè ïîëÿìè çðåíèÿ, îõâàòûâàþùèìè âåñü çåìíîé äèñê, ïîçâîëèò ïðè èñïîëüçîâàíèè ðàçðàáîòàííûõ àëãîðèòìîâ ïîâûñèòü îïåðàòèâíîñòü è äîñòîâåðíîñòü èíôîðìàöèè î ËÏ.

Ëèòåðàòóðà

1. Àçìåòîâ Ð.Ð. Î òðåáîâàíèÿõ ïîòðåáèòåëÿ ê êîñìè÷åñêîé ñèñòåìå ðàííåãî ïðåäóïðåæäåíèÿ î ëåñíûõ ïîæàðàõ // Ìàòåð. íàó÷íî-òåõí. ñåìèíàðà Ðîñàâèàêîñìîñà îò 12.03.2001 ã., ñåêöèÿ ¹ 3.

2. Íîâèíñêàÿ Å.Ë. Îöåíêà âîçìîæíîñòè íàáëþäåíèÿ î÷àãîâ ëåñíûõ ïîæàðîâ ñ èñïîëüçîâàíèåì êîñìè÷å-ñêîé ñèñòåìû íàáëþäåíèÿ «ÎÊÎ-2» // Òðóäû LVII íàó÷íîé ñåññèè, ïîñâÿùåííîé Äíþ ðàäèî, 15–16 ìàÿ 2002 ã., Ìîñêâà. Ò. 1. Ñåêöèÿ «Êèáåðíåòèêà è âîïðîñû ýêîëîãèè». Ì., 2002.

3. Àðòàìîíîâà Þ.Â., Ëèòîâ÷åíêî Ä.Ö., Íîâèíñêàÿ Å.Ë., ×åñêèäîâà À.Ñ. Ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòîâ ïî îáíàðóæåíèþ ëåñíûõ ïîæàðîâ ñ èñïîëüçîâàíèåì êîñìè÷åñêîé ñèñòåìû íàáëþäåíèÿ èíôðàêðàñíîãî äèàïàçîíà // Òðóäû LVII íàó÷íîé ñåññèè, ïîñâÿùåííîé Äíþ ðàäèî, 15–16 ìàÿ 2002 ã., Ìîñêâà. Ò. 1. Ñåêöèÿ «Êèáåðíåòèêà è âîïðîñû ýêîëîãèè». Ì., 2002.

4. Àðòàìîíîâà Þ.Â., Ëèòîâ÷åíêî Ä.Ö. Îöåíêà âîçìîæíîñòè ðåãèñòðàöèè ëåñíûõ ïîæàðîâ ãåîñòàöèî-íàðíûìè ñïóòíèêàìè ñèñòåìû «ÎÊÎ-2» ïî ðåçóëüòàòàì êîñìè÷åñêîãî ýêñïåðèìåíòà (â ïå÷àòè).

ÀÍÀËÈÇ ÂÇÀÈÌÎÑÂßÇÈ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊ ßÐÊÎÑÒÈ È ÌÈÊÐÎÔÈÇÈ×ÅÑÊÈÕ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊ ÎÁËÀ×ÍÎÑÒÈ

ÏÐÈ ÍÀÁËÞÄÅÍÈÈ ÈÇ ÊÎÑÌÎÑÀ

Ì.Ï. Èâàíîâà

Ôåäåðàëüíîå ãîñóäàðñòâåííîå óíèòàðíîå ïðåäïðèÿòèå ”Öåíòðàëüíûé íàó÷íî-èññëåäîâàòåëüñêèé èíñòèòóò «Êîìåòà»”

115280 Ìîñêâà, óë. Âåëîçàâîäñêàÿ, ä. 5 E-mail: [email protected]

Ïðè ãëîáàëüíîì íàáëþäåíèè Çåìëè èç êîñìîñà âàæíûìè çàäà÷àìè ÿâëÿþòñÿ ïðîãíîç è îöåí-êà ïàðàìåòðîâ ïîëåé ÿðêîñòè ïðèðîäíûõ îáúåêòîâ. Äàííûå ìíîãî÷èñëåííûõ íàáëþäåíèé ñ àâèà-öèîííûõ è êîñìè÷åñêèõ íîñèòåëåé ïîêàçûâàþò, ÷òî ÿðêîñòü îáëàêîâ â îêðåñòíîñòè òî÷êè çåðêàëüíîãî îòðàæåíèÿ çíà÷èòåëüíî âûøå, ÷åì ïðè ñîîòâåòñòâóþùåé âûñîòå Ñîëíöà âíå ýòîé îá-ëàñòè. Ýòî ÿâëåíèå íàáëþäàåòñÿ êàê ïðè ìàëûõ óãëàõ ðàññåÿíèÿ, êîòîðûå ðåàëèçóþòñÿ â ïðèãî-ðèçîíòíîé îáëàñòè, òàê è ïðè íàáëþäåíèè âáëèçè íàäèðà ïðè áîëüøèõ óãëàõ ðàññåÿíèÿ.

Äëÿ ðàñ÷åòà õàðàêòåðèñòèê ÿðêîñòè ïðè íàáëþäåíèè íà îáëàêàõ áûëà ïðåäëîæåíà ìîäåëü, ó÷èòûâàþùàÿ ìèêðîôèçè÷åñêèå, îïòèêî-ãåîôèçè÷åñêèå õàðàêòåðèñòèêè îáëàêîâ è êîíêðåòíûå óñëîâèÿ ôóíêöèîíèðîâàíèÿ êîñìè÷åñêèõ ñèñòåì íàáëþäåíèÿ â èõ äèíàìèêå.

Page 43: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

43

Ðàñïðåäåëåíèå îòêëîíåíèé îòðàæàþùèõ ãðàíåé îò ãîðèçîíòàëüíîãî ïîëîæåíèÿ õàðàêòåðèçóåò îáëà÷íóþ ñðåäó è íå çàâèñèò îò ïàðàìåòðîâ ñèñòåìû íàáëþäåíèÿ, ÷òî ïîçâîëÿåò èñïîëüçîâàòü åãî êàê âíåøíèé ïàðàìåòð ìîäåëè ôîðìèðîâàíèÿ ïîëÿ ÿðêîñòè ëåäÿíûõ îáëàêîâ â çîíå çåðêàëüíîãî îòðàæåíèÿ. Îïðåäåëåíèå ïàðàìåòðîâ ýòîãî ðàñïðåäåëåíèÿ ÿâëÿåòñÿ ìåòîäè÷åñêè ñëîæíîé çàäà÷åé, îäèí èç âàðèàíòîâ ðåøåíèÿ êîòîðîé ðàññìîòðåí â [1].

 öåëÿõ ïðîâåðêè ìîäåëè íà àäåêâàòíîñòü áûëà ïðîâåäåíà îáðàáîòêà èçîáðàæåíèé, ïîëó÷åí-íûõ ñèñòåìîé «ÎÊλ.  ðåçóëüòàòå îáðàáîòêè ðàññ÷èòàííàÿ çàâèñèìîñòü P(θêì) (ïëîòíîñòü ðàñ-ïðåäåëåíèÿ êîëè÷åñòâà îòðàæàþùèõ ïëîùàäîê ñ íàêëîíîì θêì) áûëà ñîïîñòàâëåíà ñ ðàñ÷åòàìè, ïîëó÷åííûìè ïîñëå îáðàáîòêè äàííûõ ñïóòíèêà GSM.

ßðêîñòü âåðõíåé ãðàíèöû ëåäÿíûõ îáëàêîâ â îòðàæàòåëüíîé îáëàñòè ñïåêòðà ( )iceB λ ìîæåò

áûòü ïîëó÷åíà ïî ôîðìóëå [1]:

( ) ( ) ( )ice dif refB B Bλ = λ + λ . (1)

Äèôôóçíàÿ ñîñòàâëÿþùàÿ ÿðêîñòè ëåäÿíûõ îáëàêîâ ìàëà [1], òàêèì îáðàçîì îñíîâíóþ ðîëü â ôîðìèðîâàíèè ÿðêîñòè îáëàêîâ âåðõíåãî ÿðóñà èãðàåò çåðêàëüíàÿ êîìïîíåíòà.

Äëÿ ðàñ÷åòà îòðàæåííîé ñîñòàâëÿþùåé ÿðêîñòè èñïîëüçîâàëàñü ìîäåëü, àíàëîãè÷íàÿ ìîäåëè îòðàæåíèÿ èçëó÷åíèÿ âçâîëíîâàííîé ìîðñêîé ïîâåðõíîñòüþ ×. Êîêñà è Â. Ìàíêà:

4

êì êì êì

( )( ) sec sec ( , ) ( , ) ( , ) ( ),

4sun

sunref obs obs

EB Z T Z T Z P

λλ = θ ρ λ ω λ λ θ (2)

ãäå Esun(λ) – ñîëíå÷íàÿ ïîñòîÿííàÿ íà âåðõíåé ãðàíèöå àòìîñôåðû; T(λ, Zsun), T(λ, Zobs) – êîýô-ôèöèåíòû ïðîïóñêàíèÿ àòìîñôåðû íà òðàññàõ «Ñîëíöå − îáëàêî» è «îáëàêî − íàáëþäàòåëü» ñîîò-âåòñòâåííî; ρf(λ, ωêì) – ôðåíåëåâñêèé êîýôôèöèåíò îòðàæåíèÿ ëüäà..

Èç ôîðìóëû (2) âèäíî, ÷òî Bref(λ) çàâèñèò îò çåíèòíîãî óãëà ëèíèè âèçèðîâàíèÿ Zobs, çåíèò-íîãî óãëà Ñîëíöà Zsun, óãëà íàêëîíà ýëåìåíòàðíîé ïëîùàäêè θêì è óãëà ïàäåíèÿ (îòðàæåíèÿ) ωêì. Ñ ïîìîùüþ ôîðìóëû îöåíèì âåëè÷èíó P, êîòîðàÿ â ìîäåëè (1) èìååò ôèçè÷åñêèé ñìûñë ïëîòíî-ñòè ðàñïðåäåëåíèÿ êîëè÷åñòâà îòðàæàþùèõ ïëîùàäîê ñ íàêëîíîì θêì:

4

êì êìsec sec ( , )èçì

obs

BP

Z=

θ ρ λ ω, (3)

ãäå Âèçì – ÿðêîñòü òî÷êè, ðàñïîëîæåííîé â áëèêîâîé (ïðåäáëèêîâîé) çîíå, êâàíòû, èçìåðåííàÿ ïî ëèíåéíîé øêàëå.

Åñëè ïðåäëîæåííàÿ ìîäåëü ñïðàâåäëèâà, òî ïàðàìåòð Ð çàâèñèò òîëüêî îò óãëà θêì è íå çàâè-ñèò îò îñòàëüíûõ óãëîâ. Òàêèì îáðàçîì, âñå ïàðàìåòðû, íåîáõîäèìûå äëÿ ðàñ÷åòà Bdif(λ) è Bref(λ), ìîæíî îïðåäåëèòü äëÿ ëþáîé òî÷êè ïîëÿ îáçîðà áîðòîâîé àïïàðàòóðû, ÷òî ïîçâîëèò ðàñ-ñ÷èòàòü ñïåêòð ÿðêîñòè ëåäÿíûõ îáëàêîâ â îêðåñòíîñòè òî÷êè çåðêàëüíîãî îòðàæåíèÿ Bice(λ).

Íà ðèñ. 1 ïðåäñòàâëåíû ïðèìåðû èçîáðàæåíèé, ïîëó÷åííûå ñèñòåìîé «ÎÊλ, êîòîðûå áûëè îáðàáîòàíû.

Ñðàâíåíèå äàííûõ, ïîëó÷åííûõ ïðè îáðàáîòêå èçîáðàæåíèé ñèñòåìû «ÎÊλ è GSM, ïîçâî-ëÿåò óòâåðæäàòü î ñîîòâåòñòâèè êðèâûõ çàâèñèìîñòè Ð(θêì) è î íåîáõîäèìîñòè äàëüíåéøåé ïðî-âåðêè ìîäåëè íà èçîáðàæåíèÿõ ñèñòåìû «ÎÊλ.

 ðàáîòå [2] ïðè ðàñ÷åòå äèôðàêöèè íà ãðàíÿõ êðèñòàëëîâ èñïîëüçóåòñÿ ìîäåëü îáëà÷íîé ñðåäû, â ñîîòâåòñòâèè ñ êîòîðîé ïëàñòèíêè ñîâåðøàþò íåáîëüøèå êîëåáàíèÿ îòíîñèòåëüíî ãîðè-çîíòàëüíîé ïëîñêîñòè ñ ðàâíîìåðíûì çàêîíîì ðàñïðåäåëåíèÿ íàêëîíîâ [2]. Ôîðìû êðèâûõ, ïî-ëó÷åííûõ ïðè îáðàáîòêå èçîáðàæåíèé ñèñòåìû «ÎÊλ è GSM, íå ñîîòâåòñòâóþò íîðìàëüíîìó ðàñïðåäåëåíèþ ïðè çíà÷åíèÿõ θêì áîëåå 15°. Äàëåå íàáëþäàåòñÿ óáûâàíèå çíà÷åíèé, ïðîäîëæàþ-ùååñÿ äî ìàêñèìàëüíûõ çàðåãèñòðèðîâàííûõ âåëè÷èí θêì. Òàêîé ýôôåêò ìîæåò áûòü ñâÿçàí ñ ìíîãîîáðàçèåì ôîðì êðèñòàëëîâ (ïðè íàáëþäåíèè íà ãîðèçîíò îñíîâíîé âêëàä â îòðàæåííóþ ñî-ñòàâëÿþùóþ ìîãóò ïðèâíîñèòü áîêîâûå ãðàíè êðèñòàëëîâ). Òàêèå âûâîäû òðåáóþò ïîäòâåðæäå-íèÿ äàííûìè, ïîëó÷åííûìè ïðè ïîìîùè ýêñïåðèìåíòîâ â îäíîðîäíûõ ñðåäàõ.

Page 44: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

44

à

á

Ðèñ. 1. Èçîáðàæåíèå, ïîëó÷åííîå 06.09.2001 19:09:27 ïî ÑÅÂ, öåíòð áëèêà 9,4° ñ.ø., 13,4° â.ä. (à); èçîáðà- æåíèå, ïîëó÷åííîå 11.09.2001 2:48:21, öåíòð áëèêà 3,5° ñ.ø., 127,4° â.ä. (á)

Ïîëó÷åííûå çàâèñèìîñòè Ð(θêì) ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 2.

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

0 5 10 15 20 25 30 35 40

Ðèñ. 2. Ïëîòíîñòü ðàñïðåäåëåíèÿ íàêëîíîâ ëåäÿíûõ ïëàñòèíîê â îáëàêàõ Ð(θêì

), ïîëó÷åííàÿ ïî äàííûì êîðîòêîâîëíîâîãî äèàïàçîíà (1) è ïî äàííûì, ïîëó÷åííûì â ñðåäíåé ÈÊ-îáëàñòè (2)

Ëèòåðàòóðà

1. Àðæåíåíêî Í.È. Àíàëèç ñâÿçè ýêñòðåìàëüíûõ ôîíîâûõ ïîìåõ â êîñìè÷åñêîé ñèñòåìå ãëîáàëüíîãî íà-áëþäåíèÿ è õàðàêòåðèñòèê îáëàêîâ//Âîïðîñû ðàäèîýëåêòðîíèêè. Ñåð. Îáùåòåõíè÷åñêàÿ. 2003. Âûï. 1. Ñ. 32–40.

2. Ïåòðóøèí À.Ã. Èññëåäîâàíèå ðàññåèâàþùèõ ñâîéñòâ ìîäåëüíûõ îáëà÷íûõ ñðåä â âèäèìîì è ÈÊ-äèàïàçîíàõ äëèí âîëí (â ïå÷àòè).

P

θêì

, ãðàä

1

2

Page 45: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

45

ÂÇÀÈÌÎÑÂßÇÜ ÈÇÌÅÍÅÍÈÉ ÎÁÙÅÃÎ ÑÎÄÅÐÆÀÍÈß ÎÇÎÍÀ  ÑÅÂÅÐÍÎÌ ÏÎËÓØÀÐÈÈ ÑÎ ÑÊÎÐÎÑÒÜÞ ÑÒÐÀÒÎÑÔÅÐÍÎÃÎ

ÖÈÐÊÓÌÏÎËßÐÍÎÃÎ ÂÈÕÐß

Ì.Í. Êîëÿäà

Êðàñíîÿðñêèé ãîñóäàðñòâåííûé òåõíè÷åñêèé óíèâåðñèòåò, ã. Êðàñíîÿðñê

Ââåäåíèå

Îçîíîâûé ñëîé â ñòðàòîñôåðå ÿâëÿåòñÿ çàùèòíûì ýêðàíîì ïëàíåòû îò óëüòðàôèîëåòîâîãî èç-ëó÷åíèÿ Ñîëíöà ñ äëèíîé âîëíû ìåíåå 308 íì. Ýòîò ãàç ñîñòàâëÿåò òîëüêî 6,4 · 10–7 îò îáúåìà àòìîñôåðíîãî âîçäóõà, è åãî ìàêñèìàëüíàÿ êîíöåíòðàöèÿ ôèêñèðóåòñÿ íà âûñîòàõ 18–25 êì, â ñðåäíåé ñòðàòîñôåðå. Ïîãëîùàÿ áîëüøóþ ÷àñòü ïîñòóïàþùåé óëüòðàôèîëåòîâîé ðàäèàöèè, îçîí âûïîëíÿåò âàæíóþ ðîëü äëÿ áèîñôåðû Çåìëè. Ïîýòîìó ñ òåõ ïîð, êàê áûë îáíàðóæåí ýôôåêò èñòîùåíèÿ îçîíîâîãî ñëîÿ, íàçâàííûé îçîíîâîé äûðîé, èññëåäîâàíèÿ îáùåãî ñîäåðæàíèÿ îçîíà (ÎÑÎ) ñòàëè ïîñòîÿííûìè è ðàçíîñòîðîííèìè.

Áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî ìèíèìóìû ÎÑÎ íàáëþäàþòñÿ â ïåðèîäû âåñåííåé àêòèâíîñòè Ñîëí-öà, â Þæíîì ïîëóøàðèè (ñåíòÿáðü–îêòÿáðü) è â Ñåâåðíîì ïîëóøàðèè ñ êîíöà ôåâðàëÿ ïî àï-ðåëü. Ñî âðåìåíåì âûäåëèëèñü äâå îñíîâíûå ãèïîòåçû ïîÿâëåíèÿ îçîíîâûõ äûð. Îäíîé ïðè÷èíîé íàçûâàþò àíòðîïîãåííîå âîçäåéñòâèå, â îñíîâíîì, ïðîèçâîäèìûõ ÷åëîâåêîì õëîðôòîðóãëåðîäíûõ ñîåäèíåíèé (ÕÔÓ), êîòîðûå ïîïàäàþò â àòìîñôåðó è, èìåÿ áîëüøîé ïåðèîä ïîëóðàñïàäà, âñòó-ïàþò â õèìè÷åñêèå ðåàêöèè ñ îçîíîì, ðàñùåïëÿÿ åãî íà êèñëîðîä è îêñèäû. Äðóãîé ïðè÷èíîé íàçûâàþò åñòåñòâåííûå ôàêòîðû – ïåðåíîñ îçîíà âîçäóøíûìè ìàññàìè.

 íà÷àëå âåñíû â ñòðàòîñôåðå ïðåîáëàäàåò ïåðåíîñ âîçäóøíûõ ìàññ ñ çàïàäà íà âîñòîê – öèðêóìïîëÿðíûé âèõðü. À â ñåðåäèíå âåñíû òàêæå óâåëè÷èâàåòñÿ ñêîðîñòü ïåðåíîñà âîçäóøíûõ ìàññ âäîëü ìåðèäèàí, îò ýêâàòîðà ê Ñåâåðíîìó ïîëþñó. Êðîìå ñåçîííîé èçìåí÷èâîñòè öèðêóëÿ-öèè èçâåñòíû òàêæå äåñÿòèëåòíèå, êâàçèäâóõëåòíèå ïåðèîäû.

Äëÿ çàùèòû îçîíîâîãî ñëîÿ îò âîçäåéñòâèÿ æèçíåäåÿòåëüíîñòè ÷åëîâåêà, íà îñíîâàíèè àíòðî-ïîãåííîé ãèïîòåçû áûë ïîäïèñàí äîãîâîð, êîòîðûé ïðåäïèñûâàåò óìåíüøèòü ïðîèçâîäñòâî è èñ-ïîëüçîâàíèå ÕÔÓ, âëèÿþùèõ íà ÎÑÎ, â òîì ÷èñëå è ôðåîíà. Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèé îáùåãî ñîäåðæàíèÿ îçîíà â ñòðàòîñôåðå ïîêàçûâàþò, ÷òî ñ íà÷àëà äåéñòâèÿ Ìîíðåàëüñêîãî ïðîòîêîëà îçîíîâûé ñëîé ïðîäîëæàåò èñòîùàòüñÿ. Àíòàðêòè÷åñêàÿ îçîíîâàÿ äûðà è ëîêàëüíûå îçîíîâûå äûðû â Ñåâåðíîì ïîëóøàðèè åæåãîäíî ôèêñèðóþòñÿ íàçåìíûìè è ñïóòíèêîâûìè èçìåðèòåëüíû-ìè ïðèáîðàìè. Òàêèå äàííûå óêàçûâàþò íà äàëüíåéøóþ íåîáõîäèìîñòü èññëåäîâàíèÿ âëèÿíèÿ íà ÎÑÎ åñòåñòâåííûõ ôàêòîðîâ.

1. Ìåòîäû è ðåçóëüòàòû

Íàáëþäåíèå çà èçìåíåíèåì ÎÑÎ â ñòðàòîñôåðå âåäåòñÿ ñ íàçåìíûõ ñòàíöèé, êîòîðûå ðàñïî-ëîæåíû â îñíîâíîì â Ñåâåðíîì ïîëóøàðèè, è ñî ñïóòíèêîâ, îáîðóäîâàííûõ ñïåêòðîìåòðîì ñ ðà-áî÷èì äèàïàçîíîì ÷àñòîò 250–330 íì. Ñïóòíèêîâûå äàííûå èìåþò ïîãðåøíîñòü îïðåäåëåíèÿ îá-ùåãî ñîäåðæàíèÿ îçîíà â ïðåäåëàõ 2−5%, áîëüøóþ, ÷åì äàííûå ñ íàçåìíûõ ñòàíöèé. Îäíàêî ñïóòíèêîâûå äàííûå íàèáîëåå ïîëíî îòðàæàþò âàðèàöèè ÎÑÎ. Çà ñóòêè ñïóòíèêîì ïîêðûâàåòñÿ âñÿ ïîâåðõíîñòü Çåìëè ñ ïðîñòðàíñòâåííûì ðàçðåøåíèåì 110–140 êì. Ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé ïóáëèêóþòñÿ â ñåòè Internet â âèäå ãðèä-ôàéëîâ (GRID-files).

 ðàáîòå ìû èñïîëüçîâàëè ñïóòíèêîâûå äàííûå ñî ñïåêòðîìåòðà TOMS, â ïåðèîä ñ 1998 ïî 2004 ã. â ñåçîí âåñåííåé àêòèâíîñòè Ñîëíöà. Ýòîò ïåðèîä âûáðàí êàê íàèáîëåå ïîêàçàòåëüíûé â èçìåí÷èâîñòè ÎÑÎ â Ñåâåðíîì ïîëóøàðèè.

Íà ðèñ. 1 ïðèâåäåíû âðåìåííûå ãðàôèêè óñðåäíåííîãî çíà÷åíèÿ ÎÑÎ ïî Ñåâåðíîìó ïîëó-øàðèþ çà ñóòêè, â ïåðèîä ñ ôåâðàëÿ ïî àïðåëü. Èç ãðàôèêà âèäíî, ÷òî â 1998 ã. óñðåäíåííîå çíà÷åíèå ÎÑÎ áûëî ìàêñèìàëüíûì çà èññëåäîâàííûé ïåðèîä, à ìèíèìàëüíûì – êîëè÷åñòâî îçî-íà â 2004 ã. Òàêèì îáðàçîì, îòìå÷àåòñÿ åæåãîäíîå óìåíüøåíèå îçîíîâîãî ñëîÿ ñ 1998 ïî 2004 ã. Îäíàêî åñëè â íà÷àëå âåñíû ïðîöåíò ïîòåðè ÎÑÎ ñ 1998 ïî 2004 ã. ðàâåí 6,08, òî ïðîöåíò ïîòå-ðè â ïåðèîä ñ àïðåëÿ 1998 ïî àïðåëü 2004 ã. ñîñòàâëÿåò 3,98, òàê êàê ãîä îò ãîäà â âåñåííèé ïå-ðèîä óâåëè÷èâàåòñÿ ïðîöåíò ïðèðîñòà ÎÑÎ. Íàèáîëåå àêòèâíîå óâåëè÷åíèå ÎÑÎ â Ñåâåðíîì ïî-ëóøàðèè ïðîèñõîäèò â ïåðèîä ñ ôåâðàëÿ ïî ñåðåäèíó ìàðòà, óñðåäíåííîå çíà÷åíèå ÎÑÎ óâåëè-÷èâàåòñÿ íà 15–20 åä. Äîáñîíà. Ñ ñåðåäèíû ìàðòà ïî êîíåö àïðåëÿ ÎÑÎ òàêæå óâåëè÷èâàåòñÿ,

Page 46: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

46

ïðèìåðíî íà 5 åä. Äîáñîíà.  êîíöå ìàðòà – íà÷àëå àïðåëÿ ðàç â 2 ãîäà íàáëþäàåòñÿ âðåìåííîå ðåçêîå óìåíüøåíèå ÎÑÎ íà 6 åä. Äîáñîíà, â äðóãîé ïåðèîä ñóòî÷íûå âàðèàöèè ÎÑÎ íå ïðåâû-øàþò 3 åä. Äîáñîíà. Âîçìîæíî, ýòî ñâÿçàíî íå òîëüêî ñ óâåëè÷åíèåì ñêîðîñòè âðàùåíèÿ öèðêóì-ïîëÿðíîãî âèõðÿ, íî è ñ òåì, ÷òî ñâåòîâîé äåíü ñòàíîâèòñÿ äëèííåå íî÷è.

300

310

320

330

340

01.02 08.02 15.02 22.02 29.02 07.03 14.03 21.03 28.03 04.04 11.04 18.04 25.04

Äàòà (ää. ìì)

ÎÑ

Î, åä. Ä

îáñîíà

2004 ã. 1998 ã. 2000 ã. 2001 ã. 2002 ã. 2003 ã. 1999 ã.

Ðèñ. 1. Âðåìåííûå âàðèàöèè óñðåäíåííîãî çíà÷åíèÿ ÎÑÎ â ïåðèîä ôåâðàëü–àïðåëü

Ìèíèìàëüíîå è ìàêñèìàëüíîå óñðåäíåííûå çíà÷åíèÿ ÎÑÎ çà êàæäûé ãîä è ïðîöåíò ïðèðîñ-òà îçîíà â ïåðèîä âåñåííåé àêòèâíîñòè ïðåäñòàâëåíû â òàáë. 1.

Ò à á ë è ö à 1

Ýêñòðåìàëüíûå çíà÷åíèÿ óñðåäíåííîãî ÎÑÎ ïî Ñåâåðíîìó ïîëóøàðèþ â ïåðèîä ñ ôåâðàëÿ ïî àïðåëü çà 7 ëåò

Ãîä Ìèíèìóì Ìàêñèìóì % ïðèðîñòà Ãîä Ìèíèìóì Ìàêñèìóì % ïðèðîñòà 1998 319,04 337,44 5,77 2002 304,62 328,05 7,69 1999 307,43 330,63 7,55 2003 310,59 333,31 7,32 2000 314,46 331,84 5,53 2004 299,60 324,09 8,17 2001 308,78 332,98 7,83

 íà÷àëå âåñíû ñêîðîñòü ïåðåìåùåíèÿ âîçäóøíûõ ìàññ âäîëü ìåðèäèàí íàìíîãî ìåíüøå, ÷åì

ñêîðîñòü öèðêóìïîëÿðíîãî âèõðÿ.  õîäå ðàáîòû òàêæå áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî ñêîðîñòü ïåðåìå-ùåíèÿ îçîíà ê Ñåâåðíîìó ïîëþñó ìàëà. Äëÿ îïðåäåëåíèÿ êîëè÷åñòâåííûõ õàðàêòåðèñòèê èçìåíå-íèÿ ÎÑÎ è ñêîðîñòè öèðêóìïîëÿðíîãî âèõðÿ â ñòðàòîñôåðå áûëî ðàçðàáîòàíî ïðîãðàììíîå îáåñ-ïå÷åíèå. Èñõîäíûìè äàííûìè ÿâëÿþòñÿ äàííûå îá ÎÑÎ â ñòðàòîñôåðå, îçîí èñïîëüçóåòñÿ êàê èíäèêàòîð ïåðåìåùåíèé âîçäóøíûõ ìàññ.  ÏÎ ðåàëèçîâàíî êîíâåðòèðîâàíèå ãðèä-ôàéëîâ, äëÿ âîñïîëíåíèÿ íåèçâåñòíûõ òî÷åê ïðèìåíÿåòñÿ àâòîðåãðåññèîíûé àëãîðèòì. Îñíîâíîé ìîäóëü âû-÷èñëÿåò ñêîðîñòü è íàïðàâëåíèå ïåðåìåùåíèÿ ìàññ îçîíà. Äëÿ ýòîãî èñïîëüçóåòñÿ êîððåëÿöèîííî-ýêñòðåìàëüíûé àëãîðèòì: ïðîèçâîäèòñÿ âû÷èñëåíèå êîýôôèöèåíòà êîððåëÿöèè ìåæäó ïîëåì ÎÑÎ çà êàêîé-òî äåíü è ñìåùåííûì è ïîâåðíóòûì íà íåêîòîðûé óãîë ïîëåì çà ïðåäûäóùèé äåíü. Íàèáîëüøåå çíà÷åíèå âûáîðî÷íîãî êîýôôèöèåíòà êîððåëÿöèè, äîñòèãàþùåå èíîãäà 0,95–0,98, ñîîòâåòñòâóåò ñðåäíåìó çà ñóòêè ñìåùåíèþ è ïîâîðîòó ïîëÿ.

Page 47: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

47

3

5

7

9

11

13

15

17

Ñêîðîñò

ü, ã

ðàä

/ñó

ò

1998 ã.

2000 ã.

2002 ã.

3

5

7

9

11

13

01.02 08.02 15.02 22.02 29.02 07.03 14.03 21.03 28.03 04.04 11.04 18.04 25.04Äàòà (ää. ìì)

Ñêîðîñò

ü, ã

ðàä

/ñó

ò 2001 ã. 2003 ã.

1999 ã. 2004 ã.

Ðèñ. 2. Ñêîðîñòü âðàùåíèÿ öèðêóìïîëÿðíîãî âèõðÿ â Ñåâåðíîì ïîëóøàðèè â ôåâðàëå–àïðåëå

Ñêîðîñòü ïåðåíîñà îçîíà ñ çàïàäà íà âîñòîê ñ÷èòàëàñü óñðåäíåííî ïî âñåìó Ñåâåðíîìó ïîëó-øàðèþ, îòäåëüíî â íèçêèõ øèðîòàõ è óìåðåííûõ â êîëüöå 30–50° ñ.ø. Ïîëó÷åííûå âðåìåííûå ãðàôèêè èçìåíåíèÿ ñêîðîñòè âðàùåíèÿ ïî âñåìó Ñåâåðíîìó ïîëóøàðèþ â ïåðèîä ñ ôåâðàëÿ ïî àïðåëü çà 1998–2004 ãã. ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 2. Èç ãðàôèêîâ âèäíî, ÷òî â íà÷àëå âåñíû ñêîðîñòü ïåðåíîñà íàìíîãî âûøå, ÷åì â êîíöå àïðåëÿ. Âàðèàöèÿ ñêîðîñòè â âåñåííèé ïåðèîä â ñðåäíåì íå ïðåâûøàåò 8° â ñóòêè. Íà ðèñ. 2, à ïðåäñòàâëåíû ãðàôèêè çà 3 ãîäà, â êîòîðûõ áûëè îòìå÷åíû íàèáîëüøèå ñêîðîñòè â ïåðèîä ñ ôåâðàëÿ ïî ñåðåäèíó ìàðòà, ÷òî îáóñëîâëåíî êâàçèäâóõëåòíèì ïåðèîäîì â öèðêóìïîëÿðíîì âèõðå. Íà ãðàôèêàõ çà 1999, 2001, 2003 è 2004 ãã. (ðèñ. 2, á) ìàê-ñèìóìû ñêîðîñòè îòìå÷àþòñÿ êàê â íà÷àëå âåñåííåé àêòèâíîñòè, òàê è â àïðåëå, îäíàêî èçìåí÷è-âîñòü ñêîðîñòè íå áîëåå 3 ãðàä/ñóò. Ìàêñèìàëüíàÿ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ â 2004 ã. íå ïðåâûøàëà 11,25 ãðàä/ñóò, à ìèíèìàëüíàÿ 6,25 ãðàä/ñóò, â íà÷àëå ïåðèîäà òàêàÿ ñêîðîñòü â ñðàâíåíèè ñî ñêîðîñòüþ â äðóãèå ãîäû ÿâëÿåòñÿ ñðåäíåé, íî ñ ñåðåäèíû ìàðòà ñêîðîñòü âðàùåíèÿ íå óìåíüøè-ëàñü, êàê â ïðåäûäóùèå ãîäû.

 òàáë. 2 ïðèâåäåíû ìàêñèìàëüíûå, ìèíèìàëüíûå è ñðåäíèå çíà÷åíèÿ ñêîðîñòè âðàùåíèÿ çà êàæäûé ãîä, ïðåäñòàâëåííûé íà ðèñ. 2.

Ò à á ë è ö à 2

Ñêîðîñòè âðàùåíèÿ â Ñåâåðíîì ïîëóøàðèè â ïåðèîä ôåâðàëü–àïðåëü çà 7 ëåò

Ãîä Ìàêñèìóì Ìèíèìóì Ñðåäíåå Ãîä Ìàêñèìóì Ìèíèìóì Ñðåäíåå

1998 16,25 5 9 2002 13,75 3,75 8,86

1999 11,25 3,75 7,44 2003 13,75 3,75 8,4

2000 13,75 3,75 8,53 2004 11,25 6,25 7,69

2001 12,5 3,75 9,1

Íà ðèñ. 3 ïðåäñòàâëåíû âðåìåííûå ãðàôèêè èçìåíåíèÿ óñðåäíåííîãî ÎÑÎ, ñêîðîñòè âðàùå-íèÿ â Ñåâåðíîì ïîëóøàðèè è ñêîðîñòè âðàùåíèÿ öèðêóìïîëÿðíîãî âèõðÿ â êîëüöå 30–50î ñ.ø. çà êàæäûé ãîä, ñ 1998 ïî 2000, 2002 è 2004. Ãðàôèêè çà 2001 è 2003 ãã. íå ïðåäñòàâëåíû â ýòîé

à

á

Page 48: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

48

ðàáîòå, òàê êàê âðåìåííûå èçìåíåíèÿ ÎÑÎ è ñêîðîñòè öèðêóìïîëÿðíîãî âèõðÿ ñõîæè ñ ãðàôè-êîì 1999 ã. Èç ãðàôèêîâ âèäíî, ÷òî ñêîðîñòü âðàùåíèÿ â óìåðåííûõ øèðîòàõ âûøå ñêîðîñòè, óñ-ðåäíåííîé ïî âñåìó Ñåâåðíîìó ïîëóøàðèþ. Ýòî ñâÿçàíî ñ òåì, ÷òî ñêîðîñòü â íèçêèõ øèðîòàõ ìàëà.

315

320

325

330

335

340

01.02 08.02 15.02 22.02 01.03 08.03 15.03 22.03 29.03 05.04 12.04 19.04

ОС

О (

ед

.До

бсо

на)

4

6

8

10

12

14

16

18

Ск

ор

ост

ь в

ращ

ен

ия

(гр

ад/с

ут)

305

310

315

320

325

330

335

01.02 08.02 15.02 22.02 01.03 08.03 15.03 22.03 29.03 05.04 12.04 19.04 26.04

ОС

О (

ед

. Д

обсо

на)

2

4

6

8

10

12

14

Ск

ор

ост

ь в

ращ

ени

я

(град

/су

т)

310

315

320

325

330

335

01.02 08.02 15.02 22.02 29.02 07.03 14.03 21.03 28.03 04.04 11.04 18.04 25.04

ОС

О (

ед

. Д

обсо

на)

2

4

6

8

10

12

14

16

Ск

оро

сть

вращ

ен

ия

(гр

ад/с

ут)

300

305

310

315

320

325

330

01.02 08.02 15.02 22.02 01.03 08.03 15.03 22.03 29.03 05.04 12.04 19.04 26.04

ОС

О (

ед.Д

обсо

на)

2

4

6

8

10

12

14

16С

корост

ь вр

ащ

ения

(град

/сут)

295

300

305

310

315

320

325

01.02 08.02 15.02 22.02 01.03 08.03 15.03 22.03 29.03 05.04 12.04 19.04 26.04

ОС

О (

ед.Д

обсо

на)

2

4

6

8

10

12

14

16

Ск

орост

ь вращ

ения

(град

/сут)

усредненное ОСО в Северном полушари

скорость вращения вихря на умеренных широтах

скорость вращения усредненная по Северному полушарию

Ðèñ. 3. Âðåìåííûå ãðàôèêè èçìåíåíèÿ ÎÑÎ è ñêîðîñòè âðàùåíèÿ âèõðÿ, óñðåäíåííîãî â Ñåâåðíîì ïîëóøàðèè è â óìåðåííûõ øèðîòàõ

à

á

â

ã

ä

ÎÑ

Î, åä

. Ä

îáñî

íà

ÎÑ

Î, åä

. Ä

îáñî

íà

ÎÑ

Î, åä

. Ä

îáñî

íà

ÎÑ

Î, åä

. Ä

îáñî

íà

ÎÑ

Î, åä

. Ä

îáñî

íà

Ñêîðîñò

ü âðàù

åíèÿ,

ãðàä

/ñó

ò Ñ

êîðîñò

ü âðàù

åíèÿ,

ãðàä

/ñó

ò Ñ

êîðîñò

ü âðàù

åíèÿ,

ãðàä

/ñó

ò Ñ

êîðîñò

ü âðàù

åíèÿ,

ãðàä

/ñó

ò

óñðåäíåííîå ÎÑÎ â Ñåâåðíîì ïîëóøàðèè

ñêîðîñòü âðàùåíèÿ âèõðÿ íà óìåðåííûõ øèðîòàõ

ñêîðîñòü âðàùåíèÿ, óñðåäíåííàÿ ïî Ñåâåðíîìó ïîëóøàðèþ

Page 49: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

49

Íà ðèñ. 3, à (âðåìåííûå ãðàôèêè 1998 ã.) èíòåíñèâíûé ðîñò ÎÑÎ ïðîèñõîäèò ñ ñåðåäèíû ôåâðàëÿ ïî íà÷àëî ìàðòà. Ñêîðîñòü âèõðÿ â ýòîò ïåðèîä òàêæå óâåëè÷èâàåòñÿ è äîñòèãàåò ñâîåãî ìàêñèìóìà, ñ ìàðòà ñêîðîñòü âðàùåíèÿ óæå íå ïðåâûøàåò 11,25 ãðàä/ñóò è â ñðåäíåì ðàâíà 7,5 ãðàä/ñóò. ÎÑÎ â ìàðòå ïðîäîëæàåò óâåëè÷èâàòüñÿ, íî ñ 19 ïî 25 ìàðòà óìåíüøàåòñÿ âðåìåííî íà 4 åä. Äîáñîíà.  àïðåëå ðîñò ÎÑÎ ïðàêòè÷åñêè ïðåêðàùàåòñÿ è ê êîíöó ïåðèîäà äàæå íåçíà-÷èòåëüíî óìåíüøàåòñÿ, ïðè ýòîì ñêîðîñòü âðàùåíèÿ öèðêóìïîëÿðíîãî âèõðÿ òàêæå óìåíüøàåòñÿ. Íà ðèñ. 3, á ïðåäñòàâëåíû ãðàôèêè èçìåíåíèé â íà÷àëå âåñíû 1999 ã. Èç ðèñóíêà âèäíî, ÷òî äî ñåðåäèíû ôåâðàëÿ óñðåäíåííàÿ ñêîðîñòü â Ñåâåðíîì ïîëóøàðèè ïðåâûøàåò ñêîðîñòü â êîëüöå øèðîò 30–50°, ÎÑÎ ïîñòåïåííî óâåëè÷èâàåòñÿ çà 15 äíåé íà 5 åä. Ä. Êîãäà ñêîðîñòü âðàùåíèÿ â óìåðåííûõ øèðîòàõ ïðåâûøàåò óñðåäíåííóþ ñêîðîñòü íà 3 ãðàä/ñóò, íàáëþäàåòñÿ ðåçêîå óâåëè-÷åíèå ÎÑÎ íà 9 åä. Ä. çà 2 äíÿ.  ìàðòå è àïðåëå íå íàáëþäàåòñÿ áîëüøîé ðàçíîñòè ìåæäó ñêî-ðîñòüþ âðàùåíèÿ â óìåðåííûõ øèðîòàõ è ñêîðîñòüþ âðàùåíèÿ íà âñåì Ñåâåðíîì ïîëóøàðèè, â ñðåäíåì çà âåñü ïåðèîä ñêîðîñòü ðàâíà 7,44 ãðàä/ñóò. Ãðàôèê èçìåíåíèÿ ÎÑÎ ïîâòîðÿåò ãðà-ôèê çà 1998 ã., òàêæå â êîíöå ìàðòà íàáëþäàåòñÿ óìåíüøåíèå, à çàòåì âîññòàíîâëåíèå ÎÑÎ, íî èçìåíåíèÿ ñîñòàâëÿþò íå áîëåå 2 åä. Ä.

Âðåìåííûå ãðàôèêè çà 2000 ã. èçîáðàæåíû íà ðèñ. 3, â.  ôåâðàëå, êàê âèäíî èç ãðàôèêîâ, ñêîðîñòü âðàùåíèÿ íà óìåðåííûõ øèðîòàõ èìåëà áîëüøóþ ñóòî÷íóþ âàðèàöèþ, ïðè ýòîì óñðåä-íåííàÿ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ ïî Ñåâåðíîìó ïîëóøàðèþ áûëà âûñîêàÿ è ïîñòîÿííàÿ. Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ñêîðîñòü íèæíèõ øèðîò áûëà òàêæå âûñîêà è àêòèâíîãî ðîñòà ÎÑÎ â ôåâðàëå íå íàáëþäà-ëîñü.  ìàðòå, ñ óìåíüøåíèåì óñðåäíåííîé ñêîðîñòè âðàùåíèÿ ïî Ñåâåðíîìó ïîëóøàðèþ, íî ïðè âûñîêîé ñêîðîñòè âðàùåíèÿ â óìåðåííûõ øèðîòàõ, ïðîèçîøåë ñêà÷îê ÎÑÎ íà 12 åä. Äîáñîíà. Òàêîå ðåçêîå óâåëè÷åíèå ÎÑÎ ïðîèñõîäèò ðàç â äâà ãîäà, âîçìîæíî, ýòî ñâÿçàíî ñ êâàçèäâóõëåò-íèì öèêëîì â öèðêóìïîëÿðíîì âèõðå.

Ñ êîíöà ìàðòà ñêîðîñòè âðàùåíèÿ íå ïðåâûøàëè 10 ãðàä/ñóò, è â àïðåëå ÎÑÎ óìåíüøèëîñü íà 6 åä. Äîáñîíà. Ñ ôåâðàëÿ ïî êîíåö àïðåëÿ ÎÑÎ â Ñåâåðíîì ïîëóøàðèè âûðîñëî íà 10 åä. è ñîñòàâèëî 324 åä. Ä.

Íà ðèñ. 3, ã äëÿ 2002 ã. êàðòèíà ïîâòîðÿåò ãðàôèêè 2000 ã.  ôåâðàëå ÎÑÎ ïðàêòè÷åñêè íå âûðîñëî, íî êîãäà óñðåäíåííàÿ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ â Ñåâåðíîì ïîëóøàðèè ñòàëà ìåíüøå ñêîðîñòè âðàùåíèÿ â óìåðåííûõ øèðîòàõ, ïðîèçîøåë ðåçêèé ðîñò ÎÑÎ.  àïðåëå óñðåäíåííàÿ ñêîðîñòü ïî Ñåâåðíîìó ïîëóøàðèþ ïðåâûøàëà ñêîðîñòü âðàùåíèÿ â óìåðåííûõ øèðîòàõ, íî ðîñò ÎÑÎ íà-áëþäàëñÿ. Ðîñò ÎÑÎ â àïðåëå ìîæåò áûòü îáóñëîâëåí óâåëè÷èâàþùåéñÿ â ýòîò ïåðèîä ðàäèàëü-íîé ñêîðîñòüþ îò ýêâàòîðà ê Ñåâåðíîìó ïîëþñó.

 ôåâðàëå 2004 ã., â îòëè÷èå îò 2000 è 2002 ãã., âêëàä ñêîðîñòè âðàùåíèÿ â óìåðåííûõ øè-ðîòàõ â óñðåäíåííîå çíà÷åíèå ñêîðîñòè âðàùåíèÿ ïî Ñåâåðíîìó ïîëóøàðèþ áûë ñèëüíåå âûðà-æåí, ïîýòîìó óâåëè÷åíèå ÎÑÎ íå áûëî ñêà÷êîîáðàçíûì (ðèñ. 3, ä). Òàêæå 2004 ã. îòëè÷àåòñÿ îò ïðåäûäóùèõ ãîäîâ òåì, ÷òî â êîíöå ìàðòà ñêîðîñòü âðàùåíèÿ óìåíüøàëàñü ïîñòåïåííî, ïîýòîìó óìåíüøåíèÿ ÎÑÎ íå íàáëþäàëîñü.  àïðåëå ìèíèìàëüíàÿ ñêîðîñòü âðàùåíèÿ ñîñòàâèëà 6,25 ãðàä/ñóò, ÷òî ÿâëÿåòñÿ âûñîêîé äëÿ ýòîãî ïåðèîäà. Òàêèì îáðàçîì, ÎÑÎ ïëàâíî âûðîñëî íà 8,17%, ÷òî ñîñòàâëÿåò 22 åä. Äîáñîíà.

Çàêëþ÷åíèå

Íà îñíîâàíèè âûøåïðèâåäåííîãî ìîæíî ïðåäëîæèòü ìåõàíèçì èçìåíåíèÿ ÎÑÎ â Ñåâåðíîì ïîëóøàðèè.  íà÷àëå âåñíû âûñîêà ñêîðîñòü âðàùåíèÿ â íèçêèõ øèðîòàõ, ÷òî ìåøàåò ïîïàäàíèþ îçîíà â Ñåâåðíîå ïîëóøàðèå. Ñ ñåðåäèíû ôåâðàëÿ, ñ óâåëè÷åíèåì ñêîðîñòè âðàùåíèÿ öèðêóìïî-ëÿðíîãî âèõðÿ â óìåðåííûõ øèðîòàõ, îçîí êàê áû «íàìàòûâàåòñÿ» íà âèõðü è ïðîèñõîäèò óâåëè-÷åíèå ÎÑÎ â Ñåâåðíîì ïîëóøàðèè. Óâåëè÷åíèå ñêîðîñòè âðàùåíèÿ öèðêóìïîëÿðíîãî âèõðÿ äî 13–16 ãðàä/ñóò ïðîèñõîäèò ðàç â 2 ãîäà.  êîíöå ìàðòà, â ïåðèîä âåñåííåãî ðàâíîäåíñòâèÿ, ñêîðîñòü âðàùåíèÿ öèðêóìïîëÿðíîãî âèõðÿ óìåíüøàåòñÿ è ïðîèñõîäèò îòòîê ÎÑÎ èç Ñåâåðíîãî ïîëóøàðèÿ.  íà÷àëå àïðåëÿ ìîæåò âîçðàñòàòü ðàäèàëüíàÿ ñêîðîñòü, êîòîðàÿ ïåðåíîñèò îçîí ê Ñåâåðíîìó ïîëþñó. Åñëè ýòîãî íå ïðîèñõîäèò, òî ñ óìåíüøåíèåì ñêîðîñòè âðàùåíèÿ â óìåðåí-íûõ øèðîòàõ â àïðåëå óìåíüøàåòñÿ îçîíîâûé ñëîé íà 3–5 åä. Äîáñîíà. Ýòè ïðîöåññû ÿâëÿþòñÿ åñòåñòâåííûìè è íå ñâÿçàíû ñ âëèÿíèåì îçîíîðàçðóøàþùèõ âåùåñòâ àíòðîïîãåííîãî ïðîèñõîæ-äåíèÿ.

Page 50: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

50

Ëèòåðàòóðà

1. http://toms.gsfc.nasa.gov 2. Agarov I.A., Kashkin V.B., Khlebopros R.G. Identification of random fields of points. Signal Proces-

sing: Image Communication. 1998. V. 13. Ñ. 21–43. 3. Ãàëèí Â.ß., Âîëîäèí Å.Ì., Ñìûøëÿåâ Ñ.Ï. Ìîäåëü îáùåé öèðêóëÿöèè àòìîñôåðû ÈÂÌ ÐÀÍ ñ äè-

íàìèêîé îçîíà // Ìåòåîðîëîãèÿ è ãèäðîëîãèÿ. 2003. ¹ 5. Ñ. 13–23.

ÈÑÏÎËÜÇÎÂÀÍÈÅ ÌÅÒÎÄÀ ÐÅÍÒÃÅÍÎÑÏÅÊÒÐÀËÜÍÎÃÎ ÝËÅÊÒÐÎÍÍÎ-ÇÎÍÄÎÂÎÃÎ ÌÈÊÐÎÀÍÀËÈÇÀ Ñ ÓËÜÒÐÀÒÎÍÊÈÌ

ÎÊÍÎÌ ÄËß ÊÎÌÏËÅÊÑÍÎÃÎ ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß ÀÝÐÎÇÎËß

Ì.Þ. Ñåìåíîâ1, Ç. Ñïîëíèê2, Ð. Âàí-Ãðèêåí2, Ò.Â.Õîäæåð1

1Ëèìíîëîãè÷åñêèé èíñòèòóò ÑÎ ÐÀÍ, ã. Èðêóòñê, Ðîññèÿ 2Öåíòð ìèêðîàíàëèçà õèìè÷åñêîãî ôàêóëüòåòà Óíèâåðñèòåòà ã. Àíòâåðïåí, Áåëüãèÿ

Àýðîçîëè ÿâëÿþòñÿ öåííûì îáúåêòîì äëÿ èññëåäîâàíèÿ ïðîöåññîâ, ïðîèñõîäÿùèõ êàê â àòìî-ñôåðå, òàê è íà ïîäñòèëàþùåé ïîâåðõíîñòè. Äàííûå î õèìè÷åñêîì, ìèíåðàëîãè÷åñêîì è äð. ñîñòàâàõ àýðîçîëåé Áàéêàëüñêîãî ðåãèîíà âåñüìà ðåäêè è ïîëó÷åíû â îñíîâíîì ïðè ïîìîùè òðà-äèöèîííûõ ìåòîäîâ. Ìàëûå ìàññû (ìèêðîãðàììû) ïðîá àýðîçîëåé, ñîáèðàåìûå íà ôèëüòðû, òðå-áóþò èñêëþ÷èòåëüíî ÷óâñòâèòåëüíûõ ìåòîäîâ èññëåäîâàíèÿ. Èñïîëüçîâàíèå ìåòîäà óëüòðàòîíêî-îêîííîãî ÐÑÌÀ ñ ïîñëåäóþùèì êëàñòåðíûì àíàëèçîì ðåçóëüòàòîâ èçìåðåíèé ïîçâîëÿåò âûäå-ëèòü îòäåëüíûå ãðóïïû ÷àñòèö âçâåñè, õàðàêòåðèçóþùèåñÿ îïðåäåëåííûì õèìè÷åñêèì ñîñòàâîì, áåç âñÿêîé äîïîëíèòåëüíîé ïðîáîïîäãîòîâêè. Êîëè÷åñòâåííîå îïðåäåëåíèå ëåãêèõ ýëåìåíòîâ, òà-êèõ êàê Ñ è Î, äàåò óíèêàëüíóþ âîçìîæíîñòü ðàçëè÷àòü îðãàíè÷åñêóþ è íåîðãàíè÷åñêóþ ôàçû è îöåíèâàòü âêëàä ðàçëè÷íûõ ãðóïï ÷àñòèö â âàëîâîé õèìè÷åñêèé ñîñòàâ àýðîçîëÿ. Îñíîâíîé çàäà-÷åé äàííîãî èññëåäîâàíèÿ áûëà àäàïòàöèÿ ðåçóëüòàòîâ, ïîëó÷àåìûõ ìåòîäîì ðåíòãåíîñïåêòðàëü-íîãî ýëåêòðîííî-çîíäîâîãî ìèêðîàíàëèçà (ÐÑÌÀ) ñ óëüðàòîíêèì îêíîì, äëÿ êîìïëåêñíîé õàðàê-òåðèñòèêè àýðîçîëÿ.

Îáðàçöû àýðîçîëÿ îòáèðàëèñü íàä îçåðîì Áàéêàë íà âàòìàíîâñêèå ôèëüòðû ñ ðàçìåðîì ïîð 0,45 ìì. Äëÿ àíàëèçà ìåòîäîì ÐÔÀ îáðàçöû àýðîçîëÿ äîïîëíèòåëüíîé ïðîáîïîäãîòîâêå íå ïîä-âåðãàëèñü. Äëÿ àíàëèçà îáðàçöîâ ìåòîäîì ÐÑÌÀ èñïîëüçîâàëàñü ñïåöèàëüíàÿ ïðîöåäóðà ïðîáî-ïîäãîòîâêè: êóñî÷êè ôèëüòðîâ ïîìåùàëèñü â ñòàêàí÷èêè ñ äèñòèëëèðîâàííîé âîäîé è ïîäâåðãà-ëèñü óëüòðàçâóêîâîé îáðàáîòêå â òå÷åíèå 2 ìèí. Çàòåì âåùåñòâî, âçâåøåííîå â àëèêâîòå îáúåìîì 50 ìêë, ïîìåùàëîñü íà ñåðåáðÿíóþ ôîëüãó è âûñóøèâàëîñü ïîä èíôðàêðàñíîé ëàìïîé. Âûñó-øåííûå îáðàçöû àíàëèçèðîâàëèñü íà ìèêðîàíàëèçàòîðå JEOL 733, îáîðóäîâàííîì Si(Li) äåòåê-òîðîì Oxford ñ óëüòðàòîíêèì îêíîì. Òàê êàê ðàçìåðû àáñîëþòíîãî áîëüøèíñòâà ÷àñòèö áûëè â ïðåäåëàõ îò 1 äî 2 ìêì, èçìåðåíèÿ ïðîèçâîäèëèñü âðó÷íóþ ïðè íàïðÿæåíèè 10 êý è ñèëå òîêà 1 íÀ. Äëÿ òîãî ÷òîáû èçáåæàòü ïîâðåæäåíèÿ ÷àñòèö, ñîäåðæàùèõ îðãàíè÷åñêîå âåùåñòâî, â òå÷å-íèå âñåãî ïåðèîäà èçìåðåíèé ïðåäìåòíûé ñòîëèê îõëàæäàëñÿ æèäêèì àçîòîì [1]. Ïîëó÷åííûå õàðàêòåðèñòè÷åñêèå ñïåêòðû îáðàáàòûâàëèñü íåëèíåéíûì ìåòîäîì íàèìåíüøèõ êâàäðàòîâ ïðè ïîìîùè ïðîãðàììû AXIL [2]. Ýëåìåíòíûé ñîñòàâ ÷àñòèö ðàññ÷èòûâàëñÿ ïîëóêîëè÷åñòâåííî ñïî-ñîáîì èòåðàöèîííîé àïïðîêñèìàöèè, îñíîâàííîì íà ìåòîäå Ìîíòå-Êàðëî [3]. Äàëåå ïðè ïîìîùè èåðàðõè÷åñêîãî êëàñòåðíîãî àíàëèçà äëÿ êàæäîãî îáðàçöà áûëè âûäåëåíû ãðóïïû ÷àñòèö, ñõîä-íûõ ïî õèìè÷åñêîìó ñîñòàâó è âñòðå÷àåìîñòè â îáðàçöå [4].

Íåçàâèñèìî îò õèìè÷åñêîãî ñîñòàâà, âñå èññëåäîâàííûå ÷àñòèöû ìîæíî ðàçäåëèòü íà òðè îñ-íîâíûõ òèïà: ìèíåðàëüíûå, îðãàíè÷åñêèå è ñìåøàííûå (îðãàíîìèíåðàëüíûå). ×òîáû îöåíèòü íà-äåæíîñòü ïîëó÷àåìûõ äëÿ îòäåëüíûõ ÷àñòèö äàííûõ ñ òî÷êè çðåíèÿ èõ ñîïîñòàâèìîñòè ñ äàííû-ìè âàëîâîãî àíàëèçà âñåãî îáðàçöà, íàìè áûëà ðàçðàáîòàíà ñïåöèàëüíàÿ ïðîöåäóðà ïîäãîòîâêè äàííûõ àíàëèçà ÐÑÌÀ. Äëÿ òîãî ÷òîáû îöåíèòü âàëîâîé ñîñòàâ îáðàçöà íà îñíîâå äàííûõ ÐÑÌÀ, áûëî ñäåëàíî ïðåäïîëîæåíèå î òîì, ÷òî ðàçëè÷íûå òèïû ÷àñòèö èìåþò ðàçëè÷íûå âåëè-÷èíû ïëîòíîñòè. Îñíîâûâàÿñü íà îáùèõ ïðåäñòàâëåíèÿõ îá îñíîâíûõ èñòî÷íèêàõ âåùåñòâà è ìå-õàíèçìàõ ôîðìèðîâàíèÿ àýðîçîëåé äëÿ ìèíåðàëüíûõ, îðãàíè÷åñêèõ è îðãàíîìèíåðàëüíûõ ÷àñ-òèö, áûëè âûáðàíû âåëè÷èíû ïëîòíîñòè, ðàâíûå, ñîîòâåòñòâåííî, 2,5, 0,5 è 1,5 ã/ñì3. ×òîáû îöåíèòü âêëàä îïðåäåëåííîãî âèäà ÷àñòèö â âàëîâîé ñîñòàâ îáðàçöà, ïëîòíîñòü ìèíåðàëüíûõ ÷àñ-òèö áûëà ïðèíÿòà çà åäèíèöó, à ñîäåðæàíèå êàæäîãî ýëåìåíòà (åãî îêñèäà) îðãàíè÷åñêèõ èëè

Page 51: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

51

îðãàíîìèíåðàëüíûõ ÷àñòèö äåëèëîñü íà âåëè÷èíó, ñîîòâåòñòâóþùóþ òîìó, íàñêîëüêî ïëîòíîñòü äàííîãî òèïà ÷àñòèö ìåíüøå ïëîòíîñòè ìèíåðàëüíûõ ÷àñòèö, ò.å. íà 5 äëÿ îðãàíè÷åñêèõ è íà 1,7 äëÿ îðãàíîìèíåðàëüíûõ. Íîâûå ñîäåðæàíèÿ ýëåìåíòîâ çàòåì ïðèâîäèëèñü ê 100%. Ïîëó÷åííûå ðåçóëüòàòû ñðàâíèâàëè ñ äàííûìè ïî ÐÔÀ (òàáë. 1).

Ò à á ë è ö à 1

Ñðàâíåíèå âàëîâûõ õèìè÷åñêèõ ñîñòàâîâ îáðàçöîâ, ïîëó÷åííûõ ìåòîäàìè ÐÑÌÀ è ÐÔÀ

MgO K2O CaO FeO Al2O3 SiO2 SO3 Îáðà-

çåö ÐÑÌÀ ÐÔÀ ÐÑÌÀ ÐÔÀ ÐÑÌÀ ÐÔÀ ÐÑÌÀ ÐÔÀ ÐÑÌÀ ÐÔÀ ÐÑÌÀ ÐÔÀ ÐÑÌÀ ÐÔÀ

Á1 2,62 2,42 0,00 3,62 5,32 10,17 8,70 7,25 20,73 15,71 43,68 35,86 18,95 24,14

Á2 3,94 2,50 0,00 2,29 9,42 12,32 15,27 10,37 14,00 18,66 44,15 39,47 9,80 13,29

Á8 4,30 2,60 6,36 2,55 4,42 11,76 8,43 11,11 20,47 18,45 47,98 40,67 8,04 11,66

Á9 1,97 2,54 0,65 2,35 11,23 12,31 24,02 11,26 11,02 17,23 30,44 39,30 20,67 13,80

Á11 5,78 –* 0,54 3,70 9,82 10,86 10,20 11,16 22,21 16,19 44,73 36,67 6,62 20,27

Á16 4,01 – 3,02 2,63 4,85 8,22 9,61 6,11 17,75 16,65 55,29 39,93 5,47 25,68

Á17 3,42 – 1,54 2,20 7,08 9,20 1,78 9,36 27,87 20,51 54,99 40,82 3,32 16,84

Á18 4,01 – 13,44 3,30 11,60 8,25 2,45 8,59 13,53 19,98 46,43 41,24 8,53 17,67

Á20 4,49 – 4,57 3,15 6,01 11,09 0,33 10,26 22,47 17,86 34,44 37,58 27,70 18,79

K5 4,04 4,82 17,18 5,22 10,45 14,83 2,35 13,78 5,41 9,83 17,21 23,00 43,36 26,63

* Íå èçìåðÿëèñü; íàèáîëåå îòëè÷àþùèåñÿ äðóã îò äðóãà äàííûå îòìå÷åíû ñåðûì öâåòîì.

Íàèëó÷øàÿ ñõîäèìîñòü ðåçóëüòàòîâ îòìå÷åíà äëÿ îáðàçöîâ, â êîòîðûõ ïðåîáëàäàþò ìèíå-ðàëüíûå ÷àñòèöû ðàçìåðàìè îò 1 äî 3 ìêì.  öåëîì æå ñõîäèìîñòü çàâèñèò îò ðàçìåðà è âñòðå-÷àåìîñòè ÷àñòèö: ÷åì áîëüøå ÷àñòèöà è ÷åì âûøå ñîäåðæàíèå ïîäîáíûõ ÷àñòèö â îáðàçöå, òåì ëó÷øå ñõîäèìîñòü.  ðàìêàõ èññëåäîâàíèÿ ïîêàçàíî, ÷òî íà îñíîâå äàííûõ ÐÑÌÀ âîçìîæíà èäåíòèôèêàöèÿ ðÿäà ìèíåðàëüíûõ ñîåäèíåíèé. Ðåêîíñòðóêöèÿ ìèíåðàëîãè÷åñêîãî ñîñòàâà ïðîèç-âîäèëàñü â äâà ýòàïà. Íà ïåðâîì ýòàïå îïðåäåëÿëñÿ òèï ìèíåðàëà. Îñíîâíûå ïðèíöèïû èäåíòè-ôèêàöèè íåêîòîðûõ òèïîâ ìèíåðàëîâ íà ïåðâîì ýòàïå äàíû â òàáë. 2.

Ò à á ë è ö à 2

Êðèòåðèè ïðåäâàðèòåëüíîé ãðóïïèðîâêè ìèíåðàëüíûõ ÷àñòèö

Ìèíåðàë Èíäèêàòîðíûå êîìïîíåíòû

Ìàòðèöà Ýëåìåíòàðíàÿ ÿ÷åéêà

Àìôèáîëû MexOy* > 20% SiO2 35 – 60% [(OH)2 | Si8O22]13–

Al2O3 10 – 25%

Ñëþäû MexOy < 20% FeO 10 – 25% [(OH)2 | (AlFe)Si3O10]5–

Ïîëåâûå øïàòû MexOy < 15% SiO2 60 – 65% [AlSi3O8]

Al2O3 10 – 25% [Al2Si2O8]2–

Êâàðö MexOy < 10% SiO2 > 90% MexSiyO2

×àñòèöû,

îáîãàùåííûå SiO2 ** MexOy = 15% SiO2 = 75% MexSiyO2 or

(MexOy + SiO2)

* MexOy = (Na2O + K2O + MgO + CaO). ** Ïðîìåæóòî÷íûå ïðîäóêòû âûâåòðèâàíèÿ ìèíåðàëîâ èëè àãðåãàòû.

Íà âòîðîì ýòàïå ðàññ÷èòûâàëàñü ïðèáëèçèòåëüíàÿ ôîðìóëà ñîåäèíåíèÿ. Ðàñ÷åò ôîðìóëû ïðîèçâîäèëñÿ â íåñêîëüêî ñòàäèé ïî ïðîöåäóðå, îïèñàííîé Êîñòîâûì (1968). Íà ïåðâîé ñòàäèè

Page 52: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

52

ÑÎ2 áûë èñêëþ÷åí èç ñóììû îêñèäîâ, à ñîäåðæàíèÿ îñòàëüíûõ ïðèâåäåíû ê 100%. Íà âòîðîé ðàññ÷èòûâàëèñü ìîëåêóëÿðíûå ýêâèâàëåíòû îêñèäîâ (ÌÝÎ): äîëÿ îêñèäà (%) äåëèëàñü íà åãî ìîëåêóëÿðíóþ ìàññó. Äàëåå ðàññ÷èòûâàëè êîëè÷åñòâî àòîìîâ ìåòàëëà, ïðèõîäÿùèõñÿ íà îäèí àòîì êèñëîðîäà â ýëåìåíòàðíîé ÿ÷åéêå. Äëÿ ýòîé öåëè áûëè ðàññ÷èòàíû ñðåäíèé àòîìíûé ýêâè-âàëåíò êèñëîðîäà (ÀÝÊ) è àòîìíûå ýêâèâàëåíòû ìåòàëëîâ (ÀÝÌ). ×òîáû ïîëó÷èòü ÀÝÊ, ÌÝÎ óìíîæàëèñü íà êîëè÷åñòâî àòîìîâ êèñëîðîäà â ñîîòâåòñòâóþùåì îêñèäå, ïîëó÷åííûå âåëè÷èíû ñóììèðîâàëèñü, ñóììà äåëèëàñü íà êîëè÷åñòâî àòîìîâ êèñëîðîäà â ýëåìåíòàðíîé ÿ÷åéêå ìèíåðà-ëà, îïðåäåëåííîãî ïî òàáë. 2. ÀÝÌ ðàññ÷èòûâàëèñü ïóòåì óìíîæåíèÿ ÌÝÎ íà êîëè÷åñòâî àòîìîâ ìåòàëëà â ñîîòâåòñòâóþùåì îêñèäå. Ñòåõèîìåòðè÷åñêèå êîýôôèöèåíòû äëÿ ìåòàëëîâ ïîëó÷àëè äåëåíèåì ñîîòâåòñòâóþùåãî ÀÝÌ íà ñðåäíèé ÀÝÊ. Ïðèìåð ðàñ÷åòà ïðèâåäåí â òàáë. 3.

Ò à á ë è ö à 3

Ðàñ÷åò êðèñòàëëîõèìè÷åñêîé ôîðìóëû

Îêñèä % Íîðì. 100

Mr ÌÝÎ ÌÝÎ

x1000 ÀÝÊ ÀÝÌ

Êîýôôè-öèåíò

K2O 10,78 12,24 94,20 0,1299 129,93 129,93 259,86 0,70

Al2O3 19,11 21,70 101,96 0,21279 212,79 638,37 425,58 1,15

SiO2 58,19 66,06 60,08 1,09954 1099,54 2199,08 1099,54 2,96

Ñóììà 88,08 100 2967,37

n/5 370,92

K0,70Al1,15Si2,96O8 – îðòîêëàç

CaO 34,02 41,86 56,08 0,74648 746,48 746,48 746,48 1,02

SO3 47,25 58,14 80,06 0,72616 726,16 2178,48 726,16 0,99

Ñóììà 81,27 100 2924,96

n/3 731,24

Ca1,02S0,99O4 – ãèïñ

K2O 1,33 1,79 94,20 0,01906 19,06 19,06 36,12 0,14

MgO 4,93 6,65 40,30 0,16507 165,07 165,07 165,07 0,61

FeO 4,54 6,13 71,85 0,08528 85,28 85,28 85,28 0,32

Al2O3 27,63 37,29 101,96 0,36570 365,70 1097,11 731,40 2,71

SiO2 35,67 48,14 60,08 0,80117 801,17 1602,34 801,17 2,97

Ñóììà 74,10 100 2968,85

n/11 269.90

K0,14Mg0,61Fe0,32Al1,68[Al1,03Si2,97O10](OH)2 – ìóñêîâèò

 àáñîëþòíîì áîëüøèíñòâå ïðîàíàëèçèðîâàííûõ îáðàçöîâ îáíàðóæåíû ìèíåðàëû ãðóïïû ñëþä, ïîëåâûå øïàòû, à â íåêîòîðûõ – ìèíåðàëû ïðîñòûõ ñîëåé, òàêèõ êàê êàðáîíàòû è ñóëüôàòû.

Èññëåäîâàíèå îñóùåñòâëåíî ïðè ïîääåðæêå Ôîíäà ñîäåéñòâèÿ îòå÷åñòâåííîé íàóêå.

Ëèòåðàòóðà

1. Szaloki J., Osan A., Worobiec J., de Hoog R., Van Grieken R. Optimization of experimental conditions of thin-window EPMA for light-element analysis of individual environmental particles // X-Ray Spectrometry. 2001. V. 30. P. 143–155.

2. Vekemans B., Janssens K., Vincze L., Adams F., Van Grieken R. Analysis of X-ray spectra by iterative least squares (AXIL): New developments // X-Ray Spectrometry. 1994. V. 23. P. 278–285.

3. Ro C.-U., Osan J., Van Grieken R. Determination of low-Z elements in individual environmental parti-cles using windowless EPMA // Analytical Chemistry. 1999. V. 71. P. 1521–1528.

4. Bondarenko I., Treiger B., Van Malderen H., Van Grieken R., Van Espen P. IDAS: A Windows soft-ware package for cluster analysis // Spectrochemica Acta. 1996. V. 51(B). P. 441–456.

Page 53: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

53

×ÈÑËÅÍÍÎÅ ÌÎÄÅËÈÐÎÂÀÍÈÅ ÏÅÐÅÍÎÑÀ ÏÐÈÌÅÑÈ Â ÊÀÍÜÎÍÅ

Ý.À. Áîÿðøèíîâà

Èíñòèòóò âû÷èñëèòåëüíîé ìàòåìàòèêè è ìàòåìàòè÷åñêîé ãåîôèçèêè, ã. Íîâîñèáèðñê E-mail: [email protected]

Îäíèì èç îñíîâíûõ ôàêòîðîâ, ôîðìèðóþùèõ ìèêðîêëèìàò êàíüîíà, ÿâëÿåòñÿ ñóùåñòâåííàÿ òåìïåðàòóðíàÿ íåîäíîðîäíîñòü, âûçâàííàÿ íåðàâíîìåðíûì ïîñòóïëåíèåì ñîëíå÷íîé ðàäèàöèè íà ñêëîíû ðàçëè÷íîé îðèåíòàöèè è íàêëîíà. Ñóòî÷íûå êîëåáàíèÿ òåìïåðàòóðû ïîâåðõíîñòè ÷àñòî ïðèâîäÿò ê ôîðìèðîâàíèþ òåìïåðàòóðíûõ èíâåðñèé, îõâàòûâàþùèõ îáëàñòü êàíüîíà. Íàëè÷èå èñòî÷íèêà çàãðÿçíÿþùåé ïðèìåñè íà äíå èëè ñêëîíàõ êàíüîíà â óñëîâèÿõ èíâåðñèè, êîãäà åñòåñò-âåííîå ïðîâåòðèâàíèå îáëàñòè ñèëüíî îãðàíè÷åíî, ìîæåò ïðèâåñòè ê çíà÷èòåëüíîìó çàãðÿçíåíèþ îáëàñòè êàíüîíà.

 ðàáîòå ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ìîäåëèðîâàíèÿ ïåðåíîñà ïàññèâíîé ïðèìåñè îò òî÷å÷íûõ àí-òðîïîãåííûõ èñòî÷íèêîâ äëÿ íåêîòîðûõ òèïè÷íûõ ñöåíàðèåâ ðàçâèòèÿ ëîêàëüíûõ àòìîñôåðíûõ öèðêóëÿöèé â îáëàñòè êàíüîíà.

Ìîäåëü ïåðåíîñà ïàññèâíîé îäíîêîìïîíåíòíîé ïðèìåñè îïèøåì ñëåäóþùèì óðàâíåíèåì:

( ) ( , , , )c c

c c c cu v w w c f x y z t

t x y z

∂ ∂ ∂ ∂+ + + − = Δ +∂ ∂ ∂ ∂

(1)

ñ ãðàíè÷íûìè óñëîâèÿìè

0

0, 0, , 0, 0, , 0, ,

( ) ( , , ), ( , ),c c c

c c cx X y Y z H

x y z

cw c f x y t z x y

z

∂ ∂ ∂= = = = = =∂ ∂ ∂

∂ν = β − − = δ∂

(2)

ãäå c – êîíöåíòðàöèÿ ïðèìåñè; t – âðåìÿ; x, y, z – äåêàðòîâû êîîðäèíàòû; wc – ñêîðîñòü îñåäà-íèÿ ïðèìåñè; βñ – âåëè÷èíà, õàðàêòåðèçóþùàÿ âçàèìîäåéñòâèå ïðèìåñè ñ ïîäñòèëàþùåé ïîâåðõ-íîñòüþ; f, f0 – ôóíêöèè èñòî÷íèêîâ; δ(x, y) – ôóíêöèÿ, îïèñûâàþùàÿ ðåëüåô ìåñòíîñòè.

Âõîäíûì ïàðàìåòðîì äëÿ çàäà÷è (1)–(2) òàêæå ÿâëÿåòñÿ âåêòîð ñêîðîñòè âåòðà u = (u, v, w), êîìïîíåíòû êîòîðîãî íàñ÷èòûâàþòñÿ â ìåçîìàñøòàáíîé íåãèäðîñòàòè÷åñêîé ìîäåëè òåðìîäèíàìè-êè àòìîñôåðû [1]:

, ,

, , 0.

u v

w

p pu vdiv uu l v u div vu l u v

t x t y

pwdiv wu w div u S w div u

t z tθ

′ ′∂ ∂∂ρ ∂ρ+ ρ = − + ρ + Δ + ρ = − − ρ + Δ∂ ∂ ∂ ∂

′ ′∂∂ρ ∂ρϑ′ ′ ′+ ρ = − + λρϑ + Δ + ρϑ = − ρ + Δ ϑ ρ =∂ ∂ ∂

� �

� � �

(3)

Çäåñü ϑ′, p′ – îòêëîíåíèÿ ïîòåíöèàëüíîé òåìïåðàòóðû è àòìîñôåðíîãî äàâëåíèÿ îò èõ ôîíîâûõ çíà÷åíèé; ρ = ρ(z) – çàäàííàÿ ôóíêöèÿ ïëîòíîñòè âîçäóõà; l – ïàðàìåòð Êîðèîëèñà; S, λ – ïà-ðàìåòðû ñòðàòèôèêàöèè è ïëàâó÷åñòè.

Îïåðàòîð Δα (α = u, v, w, θ, c) èìååò âèä ,x y zx x y y z z

α α α α∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂Δ = μ + μ + μ

∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ∂ ãäå μαx, μαy μαz –

êîýôôèöèåíòû òóðáóëåíòíîé äèôôóçèè â íàïðàâëåíèè êîîðäèíàò x, y, z ñîîòâåòñòâåííî. Ãðàíè÷íûå óñëîâèÿ äëÿ çàäà÷è (3) çàäàâàëèñü ñëåäóþùèì îáðàçîì. Íà áîêîâûõ ãðàíèöàõ îá-

ëàñòè ñòàâÿòñÿ îäíîðîäíûå óñëîâèÿ Íåéìàíà. Íà âåðõíåé ãðàíèöå çàäàåòñÿ çàòóõàíèå âîçìóùå-íèé ìåòåîýëåìåíòîâ. Âëèÿíèÿ îðîãðàôè÷åñêèõ è òåðìè÷åñêèõ íåîäíîðîäíîñòåé ïîäñòèëàþùåé ïîâåðõíîñòè ïðîèçâîäèòñÿ â êðàåâûõ óñëîâèÿõ íà íèæíåì ðàñ÷åòíîì óðîâíå ìîäåëè, êîòîðûé ñîâïàäàåò ñ âåðõíåé ãðàíèöåé ïðèçåìíîãî ñëîÿ. Ïðèìåíåíèå òåîðèè ïðèçåìíîãî ñëîÿ ïðèâîäèò ê óñëîâèÿì òðåòüåãî ðîäà â çàäà÷àõ äëÿ ðàñ÷åòà ìåòåîýëåìåíòîâ. Òàêèì îáðàçîì, óðàâíåíèÿ òåðìî-äèíàìèêè àòìîñôåðû èíòåãðèðóþòñÿ â îáëàñòè Dt = D × [0, T], ãäå D = {0 ≤ x ≤ X, 0 ≤ y ≤ Y, δ(x, y) + h ≤ z ≤ H}, à 0 ≤ t ≤ T – èíòåðâàë âðåìåíè; h – âûñîòà ïðèçåìíîãî ñëîÿ.

 ìîäåëè ðàññ÷èòûâàåòñÿ ïîòîê ñîëíå÷íîé ðàäèàöèè, ïîëó÷àåìûé çåìíîé ïîâåðõíîñòüþ, ñ ó÷åòîì íàêëîíà è îðèåíòàöèè ñêëîíîâ îòíîñèòåëüíî àçèìóòà Ñîëíöà. Çàòåì â áëîêå ïàðàìåòðèçàöèè

Page 54: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

54

ïðèçåìíîãî ñëîÿ âû÷èñëÿþòñÿ ïîòîêè òåïëà íà âåðõíåé ãðàíèöå ñëîÿ, êîòîðûå ó÷àñòâóþò â íèæ-íèõ êðàåâûõ óñëîâèÿõ â ÷èñëåííîé ìîäåëè äèíàìèêè àòìîñôåðû. Äëÿ ó÷åòà ðåëüåôà ïðèìåíÿëèñü èäåè ìåòîäà ôèêòèâíûõ îáëàñòåé. Ìåòîä ðåøåíèÿ çàäà÷è (3) ïîäðîáíî îïèñàí â [1–3]. Ñ ïîëó÷åííûìè ïîëÿìè ñêîðîñòè âåòðà ðåøàåòñÿ çàäà÷à ïåðåíîñà ïàññèâíîé ïðèìåñè (1)–(2).

y, êì

à

y, êì

á

y, êì

â

Ðèñ. 1. Âåêòîðíûå ïîëÿ ñêîðîñòè âåòðà è èçîëèíèè êîíöåíòðàöèè ïðèìåñè â ñå÷åíèè (y, z) ïðè ðàçëè÷íîì ðàñïîëîæåíèè òî÷å÷íûõ èñòî÷íèêîâ ïðèìåñè: à, á – íî÷íàÿ öèðêóëÿöèÿ; â – äíåâíàÿ

Ïîñêîëüêó êîíöåíòðàöèÿ ïðèìåñåé, ïî ôèçè÷åñêîìó ñìûñëó, íå ìîæåò áûòü îòðèöàòåëüíîé, áîëü-

øîå çíà÷åíèå â ðåàëèçàöèè ÷èñëåííûõ ìîäåëåé, îñíîâàííûõ íà óðàâíåíèè ïåðåíîñà ñ òóðáóëåíòíîé

z, êì

Page 55: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

55

äèôôóçèåé, èãðàþò êîíå÷íî-ðàçíîñòíûå ñõåìû, îáëàäàþùèå ñâîéñòâîì ìîíîòîííîñòè.  äàííîé ðàáîòå äëÿ òðåõìåðíîé ìîäåëè ïåðåíîñà ïðèìåñè (1)–(2) ïîñòðîåíû ìîíîòîííûå ñõåìû íà îñíîâå àïïðîêñèìàöèé èíòåãðàëüíîãî òîæäåñòâà, âåñîâûå ôóíêöèè çàäàâàëèñü ÷åðåç ðåøåíèÿ ëîêàëüíûõ ñîïðÿæåííûõ çàäà÷ [4]. Äëÿ ðåøåíèÿ çàäà÷è èñïîëüçîâàëñÿ âàðèàöèîííûé ïðèíöèï â ñî÷åòàíèè ñ ìåòîäîì ðàñùåïëåíèÿ.

Íà êàæäîì ýòàïå ðàñùåïëåíèÿ ïî ïðîñòðàíñòâåííûì ïåðåìåííûì äëÿ óðàâíåíèÿ ïåðåíîñà ïðèìåñè ïîëó÷àþòñÿ ðàçíîñòíûå ñõåìû ñëåäóþùåãî âèäà:

1

1 1 1 1

1 2 1 2 1 2 1 21 1( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 0,

j jj j j jimk imk

i i i iimk i mk i mk imk

c cR R uA c c uAB c c

t

++ + + +

+ − − +− +−

+ + − − − =Δ

( ) ( )1 2 1 21 2 1 2( [ (1 cth )]/ ) , ( [ (1 cth )]/ ) ,i ii i

uAB x uA x+ −+ −− = μ η − η Δ = μ η + η Δ (4)

1 2 1 2 1 2 1 2( [1 ( )]/2) , ( /2 ) , ( ) ( cth 1)/ .i i i iR x u x± ± ± ±= Δ ξ η η = Δ μ ξ η = η η − η∓

Ïîëîæèòåëüíîñòü âñåõ êîýôôèöèåíòîâ îáåñïå÷èâàåò ìîíîòîííîñòü è óñòîé÷èâîñòü ðàçíîñòíûõ ñõåì (4).

Ïî îïèñàííîé âûøå ìîäåëè áûë ïðîâåäåí ðÿä ýêñïåðèìåíòîâ äëÿ èçó÷åíèÿ ïðîöåññîâ ïåðåíî-ñà ïðèìåñè â îâðàãàõ è êàíüîíàõ.  êà÷åñòâå ïðèìåðà áûë âûáðàí îâðàã, âûòÿíóòûé âäîëü îñè x ñ çàïàäà íà âîñòîê. Âî âñåõ ðàñ÷åòàõ äëÿ çàäà÷è äèíàìèêè àòìîñôåðû è ïåðåíîñà ïðèìåñè çàäà-âàëèñü ñëåäóþùèå çíà÷åíèÿ âõîäíûõ ïàðàìåòðîâ: X = Y = 5 êì, H = 1,5 êì, h = 50 ì, Δx = Δy = = 100 ì, Δz = 50 ì, Δt = 60 ñ, μx = μy = 100 ì2/ñ, ν = 10 ì2/ñ, λ = 0,035 ì2/ñ, wc = 0,003 ì/ñ.

Ìîäåëèðîâàíèå ïîêàçàëî, ÷òî â âå÷åðíåå è íî÷íîå âðåìÿ íàä îñòûâøèìè ñêëîíàìè îâðàãà ðàçâèâàþòñÿ íèñõîäÿùèå ïîòîêè âîçäóõà, ò.å. îáðàçóþòñÿ êàòàáàòè÷åñêèå âåòðû, êîòîðûå õàðàê-òåðíû äëÿ òàêîãî âèäà ðåëüåôà. Íà ðèñ. 1, à, á ïðèâåäåíû ðåçóëüòàòû ìîäåëèðîâàíèÿ ñèòóàöèè, êîãäà ñêëîíû îâðàãà óæå îñòûëè è óñòàíàâëèâàþùàÿñÿ èíâåðñèÿ íà÷èíàåò ïðèäàâëèâàòü øëåéô ïðèìåñè îò èñòî÷íèêîâ, à íèñõîäÿùèå ïîòîêè çàòÿãèâàòü ïðèìåñü íà äíî îâðàãà.  äíåâíîå âðåìÿ ìîæåò íàáëþäàòüñÿ êàðòèíà, ïîêàçàííàÿ íà ðèñ. 1, â, êîãäà ñêëîíû óæå äîñòàòî÷íî íàãðåòû, íî òåìïåðàòóðíàÿ èíâåðñèÿ åùå íå ðàçðóøåíà, ÷òî ïðèâîäèò ê âûòåñíåíèþ òåïëîãî âîçäóõà âäîëü ñêëîíîâ. Øëåéô ïðèìåñè îò èñòî÷íèêà íà äíå îâðàãà òàêæå ðàñòåêàåòñÿ âäîëü ñêëîíîâ, ïðèäàâ-ëåííûé ñâåðõó áîëåå õîëîäíûì âîçäóõîì.

Ëèòåðàòóðà

1. Ïåíåíêî Â.Â., Àëîÿí À.Å. Ìîäåëè è ìåòîäû äëÿ çàäà÷ îõðàíû îêðóæàþùåé ñðåäû. Íîâîñèáèðñê: Íàóêà, 1985. 256 ñ.

2. Boyarshinova E.A. Model of dynamics of atmosphere with monotone numerical schemes // Bull. NCC. Ser. Num. Model. In Atmosph., etc. 2000. Iss. 6. P. 1–8.

3. Êàçàêîâ À.Ë., Ëûêîñîâ Â.Í. Î ïàðàìåòðèçàöèè âçàèìîäåéñòâèÿ àòìîñôåðû ñ ïîäñòèëàþùåé ïîâåðõ-íîñòüþ ïðè ÷èñëåííîì ìîäåëèðîâàíèè àòìîñôåðíûõ ïðîöåññîâ // Òðóäû ÇàïÑèáÍÈÈ. 1982. Âûï. 55. Ñ. 3–20.

4. Ïåíåíêî Â.Â. ×èñëåííûå ñõåìû äëÿ àäâåêòèâíî-äèôôóçèîííûõ óðàâíåíèé ñ èñïîëüçîâàíèåì ëîêàëü-íûõ ñîïðÿæåííûõ çàäà÷. Ïðåïð. / ÂÖ ÑÎ ÐÀÍ (Íîâîñèáèðñê). 1993. ¹ 948. Ñ. 1–50.

ÎÑÍÎÂÍÛÅ ÏÀÐÀÌÅÒÐÛ ÃÀÇÎÂÛÕ È ÀÝÐÎÇÎËÜÍÛÕ ÂÛÁÐÎÑÎÂ

ÎÒ ÂÓËÊÀÍÎÂ Â ÀÒÌÎÑÔÅÐÓ

À.Â. ×åðíîâà

Èíñòèòóò âû÷èñëèòåëüíîé ìàòåìàòèêè è ìàòåìàòè÷åñêîé ãåîôèçèêè, ã. Íîâîñèáèðñê E-mail: [email protected]

Îñíîâíàÿ öåëü ðàáîòû – ñîçäàíèå ýêñïåðèìåíòàëüíîé áàçû äàííûõ, ñîäåðæàùåé èíôîðìàöèþ î íàèáîëåå çíà÷èìûõ èçâåðæåíèÿõ âóëêàíîâ, äëÿ îáåñïå÷åíèÿ ñöåíàðèåâ ìîäåëèðîâàíèÿ ïî îöåí-êå âëèÿíèÿ âûáðîñîâ íà êà÷åñòâî ïðèðîäíîé ñðåäû. Íàêîïëåíèå äàííûõ âåäåòñÿ ïî íåñêîëüêèì îñíîâíûì õàðàêòåðèñòèêàì âóëêàíè÷åñêèõ âûáðîñîâ: âûñîòà ïåïëîâûõ âûáðîñîâ, ñîñòàâ è îáúåì âûáðîøåííîãî ìàòåðèàëà, ðàçìåðû ÷àñòèö, ãåîìåòðèÿ ïåïëîâîãî îáëàêà, ïðîòÿæåííîñòü è íàïðàâ-ëåíèå ïåïëîâîãî øëåéôà.

Page 56: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

56

 áàçó ïîýòàïíî áóäóò âêëþ÷àòüñÿ âñå äîñòóïíûå êîëè÷åñòâåííûå äàííûå îá îòäåëüíûõ ýïè-çîäàõ èçâåðæåíèé, íåîáõîäèìûõ äëÿ ïàðàìåòðè÷åñêèõ îïèñàíèé â ìîäåëÿõ ôóíêöèé èñòî÷íèêîâ è ìåõàíèçìîâ òðàíñôîðìàöèè ïðèìåñåé â ãàçîâûõ è àýðîçîëüíûõ ñîñòîÿíèÿõ. Ïåðâàÿ âåðñèÿ áàçû äàííûõ îðèåíòèðóåòñÿ íà èñïîëüçîâàíèå èíôîðìàöèè î âóëêàíè÷åñêîé äåÿòåëüíîñòè íà Êàì÷àòêå, ñ ïîñëåäîâàòåëüíûì ïîïîëíåíèåì îò íàñòîÿùåãî âðåìåíè ê ïðîøëîìó.

Âóëêàí – ìîùíûé èñòî÷íèê ãàçîâûõ è àýðîçîëüíûõ âûáðîñîâ â àòìîñôåðó. Çà åäèíè÷íûé âûáðîñ â ñòðàòîñôåðó ìîæåò ïîñòóïèòü áîëüøîå êîëè÷åñòâî ìàòåðèàëà. Òàê, ïðè èçâåðæåíèÿõ âçðûâíîãî òèïà îãðîìíîå êîëè÷åñòâî àýðîçîëåé (â îñíîâíîì â âèäå ïûëè èëè âóëêàíè÷åñêîãî ïå-ïëà) è ãàçîâ ïîäíèìàåòñÿ íà âûñîòó áîëüøå 20 êì, ïðè÷åì ìåëêèå ÷àñòèöû ìîãóò ñóùåñòâîâàòü â ñòðàòîñôåðå íà ïðîòÿæåíèè íåñêîëüêèõ ëåò. Îòñþäà âàæíàÿ õàðàêòåðèñòèêà èçâåðæåíèé – âûñî-òà ïîäúåìà âóëêàíè÷åñêîãî ìàòåðèàëà, ïî êîòîðîé ìîæíî îöåíèòü ìîùíîñòü âûáðîñà.

Ïðè íàáëþäåíèè çà àêòèâíîñòüþ âóëêàíîâ Êàì÷àòêè çà ïîñëåäíèå 3 ãîäà îòìå÷åíû âûáðîñû íà âûñîòó îò 6 äî 10 êì íàä êðàòåðîì. Ýòî íàèáîëåå àêòèâíûå ñåé÷àñ âóëêàíû ïîëóîñòðîâà – Øèâåëó÷, Áåçûìÿííûé, Êàðûìñêèé è Êëþ÷åâñêîé. Îáðàçóþùàÿñÿ çà âðåìÿ èçâåðæåíèÿ ïåïëî-âàÿ òó÷à áûñòðî ïîäíèìàåòñÿ è ðàçðàñòàåòñÿ, äàëåå åå ñíîñèò â çàâèñèìîñòè îò ñêîðîñòè è íà-ïðàâëåíèÿ âåòðà â ìîìåíò èçâåðæåíèÿ. Ýòè ïàðàìåòðû ìîãóò ñóùåñòâåííî ìåíÿòüñÿ ñ âûñîòîé è áûòü ïðè÷èíîé ðîñòà ðàçìåðîâ îáëàêà è ïëîùàäè çîíû ïåïëîïàäà.

 òàáëèöå ïðèâåäåíû äàííûå î âûáðîñàõ âóëêàíîâ Êàì÷àòêè ñ ÿíâàðÿ 2004 ã. [5].

Âóëêàí Äàòà ñîáûòèÿ Âûñîòà âûáðîñà Ïðîòÿæåííîñòü

è íàïðàâëåíèå øëåéôà Áåçûìÿííûé 13 ÿíâàðÿ 2004 ãîäà 8000 ì íàä óðîâíåì ìîðÿ 70 êì, íà ñåâåðî-âîñòîê Øèâåëó÷ 11 ÿíâàðÿ 2004 ãîäà 4000 ì íàä êóïîëîì 40 êì, íà þãî-âîñòîê Øèâåëó÷ 9 ìàÿ 2004 ãîäà 7500 ì íàä êóïîëîì 80 êì, íà þãî-âîñòîê Áåçûìÿííûé 18 èþíÿ 2004 ãîäà 8000 ì íàä êóïîëîì

 òå÷åíèå ýêñïëîçèâíîé ñòàäèè Áîëüøîãî òðåùèííîãî Òîëáà÷èíñêîãî èçâåðæåíèÿ (ÁÒÒÈ) 1975–1976 ãã. ìàêñèìàëüíàÿ øèðèíà øëåéôà íà ðàññòîÿíèè 100 êì îò êðàòåðà áûëà 20 êì. Åãî íèæíÿÿ êðîìêà íàõîäèëàñü íà âûñîòå îêîëî 1 êì, à âåðõíÿÿ äîñòèãàëà âûñîòû 6 êì. Âî âðåìÿ íàáëþäåíèé ñîõðàíÿëîñü çàïàäíîå íàïðàâëåíèå âåòðà, åãî ñêîðîñòü â èíòåðâàëå âûñîò 1000–4000 è 5000–7000 ì äîñòèãàëà 16,5 è 36 ì/ñ ñîîòâåòñòâåííî [1].

Íåñìîòðÿ íà ýïèçîäè÷íîñòü èçâåðæåíèé, ìîæíî îöåíèòü èõ ñðåäíåãîäîâóþ ìîùíîñòü ïðèìåð-íî â 108 ò, ÷àñòü àýðîçîëåé ïîñòóïàåò â ñòðàòîñôåðó è ó÷àñòâóåò â ãëîáàëüíîì ïåðåíîñå âåùåñòâà. Íàïðèìåð, âî âðåìÿ ÁÒÒÈ åæåñóòî÷íî âûáðàñûâàëîñü 3 ⋅ 105 ò ïåïëà [1].

Àâòîðû ðàáîòû [3] äàþò êîëè÷åñòâåííîå îïèñàíèå ãàçîâ, âûáðîøåííûõ íà Ñåâåðíîì ïðîðûâå ÁÒÒÈ:

Ýëåìåíò Êîëè÷åñòâî, ò

H2O 1,2 ⋅ 108 SO2 1,7 ⋅ 105 CO 9,5 ⋅ 105 NH3 1,7 ⋅ 105 HF 1 ⋅ 105 H2S 4,9 ⋅ 106 CH4 5,8 ⋅ 105 N2 2,9 ⋅ 107 HCl 1,9 ⋅ 106 CO2 1,9 ⋅ 107 H2 5,4 ⋅ 105 O2 1,7 ⋅ 104

Ïî îöåíêàì, ñäåëàííûì ïîñëå èçâåðæåíèÿ âóëêàíà Òîëáà÷èê, ñóòî÷íûé âûáðîñ äâóîêèñè ñå-ðû SO2 ñîñòàâèë 23 òûñ. ò, ñåðîâîäîðîäà H2S – 0,2 òûñ. ò [1].

Âî âðåìÿ âóëêàíè÷åñêèõ èçâåðæåíèé âçðûâíîãî òèïà, êîãäà ïðîäóêòû èçâåðæåíèÿ ïîñòóïàþò íåïîñðåäñòâåííî â ñòðàòîñôåðó, âìåñòå ñ íèìè ïîñòóïàåò è áîëüøîå êîëè÷åñòâî ñåðîñîäåðæàùèõ ãàçîâ.  îáðàçîâàíèè ñòðàòîñôåðíîãî ñëîÿ áîëüøóþ ðîëü èãðàþò õèìè÷åñêèå ïðåâðàùåíèÿ ñåðî-ñîäåðæàùèõ ãàçîâ, ïðèâîäÿùèå, â êîíå÷íîì ñ÷åòå, ê îáðàçîâàíèþ â ñòðàòîñôåðå ïàðîâ ñåðíîé

Page 57: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

57

êèñëîòû. Îáðàçóþùèåñÿ ïàðû H2SO4 êîíäåíñèðóþòñÿ íà óæå èìåþùèõñÿ ÷àñòèöàõ, à òàêæå ó÷àñòâóþò â çàðîæäåíèè íîâûõ ÷àñòèö.

Åæåãîäíîå ïîñòóïëåíèå SO2 â òðîïîñôåðó îöåíèâàåòñÿ ïðèìåðíî â 150 ìëí. ò, íî åãî ìàññî-âàÿ äîëÿ óìåíüøàåòñÿ ñ âûñîòîé â òðîïîñôåðå èç-çà ìàëîãî âðåìåíè æèçíè.

Âðåìÿ ñóùåñòâîâàíèÿ ÷àñòèö ïûëè â ñòðàòîñôåðå, êàê è â òðîïîñôåðå, çàâèñèò îò èõ ðàçìåðà. Âûïàäåíèå êðóïíûõ ÷àñòèö âóëêàíè÷åñêîãî ïåïëà ïðîèñõîäèò â íåñêîëüêèõ ñîòíÿõ è â ðåäêèõ ñëó÷àÿõ – â íåñêîëüêèõ òûñÿ÷àõ êèëîìåòðîâ îò âóëêàíà.  òðîïîñôåðå ïðåîáëàäàþò ÷àñòèöû ðàç-ìåðîì îò 10 äî 50 ìêì, â ñòðàòîñôåðå – ìåíåå 1 ìêì [2].

 ðåçóëüòàòå õèìè÷åñêèõ ðåàêöèé, ïðîòåêàþùèõ ïðè âçàèìîäåéñòâèè ïîâåðõíîñòè ïåïëîâ ñ ãàçîîáðàçíûìè âåùåñòâàìè â ãàçîïåïëîâîì îáëàêå, ïðîèçâîäèëñÿ âûíîñ ìèêðîýëåìåíòîâ íà ïî-âåðõíîñòè ÷àñòèö.  ðàáîòå [4] ïðèâåäåíû äàííûå ïî âûíîñó ìèêðîýëåìåíòîâ ïåïëàìè ìåëêîé ôðàêöèè ïðè ÁÒÒÈ:

Ýëåìåíò Âûíîñ ñ ìåëêîé ôðàêöèåé ïåïëîâ, ò Âûíîñ ñ ãàçîîáðàçíûìè

ïðîäóêòàìè, ò Mn 12 ⋅ 104 0,33 ⋅ 102 Cr 13 ⋅ 103 3,1 Na 96 ⋅ 104 0,028 ⋅ 106 Co 900 2,6 Fe 140 ⋅ 104 0,38 ⋅ 104 K 25 ⋅ 104 0,32 ⋅ 105 Zn 4,7 ⋅ 104 0,4 ⋅ 104 Sc 360 0,24 Pb 9 ⋅ 103 95 Cu 1,6 ⋅ 104 0,92 ⋅ 103 Rb 0,2 ⋅ 104 0,29 ⋅ 103 Cd 2,4 ⋅ 102 1,1 ⋅ 102 Hg 49,7 5,3 As 0,3 ⋅ 104 0,16 ⋅ 104 Cs 0,5 ⋅ 103 0,43 ⋅ 102 Sb 0,4 ⋅ 103 0,8 ⋅ 102

Ìíîãèå ìèêðîýëåìåíòû âîçâðàùàþòñÿ íà çåìëþ àäñîðáèðîâàííûìè íà ïîâåðõíîñòè ìåëêîãî ïåïëà, ÷òî ïðèâîäèò ê âòîðè÷íîìó âîçäåéñòâèþ íà ïðèðîäíóþ ñðåäó.

Àêòèâíàÿ äåÿòåëüíîñòü âóëêàíîâ îêàçûâàåò ñóùåñòâåííîå âëèÿíèå íà êà÷åñòâî ïðèðîäíîé ñðåäû. Èçâåðæåíèÿ âçðûâíîãî òèïà ïðåäñòàâëÿþò íàèáîëüøóþ îïàñíîñòü äëÿ ëþäåé, èíæåíåðíûõ ñîîðóæåíèé, êîììóíèêàöèé, ñåëüõîçóãîäèé, æèâîòíîãî è ðàñòèòåëüíîãî ìèðà â îêðåñòíîñòÿõ âóë-êàíà.

Âî âðåìÿ êðóïíûõ âçðûâíûõ èçâåðæåíèé â àòìîñôåðó ïîñòóïàåò áîëüøîå êîëè÷åñòâî õèìè÷å-ñêèõ ñîåäèíåíèé. Çíà÷åíèå çäåñü ïðèîáðåòàþò ñåðíèñòûå ñîåäèíåíèÿ è ñîåäèíåíèÿ óãëåðîäà, ïî-ñêîëüêó îíè ìîãóò ó÷àñòâîâàòü â çàðîæäåíèè òîêñè÷íûõ êîìïîíåíòîâ, îêàçûâàþùèõ âðåäíîå âîç-äåéñòâèå íà îêðóæàþùóþ ñðåäó. Ó÷àñòâóÿ â ãëîáàëüíîì ïåðåíîñå, âðåäíûå ïðèìåñè ìîãóò îñàæ-äàòüñÿ íà îòäàëåííûõ òåððèòîðèÿõ â âèäå îñàäêîâ.

Ðàññìîòðåíèå âóëêàíè÷åñêîé äåÿòåëüíîñòè ñ òî÷êè çðåíèÿ åå âëèÿíèÿ íà ïðèðîäíóþ ñðåäó è íà æèçíåäåÿòåëüíîñòü ÷åëîâåêà ïðèâîäèò ê íåîáõîäèìîñòè èçó÷åíèÿ è äàëüíåéøåãî ïðîãíîçèðî-âàíèÿ âîçìîæíûõ ïîñëåäñòâèé îò èçâåðæåíèé.

Ëèòåðàòóðà

1. Àáðàìîâñêèé Á.Ï. è äð. Ãàçû è àýðîçîëüíûå ïðîäóêòû âûáðîñà Ñåâåðíîãî Ïðîðûâà Òîëáà÷èíñêîãî èçâåðæåíèÿ // Âóëêàíîëîãèÿ è ñåéñìîëîãèÿ. 1979. ¹ 3. Ñ. 3–8.

2. Àñàòóðîâ Ì.Ë. è äð. Âóëêàíû, ñòðàòîñôåðíûé àýðîçîëü è êëèìàò Çåìëè. Ë.: Ãèäðîìåòåîèçäàò, 1986. 256 ñ.

3. Ìåíÿéëîâ È.À., Íèêèòèíà Ë.Ï., Øàïàðü Â.Í. Ãåîõèìè÷åñêèå îñîáåííîñòè ýêñãàëÿöèé Áîëüøîãî òðåùèííîãî Òîëáà÷èíñêîãî èçâåðæåíèÿ. Ì.: Íàóêà, 1980. 235 ñ.

4. Ìèêëèøàíñêèé À.Ç. è äð. Àêòèâíûé âóëêàíèçì êàê èñòî÷íèê îáîãàùåíèÿ àòìîñôåðû õàëüêîôèëüíû-ìè ìèêðîýëåìåíòàìè (íà ïðèìåðå Áîëüøîãî òðåùèííîãî Òîëáà÷èíñêîãî èçâåðæåíèÿ) // Âóëêàíîëîãèÿ è ñåéñìîëîãèÿ. 1979. ¹ 3. Ñ. 9–17.

5. Ñåíþêîâ Ñ.Ë. Ìîíèòîðèíã âóëêàíè÷åñêîé àêòèâíîñòè. http://emsd.iks.ru/~ssl/monitoring/main.htm.

Page 58: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

58

ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈÅ ÐÀÑÏÐÅÄÅËÅÍÈß ÝÐÈÒÐÎÖÈÒÎÂ

ÏÎ ÃÅÌÀÒÎËÎÃÈ×ÅÑÊÈÌ ÈÍÄÅÊÑÀÌ

Ï.À. Òàðàñîâ, Ê.À. Ñåìüÿíîâ

Èíñòèòóò õèìè÷åñêîé êèíåòèêè è ãîðåíèÿ ÑÎ ÐÀÍ (ÈÕÊèà ÑÎ ÐÀÍ), 630090, Íîâîñèáèðñê, óë. Èíñòèòóòñêàÿ, 3, òåë.: (3832) 333–240, ôàêñ: (3822) 342–350

Äåòàëüíûé àíàëèç ïîïóëÿöèè ýðèòðîöèòîâ ïîêàçûâàåò, ÷òî ýðèòðîöèòû îäíîãî îðãàíèçìà íå ÿâëÿþòñÿ ïîëíîñòüþ ïîäîáíûìè äðóã äðóãó íè ìîðôîëîãè÷åñêè, íè áèîõèìè÷åñêè äàæå â íîðìå. Óæå íà ñòàäèè ñîçðåâàíèÿ êëåòêè èìåþò åñòåñòâåííîå ðàñïðåäåëåíèå ïî îáúåìó (V) è ïî êîíöåí-òðàöèè ãåìîãëîáèíà (HBC) [1]. Âðåìÿ æèçíè çðåëîãî ýðèòðîöèòà â êðîâÿíîì ðóñëå ñîñòàâëÿåò ïî-ðÿäêà 120 äíåé, ïðè ýòîì êëåòêà êàê áû «çàïèñûâàåò» ñîñòîÿíèå îðãàíèçìà çà äàííûé ïåðèîä.

Ïðîòî÷íàÿ öèòîìåòðèÿ âûãîäíî îòëè÷àåòñÿ îò äðóãèõ ìåòîäîâ èçìåðåíèÿ ïàðàìåòðîâ ýðèòðî-öèòîâ, òàê êàê ïîçâîëÿåò èññëåäîâàòü ñâîéñòâà îäèíî÷íûõ êëåòîê.  îñíîâå ôóíêöèîíèðîâàíèÿ áîëüøèíñòâà ñîâðåìåííûõ ãåìàòîëîãè÷åñêèõ àíàëèçàòîðîâ çàëîæåí èìåííî ýòîт ïðèíöèï. Íåäàâ-íî áûëî ïðåäëîæåíî íîâîå íàïðàâëåíèå â ïðîòî÷íîé öèòîìåòðèè, îáåñïå÷èâàþùåå óíèêàëüíûå âîçìîæíîñòè äëÿ èçìåðåíèÿ ñâåòîðàññåÿíèÿ îò îäèíî÷íûõ ÷àñòèö è, êàê ñëåäñòâèå, äëÿ ìîðôîëî-ãè÷åñêîãî àíàëèçà êëåòîê, – ñêàíèðóþùàÿ ïðîòî÷íàÿ öèòîìåòðèÿ [2] (ÑÏÖ). Ðàáîòà ïîñâÿùåíà ïðèìåíåíèþ ñêàíèðóþùåé ïðîòî÷íîé öèòîìåòðèè â ðàçðàáîòêå íîâûõ ñïîñîáîâ àíàëèçà ïîïóëÿ-öèè ýðèòðîöèòîâ.

Èçìåðåíèå ñôåðèçîâàíûõ êëåòîê

Äëÿ îïðåäåëåíèÿ ïàðàìåòðîâ ñôåðè÷åñêèõ ÷àñòèö ïî èíäèêàòðèñàì, èçìåðÿåìûì ñ ïîìîùüþ ÑÏÖ, ðàçðàáîòàíî íåñêîëüêî ìåòîäîâ ðåøåíèÿ îáðàòíîé çàäà÷è ñâåòîðàññåÿíèÿ [3, 4]. Ñóòü èñïîëü-çóåìîãî ïîäõîäà ñîñòîèò â ïîñòðîåíèè ïàðàìåòðè÷åñêîãî ðåøåíèÿ îáðàòíîé çàäà÷è ñâåòîðàññåÿíèÿ íà îñíîâå àíàëèçà Ôóðüå-îáðàçà èíäèêàòðèñû. Ïðè ýòîì àíàëèçèðóåòñÿ íå èñõîäíàÿ óãëîâàÿ çàâè-ñèìîñòü èíäèêàòðèñû, à åå ìîäèôèêàöèÿ ïðîèçâåäåíèåì ñ ïèêîâîé ôóíêöèåé îò óãëîâ F(θ):

2 –( ) sin .

l

h l

F⎛ ⎞θ θθ = π⎜ ⎟θ θ⎝ ⎠

(1)

Çäåñü ââåäåííûå îáîçíà÷åíèÿ θ l è θ h – ìàêñèìàëüíûé è ìèíèìàëüíûé óãëû èçìåðÿåìîé èíäè-êàòðèñû. Дàííîå ïðåîáðàçîâàíèå äàåò ïðîñòðàíñòâåííóþ ôèëüòðàöèþ îêíîì Õàííèíãà, âûÿâëÿÿ ïèêè â Ôóðüå-îáðàçå, ñîîòâåòñòâóþùèå ðåçîíàíñàì íà ðàçëè÷íûõ ñëîÿõ ÷àñòèöû â ñëó÷àå ìíîãî-ñëîéíîé ñôåðû. Àíàëèç äàííûì ìåòîäîì â ñëó÷àå îäíîðîäíîé ñôåðû ïðîèëëþñòðèðîâàí íà Ðèñ. 1. Ïîëîæåíèå ïèêà îñíîâíîé ÷àñòîòû Pf íàïðÿìóþ ñâÿçàíî ñ ðàçìåðîì ñôåðè÷åñêîé ÷àñòè-öû. Àìïëèòóäà äàííîãî ïèêà Af òåì áîëüøå, ÷åì âûøå ðåçîíàíñ íà слоях ÷àñòèöû, è ìîæåò ñëó-æèòü êðèòåðèåì ñôåðè÷íîñòè îáúåêòà.

20 40 60

0

5

10

15

20

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

a)

ин

ди

ка

тр

иса

, о

тн

. е

ди

ни

ц

b)"пик нулевой частоты"

"основная частота"

Pf= 0.2

Af= 0.34

ам

пл

итуд

а, о

тн

. ед

ин

иц

Óãîë, ãðàä ×àñòîòà, (ãðàä)–1

à á

Ðèñ. 1. Ìîäèôèöèðîâàííàÿ èíäèêàòðèñà ðàññåÿíèÿ ñôåðè÷åñêîé ÷àñòèöû ñ ïàðàìåòðàìè ñôåðèçîâàííîãî ýðèò- ðîöèòà (äèàìåòð 5,7 ìêì, ïîêàçàòåëü ïðåëîìëåíèÿ 1,39) (a) è åå íîðìèðîâàííûé Ôóðüå-ñïåêòð, ãäå Pf – ïî- ëîæåíèå, à Af – îòíîñèòåëüíàÿ àìïëèòóäà ïèêà «îñíîâíîé ÷àñòîòû» (á). Äëèíà âîëíû èçëó÷åíèÿ 632,8 íì

Èíäèêàòð

èñà

, îòí

. åä

.

Àìïëèòó

äà, îòí

. åä

.

«Ïèê íóëåâîé÷àñòîòû»

Pf = 0,2 Af = 0,34

«Îñíîâíàÿ ÷àñòü»

Page 59: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

59

Ê íàñòîÿùåìó âðåìåíè àëãîðèòì ðåøåíèÿ îáðàòíîé çàäà÷è ñâåòîðàññåÿíèÿ ïðèìåíèì ê ñëå-äóþùåìó äèàïàçîíó ïàðàìåòðîâ: V îò 30 äî 250 ôë, HBC îò 5 è äî 50 ã/äë. Ñðåäíèå çíà÷åíèÿ äàííûõ ïàðàìåòðîâ äëÿ êëåòîê ÷åëîâåêà ñîñòàâëÿþò V = 90 ôë, HBC = 33 ã/äë.

Ñôåðèçàöèÿ ñ ñîõðàíåíèåì îáúåìà

Ñôåðèçàöèÿ ñ ñîõðàíåíèåì îáúåìà ïðîâîäèëàñü ñîãëàñíî ìåòîäèêå, èñïîëüçóåìîé â ñîâðåìåí-íûõ ãåìàòîëîãè÷åñêèõ àíàëèçàòîðàõ. Ñóòü ìåòîäà ñîñòîèò â ýêñòðàãèðîâàíèè áåëêà ìåìáðàíû â ïðèñóòñòâèè äåòåðãåíòà äîäåöèëñóëüôàòà íàòðèÿ (ÄÑÍ) ñ ñîõðàíåíèåì îñìîòè÷åñêîãî áàðüåðà, ò.å. îáúåìà [5].

Äàííûé ýêñïåðèìåíò ïðîâîäèëñÿ â êà÷åñòâå àïðîáàöèè ñóùåñòâóþùåé ìåòîäèêè äëÿ ÑÏÖ. Ïîäãîíêà ãàóññèàíîì ïîëó÷åííûõ ïðîåêöèé ðàñïðåäåëåíèé íà îñè V0 è HBC äàåò çíà÷åíèÿ äëÿ ýðèòðîöèòîâ ÷åëîâåêà V = G(87,1; 21), HBC = G(33,4; 4.22), òî æå äëÿ ìûøè: V0 = G(43,7; 9,6), HBC = G(33,6; 3,38), ÷òî íàõîäèòñÿ â ñîãëàñèè ñî çíà÷åíèÿìè, èçâåñòíûìè èç ëèòåðàòóðû [5]. Обозначения:

( )( )2

22

2

1, e .v

V V

w

V

V

G V ww

−−

π=

HBC, ã/äë

20 40 60 80 100 120 140

25

30

35

40

45

мышь

человек

V, ìêì3

Ðèñ. 2. Èçìåðåíèå íà ÑÏÖ ðàñïðåäåëåíèÿ äâóõ ãåìàòîëîãè÷åñêèõ èíäåêñîâ ìåòîäîì ñôåðèçàöèè ñ ñîõðàíå- íèåì îáúåìà äëÿ ýðèòðîöèòîâ ÷åëîâåêà è ìûøè

Ïàðàìåòðû ðàñïðåäåëåíèÿ, ïîëó÷åííûå äëÿ ýðèòðîöèòîâ ÷åëîâåêà, òàêæå èñïîëüçîâàëèñü â äàëüíåéøåì êàê âñïîìîãàòåëüíàÿ èíôîðìàöèÿ ïðè îáðàáîòêå êèíåòè÷åñêèõ äàííûõ ïî ëèçèñó ýðèòðîöèòîâ ýòîãî èíäèâèäóóìà (ðèñ. 2).

Êèíåòèêà êîëëîèäíî-îñìîòè÷åñêîãî ãåìîëèçà

Àíàëèç ðàñïðåäåëåíèÿ ýðèòðîöèòîâ ïî ñâîéñòâàì ìîæåò áûòü ðåàëèçîâàí íå òîëüêî ïóòåì ïðÿìîãî èçìåðåíèÿ ïàðàìåòðîâ êëåòîê. Ôèçè÷åñêèå èëè áèîõèìè÷åñêèå ðàçëè÷èÿ ìîãóò áûòü çà-ðåãèñòðèðîâàíû ïî ïîâåäåíèþ êëåòîê â ðàçëè÷íûõ ïðîöåññàõ in vitro. Ì.Â. ßíîâñêèì (1886) [6] áûë ïðåäëîæåí ìåòîä, ñóùíîñòü êîòîðîãî çàêëþ÷àåòñÿ â ïîäñ÷åòå óáûëè ÷èñëà ýðèòðîöèòîâ â ðàñòâîðàõ ñ ïîíèæàþùåéñÿ òîíè÷íîñòüþ. Ìîäèôèêàöèÿ ýòîãî ïîäõîäà, øèðîêî èçâåñòíàÿ êàê îñìîòè÷åñêèé òåñò íà ðåçèñòåíòíîñòü, è ñåé÷àñ èñïîëüçóåòñÿ â êà÷åñòâå ñòàíäàðòíîãî ãåìàòîëîãè-÷åñêîãî àíàëèçà â íåêîòîðûõ ëàáîðàòîðèÿõ.

Îñíîâíîé èíòåðåñ, â ðàìêàõ äàííîé ðàáîòû, äëÿ èçìåðåíèÿ íà ÑÏÖ ïðåäñòàâëÿþò âèäû ãå-ìîëèçà, ïðè êîòîðûõ íà ïðîòÿæåíèè âñåãî ïðîöåññà ïðîèñõîäÿò ñóùåñòâåííûå èçìåíåíèÿ â êàð-òèíå ñâåòîðàññåÿíèÿ îòäåëüíîãî ýðèòðîöèòà, íàïðèìåð ïðîõîæäåíèå êëåòêîé ñîñòîÿíèÿ ñôåðû ïðè íàáóõàíèè, òàê êàê íà äàííîì ýòàïå âîçìîæíà ïîëíàÿ õàðàêòåðèçàöèÿ êëåòîê.

Ìûøü

×åëîâåê

Page 60: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

60

Èçîòîíè÷åñêèé ðàñòâîð õëîðèäà àììîíèÿ (0,84%) ÿâëÿåòñÿ îñíîâîé íåñêîëüêèõ êîììåð÷åñêèõ ãåìîëèçèðóþùèõ ðàñòâîðîâ. Äàííûé ïðîöåññ ëèçèñà èìååò êîëëîèäíî-îñìîòè÷åñêóþ ïðèðîäó.  ïåðâîì ïðèáëèæåíèè äëÿ îòðàáîòêè ìåòîäèêè ìîäåëèðîâàíèÿ äàííîãî ïðîöåññà è ïîèñêà îñ-íîâíûõ çàêîíîìåðíîñòåé áûëî ðåøåíî èñïîëüçîâàòü ïðîñòåéøóþ «ìîäåëü ïàññèâíîé äèôôóçèè îñìîòè÷åñêîãî ýêâèâàëåíòà».  äàííîé ìîäåëè ïîëàãàëîñü, ÷òî ðîñò âíóòðèêëåòî÷íîãî îñìîòè÷å-ñêîãî ñîäåðæèìîãî îïðåäåëÿåòñÿ òîëüêî ìåäëåííîé ïàññèâíîé äèôôóçèåé èçâíå íåêîåãî ôèêòèâ-íîãî íåéòðàëüíî çàðÿæåííîãî îñìîëèòà.

Ïðè ìîäåëèðîâàíèè ïðîöåññ ëèçèñà ðàçäåëÿëñÿ íà òðè ñòàäèè.  ïåðâîé ñòàäèè ïðîèñõîäèò óâåëè÷åíèå îáúåìà êëåòêè áåç ðàñòÿæåíèÿ ìåìáðàíû («ñôåðèçàöèÿ»). Âî âòîðîé ñòàäèè êëåòêà óæå ïðèíÿëà ñôåðè÷åñêóþ ôîðìó, è äàëüíåéøåå óâåëè÷åíèå îáúåìà âîçìîæíî òîëüêî çà ñ÷åò óâå-ëè÷åíèÿ ïëîùàäè ìåìáðàíû («ðàñòÿæåíèå»).  òðåòüåé ñòàäèè ïðîèñõîäÿò ñòàòèñòè÷åñêîå îáðàçî-âàíèå ïîðû â êëåòî÷íîé ìåìáðàíå è âûõîä ãåìîãëîáèíà («ðàñïàä êëåòêè»).

Íà Ðèñ. 3 ïîêàçàíû íàáëþäàåìûå íà öèòîìåòðå âðåìåííûå çàâèñèìîñòè îáùåé êîíöåíòðàöèè êëåòîê â ïðîáå è ýðèòðîöèòîâ, ðàñïîçíàííûõ êàê ñôåðè÷åñêèå. Ïîêàçàíà òàêæå ïîäãîíêà ýêñïåðè-ìåíòàëüíûõ äàííûõ ñ ïîìîùüþ ñëåäóþùåãî ðàñïðåäåëåíèÿ ïî ïàðàìåòðàì ïîïóëÿöèè ýðèòðîöèòîâ:

( ) ( ) ( ) ( )0 01 0 0, , , , .sV HBC SI pSN G V w G HBC w G SI w G pS w= (2)

Çäåñü îáîçíà÷åíèÿ: SI – èíäåêñ ñôåðè÷íîñòè, S0 – ïëîùàäü ìåìáðàíû íàòèâíîé êëåòêè; p – ïðîíèöàåìîñòü. Ïàðàìåòðû, íå ó÷àñòâóþùèå â ïîäãîíêå, áðàëèñü èç äàííûõ ïî ñôåðèçàöèè ñ ñî-õðàíåíèåì îáúåìà è îáðàáîòêè òåñòà íà ðåçèñòåíòíîñòü. Ðàññìîòðåíèå ïàðàìåòðîâ â êîìáèíàöèè p × S0 ïðîäèêòîâàíî äàííûìè î òîì, ÷òî êîëè÷åñòâî áåëêà ïîëîñû 3 íå ìåíÿåòñÿ ñ âîçðàñòîì êëåòêè [7]. Ïàðàìåòðû: âðåìÿ îáðàçîâàíèÿ ãåìîëèòè÷åêîé ïîðû τ è êîýôôèöèåíò æåñòêîñòè ìåì-áðàíû k, ïîëàãàëèñü îáùèìè äëÿ âñåé ïîïóëÿöèè êëåòîê. Îñòàëüíûå ïàðàìåòðû, òàêèå êàê ïðå-äåëüíîå ðàñòÿæåíèå ìåìáðàíû è äð., ñ÷èòàëèñü ðàâíûìè ñðåäíèì çíà÷åíèÿì, èçâåñòíûì èç ëèòå-ðàòóðû [8].

0 50 100 150 200

0,0

0,4

0,8

Îáùååêîë-âî êëåòîê

Êîëè÷åñòâîñôåðè÷åñêèõêëåòîê

Ïîäãîòîâêà ïðîáû

×àñòîòà î

òñ÷åòîâ, îòí. åä.

t, ñ

Ðèñ. 3. Êèíåòèêà ñôåðèçàöèè è ëèçèñà: ýêñïåðèìåíòàëüíûå äàííûå è ïîäãîíêà ìîäåëüþ

Ïàðàìåòðû ðàñïðåäåëåíèÿ, èñïîëüçóåìîãî â ïîäãîíêå êèíåòèêè ëèçèñà

Ïàðàìåòð Ñðåäíåå Ïîëóøèðèíà ðàñïðåäåëåíèÿ w,

îòí. åä.

pS0, ìêì3/ñ 1,50 ± 0,04 0,149 ± 0,002

k, äèí/ñì 718 ± 19 – t3, ñ 20,7 ± 0,7 –

Ïîìèìî êèíåòèêè ñôåðèçàöèè è ëèçèñà (ñì. Ðèñ. 3) â ïîäãîíêå ó÷àñòâîâàëè ðàñïðåäåëåíèÿ êëåòîê, ðàñïîçíàííûõ êàê ñôåðè÷åñêèå, ïî îáúåìó è êîíöåíòðàöèè ãåìîãëîáèíà, ïîëó÷åííûå â íåñêîëüêèõ ïðîìåæóòî÷íûõ âðåìåíàõ ñôåðèçàöèè.

Page 61: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

61

Òàáëèöà ñóììèðóåò çíà÷åíèÿ ïàðàìåòðîâ, ïîëó÷åííûõ â ïîäãîíêå. Óêàçàíû çíà÷åíèÿ ñðåäíå-ãî è îòíîñèòåëüíîé ïîëóøèðèíû (íîðìèðîâàííîé íà ñðåäíåå) äëÿ àïïðîêñèìàöèè ïðîåêöèè ðàñ-ïðåäåëåíèÿ ãàóññèàíîì.

Ëèòåðàòóðà

1. Lew V.L., Raftos J.E., Sorette M., Bookchin R.M. and Mohandas N. Generation of normal human red cell volume, hemoglobin content, and membrane area distributions by «birth» or regulation? // Blood. 1995. V. 86. P. 334–341.

2. Maltsev V.P. Scanning flow cytometry for individual particle analysis // Review of Scientific Instru-ments. 2000. V. 71. P. 243–255.

3. Maltsev V.P., Chernyshev A.V., Semyanov K.A. and Soini E. Absolute realtime determination of size and refractive index of individual microspheres // Measurement Science and Technology. 1997. V. 8. P. 1023–1027.

4. Semyanov K.A., Tarasov P.A., Zharinov A.E., Chernyshev A.V., Hoekstra A.G. and Maltsev V.P. Sin-gle Particle Sizing From Light Scattering Using Spectral Decomposition // Appl. Opt. 2004 (ïðèíÿòî â ïå÷àòü).

5. Waugh R.E., Mohandas N., Jackson C.W., Mueller T.J., Suzuki T. and Dale G.L. Rheologic proper-ties of senescent erythrocytes: loss of surface area and volume with red blood cell age // Blood. 1992. V. 79. P. 1351–1358.

6. ßíîâñêèé Ì.Â. // Åæåíåä. Êëèí. Ãàçåòà. 1886. Ò. 32. Ñ. 633–642; Òàì æå. 1886. Ò. 33. Ñ. 657–665. 7. Jennings L.K., Brown L.K. and Dockter M.E. Quantitation of protein 3 content of circulating erythro-

cytes at the single-cell level // Blood. 1985. V. 65. P. 1256–1262. 8. Delano M.D. Simple physical constraints in hemolysis // J. Theor. Biol. 1995. V. 175. P. 517–524.

ÑÂßÇÜ ÈÍÄÅÊÑÀ ÑÅÂÅÐÎ-ÀÒËÀÍÒÈ×ÅÑÊÈÕ ÊÎËÅÁÀÍÈÉ Ñ ÑÎËÍÅ×ÍÎÉ ÀÊÒÈÂÍÎÑÒÜÞ

È.Â. Àðòàìîíîâà, Ì.È. Ïóäîâêèí

Ñàíêò-Ïåòåðáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò, Èíñòèòóò ôèçèêè èì. Â.À. Ôîêà, ã. Ñàíêò-Ïåòåðáóðã, e-mail: [email protected]

 äàííîé ðàáîòå èññëåäóþòñÿ äëèííîïåðèîäíûå âàðèàöèè Ñåâåðî-Àòëàíòè÷åñêèõ Êîëåáàíèé (NAO) è èõ ñâÿçü ñ ÷èñëàìè Âîëüôà, èíòåíñèâíîñòüþ ïîòîêà ÃÊË, âñïûøå÷íûì èíäåêñîì Êëåò-÷åêà. Ïîêàçàíî, ÷òî ýíåðãåòè÷åñêèé èñòî÷íèê NAO ðàñïîëîæåí â Ñåâåðíîé Àòëàíòèêå è ñâÿçàí ñ ïðèõîäîì ñîëíå÷íîé ðàäèàöèè â íèæíþþ àòìîñôåðó, ïîòîêè êîòîðîé ìîäóëèðóþòñÿ èíòåíñèâíî-ñòüþ ÃÊË. Òàêæå íà ïðèõîä ñîëíå÷íîé ðàäèàöèè îêàçûâàþò âëèÿíèå âóëêàíè÷åñêèå èçâåðæåíèÿ, â ðåçóëüòàòå êîòîðûõ â àòìîñôåðó Çåìëè âûáðàñûâàåòñÿ áîëüøîå êîëè÷åñòâî âóëêàíè÷åñêîé ïû-ëè è àýðîçîëåé, ìåíÿþùèõ îïòè÷åñêèå ñâîéñòâà íèæíåé àòìîñôåðû è ïðèâîäÿùèõ ê óìåíüøåíèþ ïîñòóïëåíèÿ ñîëíå÷íîé ðàäèàöèè.

Ñåâåðî-Àòëàíòè÷åñêèå Îñöèëëÿöèè (NAO) ÿâëÿþòñÿ îäíèì èç íàèáîëåå èçâåñòíûõ ïåðèîäè-÷åñêèõ ôàêòîðîâ, âëèÿþùèõ íà öèðêóëÿöèþ àòìîñôåðíûõ ìàññ. Îíè îïðåäåëÿþò èçìåíåíèÿ êëè-ìàòà îò âîñòî÷íîãî ïîáåðåæüÿ ÑØÀ äî Ñèáèðè è îò Àðêòèêè äî ñóáòðîïè÷åñêîé çîíû Àòëàíòèêè, îñîáåííî ñèëüíî ýòî âëèÿíèå ïðîÿâëÿåòñÿ â çèìíèé ïåðèîä (íîÿáðü–àïðåëü) â ñåâåðíîì ïîëóøà-ðèè. Èíäåêñ NAO îïðåäåëÿåòñÿ êàê ðàçíîñòü äàâëåíèé íà óðîâíå ìîðÿ ìåæäó Èñëàíäèåé è Ãèá-ðàëòàðîì. Ñîãëàñíî [1] ñòðóêòóðà NAO îïðåäåëÿåòñÿ âíóòðåííèìè äèíàìè÷åñêèìè ïðîöåññàìè â àòìîñôåðå. Ñîîòâåòñòâåííî, èçìåíåíèÿ ôàçû è àìïëèòóäû NAO îò ìåñÿöà ê ìåñÿöó èëè îò ãîäà ê ãîäó îêàçûâàþòñÿ íåïðåäñêàçóåìûìè.  òî æå âðåìÿ ìû ïîä÷åðêèâàåì, ÷òî âíåøíèå èñòî÷íèêè, òàêèå êàê ñîëíå÷íàÿ àêòèâíîñòü èëè âóëêàíè÷åñêèå âûáðîñû, ìîãóò âëèÿòü íà ðàçâèòèå NAO. Íèæå ìû ïîïûòàåìñÿ âûäåëèòü ýòè ýôôåêòû.

Íà ðèñ. 1 ïðåäñòàâëåíû âàðèàöèè ÷èñåë Âîëüôà (W) è áåãóùèå ñðåäíèå (ïî 3 çèìàì) çíà÷å-íèÿ NAO çà 1870–1995 ãã. Íà íèæíåé ïàíåëè ïîêàçàí áåãóùèé êîýôôèöèåíò êîððåëÿöèè (ïî 11 ãîäàì) ìåæäó âåëè÷èíàìè W è NAO. Bucha and Bucha [2] îáúÿñíÿþò íàáëþäàåìûå èçìåíåíèÿ çíàêà êîýôôèöèåíòà êîððåëÿöèè R(W, NAO) èçìåíåíèÿìè ëîêàëèçàöèè è êîíôèãóðàöèè îáëàñ-òåé ïîâûøåííîãî è ïîíèæåííîãî äàâëåíèÿ. Íî ÷åì æå îáóñëîâëåíû ýòè èçìåíåíèÿ?  ñâÿçè ñ ýòèì ïðèâëåêàþò âíèìàíèå ðåçóëüòàòû Donarummo et al. [3], ñîãëàñíî êîòîðûì àíàëîãè÷íûå èç-ìåíåíèÿ çíàêà êîððåëÿöèè ìåæäó âàðèàöèÿìè ñîëíå÷íîé àêòèâíîñòè è êîíöåíòðàöèè ïûëè â ëåä-íèêàõ Öåíòðàëüíîé Ãðåíëàíäèè ñâÿçàíû ñ âóëêàíè÷åñêèìè èçâåðæåíèÿìè. Ñîîòâåòñòâåííî

Page 62: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

62

íà ðèñ. 1 (íèæíÿÿ ïàíåëü) òîíêèìè âåðòèêàëüíûìè ëèíèÿìè îòìå÷åíû ãîäû íàèáîëåå çàìåòíûõ èçâåðæåíèé âóëêàíîâ [3, 5]. Âèäíî, ÷òî íàáëþäàåòñÿ îò÷åòëèâàÿ òåíäåíöèÿ ê óâåëè÷åíèþ àëãåá-ðàè÷åñêîé âåëè÷èíû R ïîñëå êàæäîãî èçâåðæåíèÿ âóëêàíà. Ðàññìîòðèì, êàêèì ñïîñîáîì èçâåð-æåíèå âóëêàíà ìîæåò îêàçûâàòü âëèÿíèå íà çíàê êîððåëÿöèè ìåæäó W è NAO.

-100

0

100

200

W (

su

nsp

ot n

um

be

rs)

1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000-1

-0.5

0

0.5

1

R (

run

nin

gco

rre

latio

n c

oe

ffic

ien

t)

-2

2

4

0

(b)

Agung

Fuego

Fern

andin

a

El C

hic

hyn

Pin

atu

bo

Klu

chevskoi

Kra

kata

u

Santa

Maria

NA

O

á Years

Ðèñ. 1. Âåðõíÿÿ ïàíåëü: ÷èñëà Âîëüôà (W) (æèðíàÿ ëèíèÿ), èíäåêñ NAO (òîíêàÿ ëèíèÿ); íèæíÿÿ ïàíåëü: çíà÷åíèÿ áåãóùåãî êîýôôèöèåíòà êîððåëÿöèè (äëÿ 11-ëåòíåãî èíòåðâàëà) ìåæäó NAO è W-èíäåêñàìè. Òîíêèìè âåðòèêàëüíûìè ëèíèÿìè îòìå÷åíû ãîäû íàèáîëåå èíòåíñèâíûõ èçâåðæåíèé âóëêàíîâ

Íàïîìíèì, ÷òî âåëè÷èíà èíäåêñà NAO îïðåäåëÿåòñÿ êàê ðàçíîñòü íîðìèðîâàííûõ îïðåäå-ëåííûì îáðàçîì äàâëåíèé íà Ãèáðàëòàðå è â Èñëàíäèè.  ñâÿçè ñ ýòèì íà ðèñ. 2 ïðèâåäåíû ñãëàæåííûå ïî äâóì ãîäàì âàðèàöèè äàâëåíèÿ íà Ãèáðàëòàðå (íèæíÿÿ ïàíåëü) è â Èñëàíäèè (âåðõíÿÿ ïàíåëü).

1966 1968 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984-10

-5

0

5

10

δP,

δQ

(a)

δPice

δQ65

Fernandina Fuego St.Helens

à

1966 1968 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984-6

-4

-2

0

2

4

δP

, δQ

(b)

δPgib

δQ50

á Years

Ðèñ. 2. Âàðèàöèè äàâëåíèÿ è ïîòîêà ïîëíîé (ò.å. ïðÿìîé è ðàññåÿííîé) ñîëíå÷íîé ýíåðãèè, ïîñòóïàþùåé â íèæíþþ àòìîñôåðó íà Ãèáðàëòàðå (δÐgib, δQ65) – âåðõíÿÿ ïàíåëü è â Èñëàíäèè (δÐice, δQ50) – íèæíÿÿ ïàíåëü. Âåðòèêàëüíûìè ñòðåëêàìè îáîçíà÷åíû ìîìåíòû íà÷àëà èçâåðæåíèÿ âóëêàíîâ

à

δÐ

, δQ

W (

sunsp

ot

num

ber

s)

R (

runnin

g c

orr

elat

ion

coef

fici

ent)

NA

O

δÐ

, δQ

δÐice

δÐgib

δQ65

δQ50

Page 63: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

63

Èç ðèñóíêà âèäíî, ÷òî âàðèàöèè äàâëåíèÿ â ðàññìàòðèâàåìûõ ðåãèîíàõ ïðîèñõîäÿò â ñîîò-âåòñòâèè ñ îïðåäåëåíèåì NAO, â ïðîòèâîôàçå, ò.å. âîçäóøíûå ìàññû ïåðåìåùàþòñÿ òî èç íèçêèõ øèðîò â âûñîêèå, òî îáðàòíî. Åñòåñòâåííî, ýòè ïåðåìåùåíèÿ ñâÿçàíû ñ ïîòðåáëåíèåì îïðåäåëåí-íîé ýíåðãèè, â ñâÿçè ñ ÷åì âîçíèêàåò âîïðîñ î òîì, ãäå ëîêàëèçîâàíû èñòî÷íèêè ýòîé ýíåðãèè. Ñóäÿ ïî òîìó, ÷òî àìïëèòóäà êîëåáàíèé äàâëåíèÿ â Èñëàíäèè â 2,5 ðàçà ïðåâûøàåò òàêîâóþ íà Ãèáðàëòàðå, ýíåðãåòè÷åñêèå èñòî÷íèêè NAO ëîêàëèçîâàíû â Ñåâåðíîé Àòëàíòèêå.

×òî êàñàåòñÿ ôèçè÷åñêîé ïðèðîäû ýòîé ýíåðãèè, òî ìîæíî ïðåäïîëîæèòü, ÷òî, ïî êðàéíåé ìåðå, â îáëàñòè íåïîñðåäñòâåííîãî âîçäåéñòâèÿ êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé íà íèæíþþ àòìîñôåðó îíà ìîæåò ïðåäñòàâëÿòü ñîáîé ýíåðãèþ ñîëíå÷íîé ðàäèàöèè, ìîäóëèðîâàííóþ âàðèàöèÿìè ïðîçðà÷íî-ñòè àòìîñôåðû èëè îáëà÷íîñòè, èëè ïàðíèêîâûì ýôôåêòîì ýòèõ îáëàêîâ.  ñâÿçè ñ ýòèì íà ðèñ. 2 ïðåäñòàâëåíû òàêæå âàðèàöèè ïîòîêà ïîëíîé (ò.å. ïðÿìîé è ðàññåÿííîé) ñîëíå÷íîé ýíåð-ãèè, ïîñòóïàþùåé â íèæíþþ àòìîñôåðó.

×òî êàñàåòñÿ âàðèàöèé δQ65 è àòìîñôåðíîãî äàâëåíèÿ δP â Èñëàíäèè, òî èç ðèñ. 2 âèäíî, ÷òî â ïåðèîä ñ 1966 ïî 1975 ã. îáå âåëè÷èíû ìåíÿþòñÿ ñèíõðîííî. Îäíàêî â 1975 ã. ñèíõðîííîñòü â âàðèàöèÿõ δQ65 è δPice çàìåòíî íàðóøàåòñÿ, è â 1974–1975 è ïîñëå 1981 ã. îáå âåëè÷èíû ìåíÿþò-ñÿ â ïðîòèâîôàçå. Ìîæíî âèäåòü, ÷òî íà÷àëà îáîèõ ïåðèîäîâ ñîâïàäàþò ñ èçâåðæåíèÿìè âóëêà-íîâ Fuego è St.Helens ñîîòâåòñòâåííî.

Ïîõîæåå èçìåíåíèå â õîäå δQ65 è δPice íàáëþäàåòñÿ è ïîñëå 1969 ã., ñîâïàäàþùåå ñ èçâåðæå-íèåì âóëêàíà Fernandina. Ýòî ïîçâîëÿåò ïðåäïîëîæèòü, ÷òî èçìåíåíèå çíàêà êîððåëÿöèè âàðèà-öèé àòìîñôåðíîãî äàâëåíèÿ ñ ïîòîêîì ñîëíå÷íîé ýíåðãèè, ïîñòóïàþùåé â íèæíþþ àòìîñôåðó, îïðåäåëÿåòñÿ èçìåíåíèåì õàðàêòåðèñòèê àýðîçîëüíîãî ñëîÿ è, ñîîòâåòñòâåííî, îïòè÷åñêèõ ñâîéñòâ îáëàêîâ. Äåéñòâèòåëüíî, èçâåñòíî, ÷òî âóëêàíè÷åñêèå âûáðîñû ñîïðîâîæäàþòñÿ ïîÿâëåíèåì â ñòðàòîñôåðå òîíêèõ (Δh ≈ 1 êì) àýðîçîëüíûõ ñëîåâ. Ïîä äåéñòâèåì êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé ÷àñòèöû àýðîçîëÿ èîíèçèðóþòñÿ, ÷òî ïðèâîäèò ê áûñòðîé êîíäåíñàöèè âîäÿíûõ (èëè èíûõ) ïàðîâ è îáðà-çîâàíèþ îáëàêîâ, â ñèëó ñâîåé ìàëîé òîëùèíû ïðîçðà÷íûõ äëÿ èíôðàêðàñíîãî èçëó÷åíèÿ Çåìëè.  ýòîì ñëó÷àå îáðàçîâàíèå îáëàêîâ, ñâÿçàííîå ñ óìåíüøåíèåì âåëè÷èíû Q65, äîëæíî ïðèâîäèòü ê îõëàæäåíèþ òðîïîñôåðû, ÷òî è íàáëþäàåòñÿ â äåéñòâèòåëüíîñòè, è ê ïîñëåäóþùåìó ïîâûøåíèþ íàçåìíîãî äàâëåíèÿ.

Ñóùåñòâåííî èíàÿ êàðòèíà èìååò ìåñòî â íèçêèõ øèðîòàõ. Êàê âèäíî èç ðèñ. 2, âàðèàöèè δQ50 è δPgib íå êîððåëèðóþò âîîáùå.  òî æå âðåìÿ âåëè÷èíà δPgib îêàçûâàåòñÿ äîñòàòî÷íî òåñíî ñâÿçàííîé ñ âàðèàöèÿìè δQ65 â âûñîêèõ øèðîòàõ (r = –0,5). Ýòî åùå ðàç ïîäòâåðæäàåò ïðåäïî-ëîæåíèå î òîì, ÷òî âàðèàöèè íàçåìíîãî äàâëåíèÿ â Ãèáðàëòàðå ÿâëÿþòñÿ âòîðè÷íûì ÿâëåíèåì, èíèöèèðóåìûì ïðîöåññàìè â âûñîêèõ øèðîòàõ.

Íî ÷åì æå îáóñëîâëåíû âàðèàöèè âåëè÷èíû δQ? Äëÿ òîãî ÷òîáû ðàçîáðàòüñÿ ñ ýòèì âîïðî-ñîì, áûëà âûïîëíåíà ìíîæåñòâåííàÿ êîððåëÿöèÿ âåëè÷èí δQ65 è δQ50 ñ íåêîòîðûìè êîñìîôè- çè÷åñêèìè ôàêòîðàìè [4].  ðåçóëüòàòå áûëî ïîëó÷åíî, ÷òî âåëè÷èíû δQ65 è δQ50 ìîãóò áûòü çàïèñàíû:

δQ65 = 2 – 91,3δN – 1,5Kl, r = 0,8,

δQ50 = –0,7 + 24,8δN + 2,5Kl, r = 0,8,

ãäå δN è δKl ñóòü îòêëîíåíèÿ (%) îò íîðìû ïîòîêà êîñìè÷åñêèõ ëó÷åé è âñïûøå÷íîãî èíäåêñà Kleczek’à.

Ðåçóëüòàòû âû÷èñëåíèÿ âåëè÷èí δQ65 è δQ50 ïî ïîëó÷åííûì ôîðìóëàì âìåñòå ñ èõ ýêñïåðè-ìåíòàëüíûìè çíà÷åíèÿìè ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 3. Êàê âèäíî èç ðèñ. 3, êàê â âûñîêèõ, òàê è â íèçêèõ øèðîòàõ ðàññ÷èòàííûå âåëè÷èíû δQ äîñòàòî÷íî áëèçêè ê ýêñïåðèìåíòàëüíûì. Ýòî ïîçâî-ëÿåò ñ áîëüøîé äîëåé óâåðåííîñòè óòâåðæäàòü, ÷òî âàðèàöèè δQ â îáîèõ ðàññìàòðèâàåìûõ ðåãèî-íàõ âûçûâàþòñÿ âàðèàöèÿìè ñîîòâåòñòâóþùèõ êîñìîôèçè÷åñêèõ ôàêòîðîâ. Îäíàêî îáðàùàåò íà ñåáÿ âíèìàíèå òî, ÷òî êîýôôèöèåíòû ðåãðåññèè, âûðàæàþùèå ñâÿçü ìåæäó δQ è ðàññìàòðè-âàåìûìè êîñìîôèçè÷åñêèìè ôàêòîðàìè, èìåþò ïðîòèâîïîëîæíûå çíàêè â âûñîêèõ è íèçêèõ øèðîòàõ.

Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ôèçè÷åñêèå ìåõàíèçìû, îáåñïå÷èâàþùèå ýòó ñâÿçü â ðàçíûõ øèðîòíûõ ïîÿñàõ, îêàçûâàþòñÿ ðàçëè÷íûìè. ×òî êàñàåòñÿ âûñîêèõ øèðîò, ýòîò ìåõàíèçì, ñêîðåå âñåãî, ñâÿçàí ñ ïðÿìûì âîçäåéñòâèåì ïîòîêîâ ýíåðãè÷íûõ ÷àñòèö íà ñîñòîÿíèå îáëà÷íîñòè è ïðîïóñê-íóþ ñïîñîáíîñòü àòìîñôåðû.  òî æå âðåìÿ î÷åâèäíî, ÷òî â íèçêèõ øèðîòàõ, ãäå ñ óâåëè÷åíèåì

Page 64: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

64

ïîòîêà èîíèçèðóþùåãî èçëó÷åíèÿ ïðîçðà÷íîñòü àòìîñôåðû óâåëè÷èâàåòñÿ, à îáëà÷íîñòü óìåíü-øàåòñÿ, ýòîò ìåõàíèçì äîëæåí áûòü ñóùåñòâåííî èíûì. Îäíàêî ïðèðîäà ýòîãî ìåõàíèçìà â íà-ñòîÿùåå âðåìÿ íå ÿñíà.

1966 1968 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984-10

-5

0

5

10

δQ65

δQ65

exp

δQ65

calc R=0.8

(a)

à

1966 1968 1970 1972 1974 1976 1978 1980 1982 1984-6

-4

-2

0

2

4

δQ50 δQ

50

calc

δQ50

exp R=0.8

(b)

á Years

Ðèñ. 3. Òåîðåòè÷åñêèå è ýêñïåðèìåíòàëüíûå çíà÷åíèÿ êîëè÷åñòâà ñóììàðíîé ñîëíå÷íîé ðàäèàöèè δQ50

è δQ65, ïîñòóïàþùåé íà øèðîòû φ = 50° N è 65° N ñîîòâåòñòâåííî

Ëèòåðàòóðà

1. Hurrel J.W., Kushnir Y., Ottersen G. and Visbeck M. An overview of the North Atlantic Oscillation. Geophys. Monograph. 134. Washington: AGU press, 2003. 29 p.

2. Bucha V. and Bucha V., Jr. Geomagnetic forcing of changes in climate and in the atmospheric circula-tion // J. Atm. Sol.-Terr. Phys. 1998. ¹ 60. P. 145–169.

3. Donarummo J., Ram M. and Stolz M.R. Sun/dust correlations and volcanic interference // Geophys. Res. Lett. 2002. V. 29. ¹ 9. 10.1029/2002GL014858.

4. Pudovkin M.I., Artamonova I.V., Besser B.P. and Rijnbeek R.P. Solar activity effects in the cyclic variations of the zonal circulation indices NAO // J. Atm. Sol.-Terr. Phys. (in press).

5. Volcano Eruptions, online: httm://www.volcano.si.edu/reports/atmoseff/var.htm.

ÈÇÓ×ÅÍÈÅ ËÀÇÅÐÍÎ-ÀÊÒÈÂÍÛÕ ÑÐÅÄ ÄËß ÎÏÒÈ×ÅÑÊÎÃÎ ÇÎÍÄÈÐÎÂÀÍÈß ÍÀ ÎÑÍÎÂÅ ÁÐÎÌÇÀÌÅÙÅÍÍÛÕ ÑÒÈËÜÁÅÍÀ

ÌÅÒÎÄÀÌÈ ÊÂÀÍÒÎÂÎÉ ÕÈÌÈÈ

Î.Â. Äîëãîâà, Í.Í. Ñâåòëè÷íàÿ

Ñèáèðñêèé ôèçèêî-òåõíè÷åñêèé èíñòèòóò èì. Â.Ä. Êóçíåöîâà, 634050 Òîìñê, ïë. Íîâîñîáîðíàÿ, 1, e-mail: [email protected]

Ëàçåðû íà êðàñèòåëÿõ ñ ïëàâíîé ïåðåñòðîéêîé äëèíû âîëíû ãåíåðàöèè â øèðîêîì äèàïàçîíå äëèí âîëí ýôôåêòèâíî èñïîëüçóþòñÿ â ëèäàðàõ äëÿ îïòè÷åñêîãî çîíäèðîâàíèÿ îêðóæàþùåé ñðå-äû (àòìîñôåðû è îêåàíà). Ïîýòîìó àêòóàëüíà çàäà÷à ñîçäàíèÿ íîâûõ ëàçåðíî-àêòèâíûõ ñðåä ñ ðàçëè÷íûìè ãåíåðàöèîííûìè ñâîéñòâàìè.

Ñ ýòîé öåëüþ áûëè ýêñïåðèìåíòàëüíî èññëåäîâàíû ñïåêòðàëüíî-ëþìèíåñöåíòíûå è ãåíåðàöè-îííûå ñâîéñòâà òðàíñ-ñòèëüáåíà (Ò-ñò), äèñòèðèëáåíçîëà (ÄÑÁ) è åãî áðîìçàìåùåííûõ ñòðóêòóð (òàáë. 1). Äëÿ îáúÿñíåíèÿ ïîëó÷åííûõ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ðåçóëüòàòîâ ïðîâåäåíû êâàíòîâî-õèìè÷åñêèå ðàñ÷åòû ïîëóýìïèðè÷åñêèì ìåòîäîì ×ÏÄÏ/Ñ (×àñòè÷íîãî Ïðåíåáðåæåíèÿ Äèôôå-ðåíöèàëüíûì Ïåðåêðûâàíèåì ñî Ñïåêòðîñêîïè÷åñêîé ïàðàìåòðèçàöèåé) ñïåêòðàëüíûõ õàðàêòåðè-ñòèê è ôîòîïðîöåññîâ, ïðîèñõîäÿùèõ â èññëåäóåìûõ ìîëåêóëàõ.

δQ

65

δQ

50

R = 0,8

calk

50Qδ

exp50Qδ

calk

65Qδ

exp65Qδ

R = 0,8

Page 65: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

65

Òðàíñ-ñòèëüáåí ÿâëÿåòñÿ ñëàáî ëþìèíåñöèðóþùèì ñîåäèíåíèåì, ñ êâàíòîâûì âûõîäîì ôëóî-ðåñöåíöèè 0,03–0,08. Ãëàâíîé ïðè÷èíîé ÿâëÿåòñÿ ïåðâè÷íàÿ ñâåðõáûñòðàÿ ôîòîèçîìåðèçàöèÿ ïðè âîçáóæäåíèè, êîòîðàÿ ñ áîëüøîé âåðîÿòíîñòüþ ïðîòåêàåò çà ôåìòîñåêóíäíûé èíòåðâàë.

Ïðîâåäåííûå ðàñ÷åòû ïîêàçàëè, ÷òî äëÿ ïëîñêîãî òðàíñ-ñòèëüáåíà ïðè âîçáóæäåíèè ôðàíê-êîíäîíîâñêèé ïåðåõîä â S*1 ñîñòîÿíèå ñîïðîâîæäàåòñÿ èçìåíåíèåì ãåîìåòðèè ìîëåêóëû. Çàñå-ëåííîñòü äâîéíîé ñâÿçè ïðè âîçáóæäåíèè óìåíüøàåòñÿ, ÷òî ïðèâîäèò ê åå óäëèíåíèþ è âðàùå-íèþ ôåíîëüíûõ êîëåö (ôîòîèçîìåðèçàöèè). Òàêîå èçìåíåíèå äëèí ñâÿçåé è ïîâîðîòû ôåíèëüíûõ êîëåö â ñòðóêòóðå ìîëåêóëû ïðèâîäÿò ê çíà÷èòåëüíîìó áàòîõðîìíîìó ñäâèãó ïåðâîãî èíòåíñèâ-íîãî ππ* ïåðåõîäà è ïðåîáëàäàíèþ èíòåðêîìáèíàöèîííîé êîíâåðñèè (kST ∼ 1010 ñ–1) íàä îñòàëü-íûìè ôîòîïðîöåññàìè, ÷òî ÿâëÿåòñÿ ïðè÷èíîé íèçêîãî êâàíòîâîãî âûõîäà ôëóîðåñöåíöèè è ñëà-áîé ãåíåðàöèè. Ïîýòîìó ñòèëüáåí íå ïðèãîäåí äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ â êà÷åñòâå ëàçåðíî-àêòèâíîé ñðåäû.

Îäíàêî íà ôîòîèçîìåðèçàöèþ è èíòåðêîìáèíàöèîííóþ êîíâåðñèþ â òðàíñ-ñòèëüáåíå ìîæíî ýôôåêòèâíî ïîâëèÿòü ââåäåíèåì çàìåñòèòåëåé ðàçëè÷íîé ãåîìåòðèè è ïðèðîäû, âîçäåéñòâóÿ íà ðàñïðåäåëåíèå ïëîòíîñòè çàðÿäà â ìîëåêóëå.  ýòîì ñëó÷àå ðÿä çàìåùåííûõ ñòèëüáåíà îáëàäàåò õîðîøèìè ëþìèíåñöåíòíûìè è ãåíåðàöèîííûìè õàðàêòåðèñòèêàìè è èõ ìîæíî èñïîëüçîâàòü êàê ëàçåðíî-àêòèâíûå ñðåäû â ñèíå-çåëåíîì äèàïàçîíå äëèí âîëí.

Ò à á ë è ö à 1

Ñïåêòðàëüíî-ëþìèíåñöåíòíûå è ãåíåðàöèîííûå ñâîéñòâà èññëåäóåìûé ñîåäèíåíèé

Ñòðóêòóðà λïîãë, íì

ε, ë/(ìîëü·ñì)

λôë, íì

ϕôë, îòí.åä

λãåí, íì η, %

ν, ñì–1

Òðàíñ-ñòèëüáåí (Ò-ñò)

308 25800 348 0,05 349 4 3200

Äèñòèðèëáåíçîë (ÄÑÁ)

357 59000 413,5 0,78 414 32 4000

Áðîìçàìåùåííûå ÄÑÁ

Br Br

I

362 24000 399 Íå ãå-íåðèð.

– 3800

Br Br

H3C II

355 51500 430 430 23

Br Br

III

410 19500 580 Íå ãå-íåðèð.

 ÷àñòíîñòè, ââåäåíèå åùå îäíîé ýòèëåíîâîé ñâÿçè ñ ôåíèëüíûì êîëüöîì (ñòåðèëüíûé ðàäèêàë –ÑÍ = ÑÍ–Ðh) â ïàðà-ïîëîæåíèå òðàíñ-ñòèëüáåíà (ìîëåêóëà 1,4-äèñòèðèëáåíçîëà) ïðèâîäèò ê çíà÷èòåëüíîìó óëó÷øåíèþ ëþìèíåñöåíòíûõ è ãåíåðàöèîííûõ ñâîéñòâ ìîëåêóëû (êâàíòîâûé âû-õîä ëþìèíåñöåíöèè óâåëè÷èëñÿ äî 0,78, à ÊÏÄ ãåíåðàöèè – 32%). Ðàñ÷åò çàñåëåííîñòè è äëèí ñâÿçåé äëÿ ÄÑÁ â îñíîâíîì è âîçáóæäåííîì S1* ñîñòîÿíèÿõ óêàçûâàåò íà ñëàáîå èçìåíåíèå äëè-íû ýòèëåíîâîé ñâÿçè ïðè âîçáóæäåíèè íà íåñêîëüêî ñîòûõ àíãñòðåìà. Ïîýòîìó ïðåèìóùåñò- âåííî ìîëåêóëû ÄÑÁ íàõîäÿòñÿ â òðàíñ-êîíôîðìàöèÿõ è âîçáóæäåíèå ìîëåêóë ïðàêòè÷åñêè íå

Page 66: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

66

ïðèâîäèò ê ôîòîèçîìåðèçàöèè. Â òàáë. 2 ïðèâåäåíû äëÿ ñðàâíåíèÿ ñïåêòðàëüíî-ëþìèíåñöåíòíûå õàðàêòåðèñòèêè è äëèíû ñâÿçåé òðàíñ-ñòèëüáåíà è ÄÑÁ â îñíîâíîì è âîçáóæäåííîì ñîñòîÿíèÿõ.

Ò à á ë è ö à 2

Ñïåêòðàëüíî-ëþìèíåñöåíòíûå õàðàêòåðèñòèêè ìîëåêóë, ðàññ÷èòàííûå ìåòîäîì ×ÏÄÏ/Ñ

Ôðàíê-êîíäîíîâñêîå ñîñòîÿíèå (ÔÊ) Ôëóîðåñöåíòíîå S1* ñîñòîÿíèå (ÔÑ)

Sn

λ ïîãë,

íì

f k, ñ–1 l, À λ ôë,

íì

f k, ñ–1 l, À

1 π

π*

292

1,2

1

334

1,3

7

2 π

π*

276

0,0

3

288

0,0

2

Ò-ñ

ò

3 π

π*

277

0,0

4

kr ∼ 109 kic ∼ 104

kisc ∼ 7 ⋅ 108

l (–Ñ=Ñ–) = 1,344 l (–Ñ–Ñ=Ñ) = 1,453

287

0,0

1

kr ∼ 8 · 108 kic ∼ 3 · 105 kisc ∼ 1010

l (–Ñ=Ñ–) = 1,421 l (–Ñ–Ñ=Ñ) =1,412

1 π

π*

332

2,2

0

373

2,2

9

2 π

π*

292

0,0

2

302

0,0

2

ÄÑ

Á

3 π

π*

277

0,0

1

kr ∼ 109 kic ∼ 105 kisc ∼ 109

l (–Ñ=Ñ–) = 1,344 l (–Ñ–Ñ=Ñ) = 1,451

283

0,0

1

kr ∼ 2 · 109 kic ∼ 105 kisc ∼ 109

l (–Ñ=Ñ–) = 1,385 l (–Ñ–Ñ=Ñ) =1,432

Ï ð è ì å ÷ à í è å . f – ñèëà îñöèëëÿòîðà; k – êîíñòàíòû ôîòîïðîöåññîâ; l – äëèíû ñâÿçåé; ÔÊ – ñî-ñòîÿíèå ïîñëå ôðàíê-êîíäîíîâñêîãî ïåðåõîäà áåç èçìåíåíèÿ ãåîìåòðèè ìîëåêóëû; ÔÑ – S1* ñîñòîÿíèå ñ èçìåíåíèåì äëèí ñâÿçåé ïîñëå ðåëàêñàöèè ìîëåêóëû èç ÔÊ.

Êàê è â òðàíñ-ñòèëüáåíå, â ìîëåêóëå ÄÑÁ èíòåíñèâíûé ìàêñèìóì â ñïåêòðå ïîãëîùåíèÿ è ôëóîðåñöåíöèè ôîðìèðóåò ππ* ïåðåõîä S0 → S1*, ïîëÿðèçîâàííûé âäîëü äëèííîé îñè ìîëåêóëû. Îäíàêî äëÿ ÄÑÁ íàáëþäàåòñÿ áàòîõðîìíîå ñìåùåíèå â ñïåêòðå, ñèëà îñöèëëÿòîðà èíòåíñèâíîãî ïåðåõîäà óâåëè÷èëàñü ïðàêòè÷åñêè âäâîå ïî ñðàâíåíèþ ñ òðàíñ-ñòèëüáåíîì. Ñîãëàñíî ðàñ÷åòó ðàäèàöèîííàÿ êîíñòàíòà ïðåîáëàäàåò íàä áåçûçëó÷àòåëüíûìè ôîòîïðîöåññàìè. Òàêèì îáðàçîì, èíãèáèðîâàíèå ôîòîèçîìåðèçàöèè ïðè âîçáóæäåíèè, âûñîêàÿ ñèëà îñöèëëÿòîðà ïåðâîãî ïåðåõîäà è ïðåîáëàäàíèå ðàäèàöèîííîé êîíñòàíòû ïðèâîäÿò ê âûñîêèì èçëó÷àòåëüíûì è ãåíåðàöèîííûì ñâîéñòâàì ÄÑÁ, ÷òî äåëàåò äàííîå ñîåäèíåíèå ïåðñïåêòèâíûì äëÿ èñïîëüçîâàíèÿ â êà÷åñòâå ëà-çåðíî-àêòèâíîé ñðåäû.

Ãåîìåòðèÿ ìîëåêóë I è II ïëîñêàÿ ñîãëàñíî îïòèìèçàöèè ïîëóýìïèðè÷åñêèìè ìåòîäàìè ÀÌ1 è ÐÌ3.  ñëó÷àå ìîëåêóëû III âîçíèêàþùèå ñòåðè÷åñêèå ïðåïÿòñòâèÿ ïðèâîäÿò ê îòòàëêèâàíèþ àòîìîâ âîäîðîäà ýòèëåíîâûõ ñâÿçåé è ôåíèëüíûõ êîëåö àíòðàöåíîâîãî ÿäðà, ìîëåêóëà èìååò ñòå-ðè÷åñêóþ òðàíñ-êîíôîðìàöèþ ñ óãëàìè ïîâîðîòà ∼ 60°.

Àòîìû áðîìà â êà÷åñòâå çàìåñòèòåëåé â ñòðóêòóðå ìîëåêóë I è III ïðèâîäÿò ê çàêîíîìåðíîìó óâåëè÷åíèþ èíòåðêîìáèíàöèîííîé êîíâåðñèè äî ∼ 1010 ñ–1, ÷òî ÿâëÿåòñÿ ïðè÷èíîé îòñóòñòâèÿ ëþìèíåñöåíöèè è ãåíåðàöèè ñîåäèíåíèé. Êðîìå òîãî, â ñòåðè÷åñêîé ìîëåêóëå III ïðîèñõîäÿò ñìåøèâàíèå ïðèðîäû ñèíãëåòíûõ è òðèïëåòíûõ óðîâíåé, ïàäåíèå âåëè÷èíû ñèëû îñöèëëÿòîðà è ðàäèàöèîííîé êîíñòàíòû.

Îäíàêî äîïîëíèòåëüíîå ââåäåíèå ìåòèëüíîé ãðóïïû â áðîìçàìåùåííóþ ìîëåêóëó II âëèÿåò íà ðàñïðåäåëåíèå ýëåêòðîííîé ïëîòíîñòè â ìîëåêóëå. Ðàäèàöèîííàÿ êîíñòàíòà è êîíñòàíòà èíòåðêîìáèíàöèîííîé êîíâåðñèè êîíêóðèðóþò ìåæäó ñîáîé (òàáë. 3), è ïðè âîçáóæäåíèè ýêñèìåðíûì ëàçåðîì (308 íì) íàáëþäàåòñÿ ãåíåðàöèÿ ýòîãî ñîåäèíåíèÿ ñ ÊÏÄ ∼ 23%.

Page 67: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

67

Ò à á ë è ö à 3

Ðàññ÷èòàííûå ñïåêòðàëüíî-ëþìèíåñöåíòíûå õàðàêòåðèñòèêè áðîìçàìåùåííûõ ÄÑÁ

Ñîåäèíåíèå Sn λïîãë, íì f k, ñ–1

1 ππ* 337 2,25

2 ππ* 292 0,01 I

3 ππ* 284 0,02

kr ∼ 109 kic ∼ 105 kisc ∼ 1010

1 ππ* 334 2,31

2 ππ* 291 0,02 II

3 ππ* 283 0,03

kr ∼ 1,4 · 109 kic ∼ 105

kisc ∼ 2 · 109

1 ππ* 385 1,12

2 ππ* +πσ*

338 0,03 III

3 ππ* 300 0,02

kr ∼ 5 · 108 kic ∼ 105 kisc ∼ 1010

Òàêèì îáðàçîì, èç ïðîäåëàííîé ðàáîòû ìîæíî ñäåëàòü ñëåäóþùèå âûâîäû: – îñíîâíûìè êîíêóðèðóþùèìè ôîòîïðîöåññàìè â íåæåñòêîé ñòðóêòóðå ñòèëüáåíà è âñåõ åãî

çàìåùåííûõ ïðè âîçáóæäåíèè ñâåòîì áóäóò ðàäèàöèîííûé è áåçûçëó÷àòåëüíûå ôîòîïðîöåññû (ñèíãëåò-òðèïëåòíàÿ êîíâåðñèÿ è ïåðâè÷íàÿ ôîòîèçîìåðèçàöèÿ);

– ñîãëàñíî ðàñ÷åòàì ôîòîèçîìåðèçàöèÿ òðàíñ-ñòèëüáåíà ïðîèñõîäèò çà ñ÷åò óäëèíåíèÿ è îñëàá-ëåíèÿ äâîéíîé ñâÿçè, ÷òî îáëåã÷àåò âðàùåíèå ôåíèëüíûõ êîëåö. Ýòî ïðèâîäèò ê çíà÷èòåëüíîìó ñòîêñîâó ñäâèãó ∼ 4000 cì–1 è óâåëè÷åíèþ âåðîÿòíîñòè èíòåðêîìáèíàöèîííîé êîíâåðñèè äî 1010 ñ–1;

– ïî ñðàâíåíèþ ñ òðàíñ-ñòèëüáåíîì ïðîöåññ ôîòîèçîìåðèçàöèè â äèñòèðèëáåíçîëå è áðîìçà-ìåùåííûõ ìîëåêóëàõ íàèìåíåå âåðîÿòåí ñîãëàñíî ðàñ÷åòó çàñåëåííîñòåé ñâÿçåé. Ïîýòîìó êâàíòî-âûé âûõîä è ãåíåðàöèîííûå õàðàêòåðèñòèêè ÄÑÁ çíà÷èòåëüíî óëó÷øèëèñü (êâàíòîâûé âûõîä ôëóîðåñöåíöèè äëÿ ÄÑÁ ñîñòàâèë 0,78; ÊÏÄ ∼ 32%). Èçëó÷åíèå ïðåîáëàäàåò (kr ∼ 2 ⋅ 109 ñ–1) íàä îñòàëüíûìè ôîòîïðîöåññàìè;

– ââåäåíèå àòîìîâ áðîìà â ñòðóêòóðó ìîëåêóë I è III ïðèâîäèò ê ïðåîáëàäàíèþ ñèíãëåò-òðèïëåòíîé êîíâåðñèè è îòñóòñòâèþ ãåíåðàöèè ñîåäèíåíèé. Îäíàêî äîïîëíèòåëüíîå ââåäå-íèå ìåòèëüíîãî çàìåñòèòåëÿ â áðîìçàìåùåííóþ ìîëåêóëó II âëèÿåò íà ðàñïðåäåëåíèå ýëåê-òðîííîé ïëîòíîñòè â ìîëåêóëå. Ìîëåêóëà ëþìèíåñöèðóåò è ãåíåðèðóåò ñ ÊÏÄ ∼ 23%.

Ðàáîòà âûïîëíåíà ïðè ïîääåðæêå ãðàíòà ÐÔÔÈ ¹ 04-02-16515à.

ÎÏÐÅÄÅËÅÍÈÅ ÏÎÊÀÇÀÒÅËß ÏÐÅËÎÌËÅÍÈß ÍÅÏÎÃËÎÙÀÞÙÈÕ ÌÈÊÐÎ×ÀÑÒÈÖ ÏÐÎÈÇÂÎËÜÍÎÉ ÔÎÐÌÛ

ÃÎËÎÃÐÀÔÈ×ÅÑÊÈÌÈ ÌÅÒÎÄÀÌÈ

À.Â. Ìàêàðîâ

Òîìñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò, ã. Òîìñê, e-mail: [email protected]

Ââåäåíèå

Èíôîðìàöèÿ î ïîêàçàòåëå ïðåëîìëåíèÿ ìèêðî÷àñòèö ïîçâîëÿåò îïðåäåëèòü èõ ñîñòàâ, îïòè÷å-ñêèå ñâîéñòâà è ÿâëÿåòñÿ âîñòðåáîâàííîé âî ìíîãèõ îòðàñëÿõ íàóêè è òåõíèêè.  ðÿäå ðàáîò îòå-÷åñòâåííûõ è çàðóáåæíûõ àâòîðîâ [1–3] ïîêàçàíî, ÷òî ãîëîãðàôè÷åñêèå ìåòîäû ÿâëÿþòñÿ ìîù-íûì è óäîáíûì èíñòðóìåíòîì äëÿ èññëåäîâàíèÿ ìèêðîîáúåêòîâ â ðàçëè÷íûõ ñðåäàõ: ìèíèìàëü-íîå âîçìóùåíèå èññëåäóåìîãî àíñàìáëÿ ìèêðî÷àñòèö, âûñîêîå ðàçðåøåíèå è ãëóáèíà ñöåíû – îïðåäåëÿþò öåëåñîîáðàçíîñòü ïðèìåíåíèÿ ãîëîãðàôèè â çàäà÷àõ ðåãèñòðàöèè è àíàëèçà ìèêðî-îáúåêòîâ â ðàçëè÷íûõ ñðåäàõ.

Ïîñòàíîâêà çàäà÷è

Íà ñåãîäíÿøíèé äåíü ðàçðàáîòàíû è óñïåøíî ïðèìåíÿþòñÿ àëãîðèòìû äëÿ îïðåäåëåíèÿ ãåîìåòðè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ (ðàçìåðà è ôîðìû) ìèêðî÷àñòèö ïî èõ äåéñòâèòåëüíûì ãîëîãðàôè÷å-ñêèì èçîáðàæåíèÿì. Ñóùåñòâóþò ìåòîäû îïðåäåëåíèÿ îïòè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ ìèêðî÷àñòèö ïðàâèëüíîé ôîðìû (ñôåðè÷åñêîé, öèëèíäðè÷åñêîé, ýëëèïòè÷åñêîé è ò.ä.) [3].  äàííîé ðàáîòå

Page 68: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

68

ðàññìàòðèâàåòñÿ ìåòîä îïðåäåëåíèÿ ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ íåïîãëîùàþùèõ ìèêðîîáúåêòîâ ïðîèçâîëüíîé ôîðìû ãîëîãðàôè÷åñêèì ìåòîäîì.

Òåîðåòè÷åñêèå ðàñ÷åòû ïîêàçàëè, ÷òî ïðè ïðîõîæäåíèè ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ ñ äëèíîé âîëíû 0,63 ìêì ÷åðåç ìèêðî÷àñòèöó âîäû äèàìåòðîì 50 ìêì, ðàñïîëîæåííóþ â âîçäóõå, èçìåíåíèå èí-òåíñèâíîñòè, ñâÿçàííîå ñ ïîãëîùåíèåì â ìèêðîîáúåêòå ïðè ïðîõîæäåíèè ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ, ñîñòàâëÿåò 0,0032% îò îáùåãî îñëàáëåíèÿ èíòåíñèâíîñòè 3,8932%. Ïîýòîìó â äàííîì ñëó÷àå ïî-ãëîùåíèåì âíóòðè ìèêðî÷àñòèöû ìîæíî ïðåíåáðå÷ü. Êðîìå òîãî, áóäåì ðàññìàòðèâàòü íåðàññåè-âàþùèå ÷àñòèöû.

Ðåøåíèå çàäà÷è

Ìåòîä îïðåäåëåíèÿ ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ n2 íåïîãëîùàþùèõ ìèêðî÷àñòèö îñíîâàí íà ïðèíöèïàõ ãåîìåòðè÷åñêîé îïòèêè (ðèñóíîê). Èçâåñòíûìè ïàðàìåòðàìè ÿâëÿþòñÿ îïðåäåëÿåìûå èç ýêñïåðèìåíòà ôîðìà ÷àñòèöû, óãîë ïàäåíèÿ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ íà ÷àñòèöó. Ïåðåä òåì êàê ïåðåéòè íåïîñðåäñòâåííî ê àëãîðèòìó, íåîáõîäèìî îöåíèòü âîçìîæíûå óãëû âûõîäà ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ èç ìèêðî÷àñòèöû. Äëÿ ýòîé öåëè íà ÿçûêå Borland Delphi 6 áûëà íàïèñàíà ïðîãðàììà, êîòîðàÿ ðàññ÷èòûâàåò óãîë, íà êîòîðûé îòêëîíèòñÿ ëàçåðíûé ëó÷ ïîñëå âûõîäà èç ìèêðîîáúåêòà, îòíîñèòåëüíî ñâîåãî ïåðâîíà÷àëüíîãî íàïðàâëåíèÿ (ðàññìàòðèâàëèñü òîëüêî îäíîðîäíûå ÷àñòèöû âûïóêëîé ôîðìû, ïîäîáíûå òîé, êîòîðàÿ ïðèâåäåíà íà ðèñóíêå). Âõîäíûìè ïàðàìåòðàìè ÿâëÿ-þòñÿ: ïîêàçàòåëè ïðåëîìëåíèÿ äâóõ ñðåä è óãëû ïàäåíèÿ ëó÷à îòíîñèòåëüíî íîðìàëè ê ïîâåðõíî-ñòÿì ÷àñòèöû. Òàêèì îáðàçîì, áûëè îöåíåíû âåëè÷èíû óãëîâ âèäà Q5 (ñì. ðèñóíîê). Ïðè n2 > n1 áîëüøàÿ èõ ÷àñòü íàõîäèòñÿ â äèàïàçîíå îò 0 äî 60°.

Îòêëîíåíèå ëàçåðíîãî ëó÷à ìèêðî÷àñòèöåé ïðîèçâîëüíîé ôîðìû

Íà ñëåäóþùåì ýòàïå íåîáõîäèìî, çíàÿ óãîë ïàäåíèÿ èçëó÷åíèÿ íà ÷àñòèöó è åå ôîðìó, îïðå-äåëèòü óãîë Q4. Ýòî ìîæíî ñäåëàòü íåñêîëüêèìè ñïîñîáàìè, ïîýòîìó ïîêàæåì ëèøü îäèí.

 ýêñïåðèìåíòå, â îáëàñòè çà äåéñòâèòåëüíûì ãîëîãðàôè÷åñêèì èçîáðàæåíèåì èññëåäóåìîãî ìèêðîîáúåêòà, óñòàíîâèì ëèíçó ñ èçâåñòíûìè ïàðàìåòðàìè: ôîêàëüíîé ïëîñêîñòüþ f, ãëàâíûìè ïëîñêîñòÿìè è èçâåñòíûìè çíà÷åíèÿìè âíîñèìûõ àáåððàöèé (ñì. ðèñóíîê). Äëÿ ïðîñòîòû îãðàíè-÷èìñÿ äâóìåðíûì ñëó÷àåì è óñòàíîâêîé òîíêîé ëèíçû. Çàäàäèì ñèñòåìó êîîðäèíàò YZ òàêèì îá-ðàçîì, ÷òî ëó÷åâîé âåêòîð S ↑↑ ÎZ, à îïòè÷åñêàÿ îñü ëèíçû ñîâïàäàåò ñ OZ. Çà ôîêàëüíîé ïëîñ-êîñòüþ ëèíçû ôîðìèðóåòñÿ èçîáðàæåíèå èññëåäóåìîé ÷àñòèöû, íàñòðîèâ íà êîòîðîå èçìåðèòåëü-íûé ïðèáîð âûáåðåì ïðîèçâîëüíûì îáðàçîì òî÷êó B′(yB′, zB′). Ïåðåäâèíåì èçìåðèòåëüíûé ïðèáîð ïî ëó÷ó òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû èçîáðàæåíèå íåìíîãî ðàñôîêóñèðîâàëîñü, íî ôðàãìåíò ñ òî÷êîé B′ âñå åùå ìîæíî ðàñïîçíàòü.  ïëîñêîñòè íàáëþäåíèÿ ïîëó÷èì íåìíîãî ðàñôîêó- ñèðîâàííîå èçîáðàæåíèå ôðàãìåíòà ñ òî÷êîé B″(yB″, zB″), ñîîòâåòñòâóþùåé òî÷êå B′ â ïðåäûäó-ùåé ïëîñêîñòè.  ñëó÷àå íåðàññåèâàþùåé ÷àñòèöû ýòè äâå òî÷êè îïòè÷åñêàÿ ñèñòåìà ìîæåò

Page 69: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

69

ñôîðìèðîâàòü ëèøü åäèíñòâåííûì îáðàçîì: ñîåäèíÿåì èõ ïðÿìîé B′B″, îòìåòèì òî÷êó D(yD, zD) êàê òî÷êó ïåðåñå÷åíèÿ B′B″ ñ ôîêàëüíîé ïëîñêîñòüþ f è òî÷êó Ñ(yÑ, zÑ) êàê òî÷êó ïåðåñå÷åíèÿ B′D ñ ãëàâíîé ïëîñêîñòüþ ëèíçû. Ïðèíèìàÿ âî âíèìàíèå òî ñâîéñòâî ëèíçû, ÷òî ïàðàëëåëüíûå ëó÷è ñîáèðàþòñÿ çà íåé â ôîêàëüíîé ïëîñêîñòè, ÷åðåç öåíòð ëèíçû ïðîâåäåì âñïîìîãàòåëüíûé ëó÷ DE, ïàðàëëåëüíî êîòîðîìó èç òî÷êè Ñ ïðîâåäåì ïðÿìóþ äî ïåðåñå÷åíèÿ ñ ãðàíèöåé èññëå-äóåìîãî îáúåêòà. Òàêèì îáðàçîì, ñ ó÷åòîì ïðèíöèïà îáðàòèìîñòè ëîìàíàÿ BCB′ ÿâëÿåòñÿ òðàåê-òîðèåé ïðåëîìëåííîãî ëèíçîé ëó÷à BÑ, âûøåäøåãî èç èññëåäóåìîãî îáúåêòà. Çíàÿ ôîðìó ñå÷å-íèÿ ÷àñòèöû, îïðåäåëÿåì íîðìàëü n1 è óãîë Q4, ïîä êîòîðûì BÑ âûõîäèò èç ÷àñòèöû.

Çíàÿ óãîë ïàäåíèÿ Q1 ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ íà èññëåäóåìûé îáúåêò, óãîë Q4 è n1, ïîäñòàâëÿÿ ðàçëè÷íûå çíà÷åíèÿ ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ n2 â çàêîí ïðåëîìëåíèÿ Ñíåëëèóñà ñíà÷àëà äëÿ îäíîé ãðàíèöû ðàçäåëà ñðåä, à ïîòîì – äëÿ äðóãîé, âîññòàíàâëèâàåì õîä ëó÷à ÷åðåç ìèêðîîáú-åêò. Êîãäà ðàñ÷åòíûé óãîë Q1 ñîâïàäåò ñ çàäàííûì, ïðåêðàùàåì ïåðåáîð, è òî çíà÷åíèå n2, ïðè êîòîðîì ýòî óñëîâèå âûïîëíÿåòñÿ, è áóäåò èñêîìûì ïîêàçàòåëåì ïðåëîìëåíèÿ èññëåäóåìîãî ìèê-ðîîáúåêòà.

 çàêëþ÷åíèå ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî äëÿ ïîâûøåíèÿ òî÷íîñòè îïðåäåëåíèÿ n2 ïðåäëîæåííûé àëãîðèòì ñëåäóåò ïîâòîðèòü íåñêîëüêî ðàç, âûáðàâ âìåñòî B â êà÷åñòâå èñõîäíîé ëþáóþ äðóãóþ óäîáíóþ òî÷êó â ãîëîãðàôè÷åñêîì èçîáðàæåíèè èññëåäóåìîé ìèêðî÷àñòèöû.

Ëèòåðàòóðà

1. Nebrensky J.J., Craig G., Foresti G.L., Gentili S., Hobson P.R., Nareid H., Pieroni G.G. and Wat-son J. A Particle Imaging and Analysis System for Underwater Holograms // Optical methods for data processing in fluid flow. 2002. Chap. 8. P. 79–91.

2. Äåìèí Â.Â., Ïîëîâöåâ È.Ã., Ìàêàðîâ À.Â., Ìàçóð Â.À., Òàðàñåíêî À.À., Êîâáàñþê Í.Í., Ìåëü-íèê Í.Ã. Ïîãðóæàåìàÿ ãîëîãðàôè÷åñêàÿ êàìåðà äëÿ èññëåäîâàíèÿ ìèêðî÷àñòèö: ïðîáëåìû è ðåøåíèÿ // Îïòèêà àòìîñôåðû è îêåàíà. 2003. Ò. 16. ¹ 9. Ñ. 846–855.

3. Dyomin Victor V. Holographic diagnostics of biological microparticles in liquid media // Atmospheric and Ocean Optics: Atmospheric Physics, G.A. Zherebbtsov, Gennadii G. Matvienko, Victor A. Banakh, Vladimir V. Koshelev. Proc. SPIE. 2002. V. 4678. P. 382–392.

ÌÅÒÎÄÛ ÖÈÔÐÎÂÎÉ ÃÎËÎÃÐÀÔÈÈ ÄËß ÐÅÃÈÑÒÐÀÖÈÈ ÌÈÊÐÎÎÁÚÅÊÒÎÂ

À.Ñ. Îëüøóêîâ, À.Â. Ìàêàðîâ, Â.À. Ìàçóð

Òîìñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò, ã. Òîìñê, e-mail: [email protected]

Ââåäåíèå

 ñîâðåìåííîé íàóêå äîñòàòî÷íî àêòóàëåí âîïðîñ èçó÷åíèÿ ìèêðîîáúåêòîâ. Ýòî ìîãóò áûòü ïëàíêòîí èëè îñåäàþùèå ÷àñòèöû â îêåàíå, àýðîçîëè è ò.ï. Äëÿ ýòèõ öåëåé ìîæåò ñëóæèòü ãîëî-ãðàôèÿ. Ïî ñðàâíåíèþ ñ äðóãèìè ìåòîäàìè ãîëîãðàôèÿ èìååò ðÿä ïðåèìóùåñòâ, òàêèõ êàê: ðåãè-ñòðàöèÿ âñåãî îáúåìà ñðåäû ñ ïîñëåäóþùèì âîññòàíîâëåíèåì, áåñêîíòàêòíîñòü, îòñóòñòâèå íåîá-õîäèìîñòè â ïðåäâàðèòåëüíîé èíôîðìàöèè îá èññëåäóåìîì àíñàìáëå, î ïðèðîäå îáðàçîâàíèÿ è õèìè÷åñêîì ñîñòàâå ìèêðî÷àñòèö.

 íàñòîÿùåå âðåìÿ ñòàëî âîçìîæíûì ïðèìåíåíèå öèôðîâûõ ìåòîäîâ äëÿ ïðèåìà è îáðàáîòêè îïòè÷åñêèõ ñèãíàëîâ âî ìíîãèõ îáëàñòÿõ íàóêè, â òîì ÷èñëå è ãîëîãðàôèè. Ðå÷ü èäåò î çàìåíå ðåãèñòðèðóþùåãî óñòðîéñòâà (ôîòîïëàñòèíû â êëàññè÷åñêîé ãîëîãðàôèè) íà ÏÇÑ-ìàòðèöó â öèôðîâîé ãîëîãðàôèè.

Ïðèìåíåíèå ìåòîäîâ öèôðîâîé ãîëîãðàôèè äåëàåò ïðîöåññ ãîëîãðàôèðîâàíèÿ áîëåå áûñòðûì è óäîáíûì. Ïî ñðàâíåíèþ ñ «êëàññè÷åñêîé» ãîëîãðàôèåé â öèôðîâîé îòñóòñòâóåò ýòàï õèìè÷å-ñêîé ôîòîîáðàáîòêè ãîëîãðàìì. Óæå íà ýòàïå çàïèñè èíôîðìàöèÿ ïåðåâîäèòñÿ â öèôðîâîé ôîð-ìàò, ÷òî óïðîùàåò ïîñëåäóþùóþ ðàáîòó ñ íåé. Êðîìå ýòîãî ðåãèñòðàöèÿ ãîëîãðàììû íà ÏÇÑ-ìàòðèöó ïîçâîëÿåò çàïèñûâàòü ãîëîãðàôè÷åñêèå ôèëüìû. Êàæäûé êàäð ýòîãî ôèëüìà ñîäåðæèò èíôîðìàöèþ îáî âñåì îáúåìå, ÷òî äàåò âîçìîæíîñòü èññëåäîâàòü äàííûé îáúåì â äèíàìèêå.

Îäíàêî íàðÿäó ñ ïåðå÷èñëåííûìè ïðåèìóùåñòâàìè öèôðîâîé ãîëîãðàôèè ñóùåñòâóåò ðÿä îã-ðàíè÷åíèé. Îñíîâíûì ÿâëÿåòñÿ ðàçðåøàþùàÿ ñïîñîáíîñòü ÏÇÑ-ìàòðèö. Îíà åùå ïîêà íå ïîçâî-ëÿåò ðåãèñòðèðîâàòü èíòåðôåðîãðàììû ñ âûñîêèìè ïðîñòðàíñòâåííûìè ÷àñòîòàìè, íî èçîáðàæå-íèÿ ïðîñòûõ îáúåêòîâ óñïåøíî ðåêîíñòðóèðóþòñÿ ÷èñëåííî ñ ïîìîùüþ êîìïüþòåðà.

Page 70: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

70

Îöåíêè öèôðîâîé ãîëîãðàôèè

Ðàññìîòðèì óñëîâèÿ, ïðè êîòîðûõ âîçìîæíû çàïèñü è âîññòàíîâëåíèå öèôðîâûõ ãîëîãðàìì. Îñíîâíûìè õàðàêòåðèñòèêàìè, îòâå÷àþùèìè çà êà÷åñòâî âîññòàíîâëåííîãî èçîáðàæåíèÿ ïðè èñ-ïîëüçîâàíèè ãîëîãðàôè÷åñêèõ ìåòîäîâ, ÿâëÿþòñÿ: ðàçðåøåíèå (ìèíèìàëüíûé ðàçìåð îáúåêòà, èíôîðìàöèþ î êîòîðîì ìîæíî çàïèñàòü); ãëóáèíà ñöåíû (ìàêñèìàëüíîå ðàññòîÿíèå îò îáúåêòà äî ÏÇÑ-ìàòðèöû).

Äëÿ îöåíêè ýòèõ õàðàêòåðèñòèê áóäåì ðàññìàòðèâàòü êðóãëóþ íåïðîçðà÷íóþ ÷àñòèöó â êà÷å-ñòâå îáúåêòà ãîëîãðàôèðîâàíèÿ. Ðàñïðåäåëåíèå èíòåíñèâíîñòè çà ÷àñòèöåé â äàëüíåé çîíå ïðåä-ñòàâëÿåòñÿ êàê ôóíêöèÿ [2J1(x)/x]2 [1], ïðîìîäóëèðîâàííàÿ ôóíêöèåé òèïà sin(x) (ãäå x = (kaR0)/z – R0 – ðàññòîÿíèå îò îïòè÷åñêîé îñè äî òåêóùåé òî÷êè â ïëîñêîñòè ÏÇÑ-ìàòðèöû; k – âîëíîâîå ÷èñëî; à – ðàçìåð ÷àñòèöû) (ðèñ. 1).  ðÿäå ðàáîò ââåäåí êðèòåðèé, ÷òî äëÿ ðåãè-ñòðàöèè èíôîðìàöèè î ôîðìå ÷àñòèöû íåîáõîäèìî, ïîìèìî öåíòðàëüíîãî ìàêñèìóìà, çàôèêñèðî-âàòü åùå 3 áîêîâûõ ìàêñèìóìà äèôðàêöèîííîé êàðòèíû [2].

Ðèñ. 1. Öåíòðàëüíûé è òðè áîêîâûõ ìàêñèìóìà äèôðàêöèîííîé êàðòèíû â äàëüíåé îáëàñòè îò êðóãëîé íåïðîçðà÷íîé ÷àñòèöû

Òîãäà ìèíèìàëüíûé ïðîñòðàíñòâåííûé ïåðèîä èíòåðôåðåíöèîííîé êàðòèíû â ñîîòâåòñòâóþ-ùåé òî÷êå ðàâåí a/2, îòêóäà ñëåäóåò, ÷òî ðàçìåð ïèêñåëÿ äîëæåí áûòü íå áîëåå ÷åì r = a/2. Íî ñ ó÷åòîì òåîðåìû Êîòåëüíèêîâà ýòîò êðèòåðèé íåîáõîäèìî óìåíüøèòü âäâîå. Êðîìå òîãî, äëÿ ïîëó÷åíèÿ õîðîøåãî êîíòðàñòà çàðåãèñòðèðîâàííûõ ïîëîñ òðåáîâàíèÿ ê ðàçðåøåíèþ îáû÷íî äî-ïîëíèòåëüíî óäâàèâàþò. Ïîýòîìó îêîí÷àòåëüíûì êðèòåðèåì ðàçðåøåíèÿ ÏÇÑ-ìàòðèöû ñëóæèò âåëè÷èíà r = a/8, ò.å. ìèíèìàëüíûé ðàçìåð îáúåêòà ðàâíÿåòñÿ a = 8r.  íàøåì ýêñïåðèìåíòå èñ-ïîëüçîâàëàñü ÏÇÑ-ìàòðèöà ñ ðàçìåðîì ïèêñåëÿ 9,6 ìêì. Çíà÷èò, ðàçìåð îáúåêòà, êîòîðûé ìîæíî çàïèñàòü, äîëæåí áûòü áîëüøå 76,8 ìêì. Ñòîèò îòìåòèòü, ÷òî â r âõîäèò íå òîëüêî ðàçìåð ïèêñå-ëÿ, íî è ðàññòîÿíèå ìåæäó ïèêñåëÿìè.

Âûøåóïîìÿíóòîå òðåáîâàíèå î íåîáõîäèìîñòè ðåãèñòðàöèè 3 áîêîâûõ ìàêñèìóìîâ äèôðàêöè-îííîé êàðòèíû ïîçâîëÿåò îöåíèòü íåîáõîäèìûé ðàçìåð ÏÇÑ-ìàòðèöû: R0 = 2λz/a, ãäå R0 – ðàç-ìåð ìàòðèöû; λ – äëèíà âîëíû; z – ðàññòîÿíèå îò ÏÇÑ-ìàòðèöû äî ÷àñòèöû. Îòñþäà ñëåäóåò, ÷òî ìàêñèìàëüíîå ðàññòîÿíèå (ãëóáèíà ñöåíû) z = R0 a/(2λ). Òàêèì îáðàçîì, ðàçìåð ìàòðèöû íàêëàäûâàåò îãðàíè÷åíèå íà ðàññòîÿíèå ìåæäó ãîëîãðàììîé è ÷àñòèöåé, ò.å. íà ãëóáèíó ðåãèñò-ðèðóåìîé ñöåíû.

Òàê, íàïðèìåð, åñëè ìû èñïîëüçóåì ëàçåð ñ äëèíîé âîëíû λ = 0,63 ìêì, ðåãèñòðèðóåì ÷àñòè-öó ðàçìåðîì à = 500 ìêì, ÏÇÑ-ìàòðèöó ðàçìåðîì R0 = 3,6 ìì, òî ðàñ÷åòíàÿ ãëóáèíà ñöåíû z áó-äåò ñîñòàâëÿòü îêîëî 1,4 ì. Äàííûé ðàñ÷åò ïðèâåäåí äëÿ ÷àñòèöû, íàõîäÿùåéñÿ íà îïòè÷åñêîé îñè. Äëÿ ÷àñòèö, íå ðàñïîëîæåííûõ íà îñè, ãëóáèíà ñöåíû óìåíüøàåòñÿ.

Àëãîðèòì çàïèñè öèôðîâûõ ãîëîãðàìì

Ðàññìîòðèì àëãîðèòì ðåãèñòðàöèè ãîëîãðàììû ïî îñåâîé ñõåìå, êîãäà íà ÏÇÑ-ìàòðèöó ïîïà-äàþò äâå âîëíû, ðàñïðîñòðàíÿþùèåñÿ â îäíîì íàïðàâëåíèè (äèôðàãèðîâàâøàÿ è íå äèôðàãèðî-âàâøàÿ íà îáúåêòå).

1. Çàïèñàííûé ïðè ïîìîùè ÏÇÑ-ìàòðèöû äâóìåðíûé ìàññèâ ðàñïðåäåëåíèÿ èíòåíñèâíîñòè â ïëîñêîñòè ãîëîãðàììû (ÏÇÑ-ìàòðèöû) ïåðåäàåòñÿ â êîìïüþòåð.  ðåàëèçîâàííîì ñëó÷àå ìàññèâ çàïèñûâàåòñÿ â bmp-ôàéëå.

X

[2J1(x)/x]2

Page 71: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

71

2. Íà îñíîâå çàðåãèñòðèðîâàííîãî ðàñïðåäåëåíèÿ èíòåíñèâíîñòè ðàññ÷èòûâàåòñÿ ïðîïóñêàíèå ãîëîãðàììû.

3. ×èñëåííî ìîäåëèðóåòñÿ âîññòàíàâëèâàþùàÿ âîëíà, è ðàññ÷èòûâàåòñÿ ðàñïðåäåëåíèå ïîëÿ íåïîñðåäñòâåííî çà ãîëîãðàììîé.

4. Äàëåå ðàññ÷èòûâàåòñÿ äèôðàêöèîííûé èíòåãðàë Ôðåíåëÿ è íàõîäèòñÿ ðàñïðåäåëåíèå ïîëÿ â ïëîñêîñòè, ðàñïîëîæåííîé íà çàäàííîì ðàññòîÿíèè:

( ) ( ) ( )2 21 0 1 0( ) ( )

21 1 0 0 0 0

e, , e ,

ikikz x x y yz

S

u x y u x y dx dyi z

− + −=

λ ∫∫

ãäå λ – äëèíà âîëíû; k – âîëíîâîå ÷èñëî; U(x0, y0) – ðàñïðåäåëåíèå ïîëÿ íåïîñðåäñòâåííî çà ãîëîãðàììîé, U(x1, y1) – ðàñïðåäåëåíèå ïîëÿ â ïëîñêîñòè âîññòàíîâëåíèÿ; z – ðàññòîÿíèå, íà êîòîðîì ïðîèñõîäèò âîññòàíîâëåíèå.

Ìåíÿÿ z îêîëî òîãî çíà÷åíèÿ, íà êîòîðîì çàïèñûâàëàñü ãîëîãðàììà, ïîëó÷àåì íàáîð ïëîñêî-ñòåé, â êîòîðûõ ôîðìèðóþòñÿ ðàçëè÷íûå ñå÷åíèÿ âîññòàíîâëåííîãî èçîáðàæåíèÿ îáúåêòà.

Ýêñïåðèìåíòàëüíûå ðåçóëüòàòû

Äëÿ ýêñïåðèìåíòà íàìè áûëà âûáðàíà îñåâàÿ ñõåìà çàïèñè ãîëîãðàìì, òàê êàê îíà îáåñïå÷è-âàåò ìåíüøèå ïðîñòðàíñòâåííûå ÷àñòîòû [2] îòíîñèòåëüíî âíåîñåâîé ñõåìû. Èñïîëüçîâàâøàÿñÿ â ýêñïåðèìåíòå ÏÇÑ-ìàòðèöà «Sony SK-2005» (ðàçìåðû ìàòðèöû 4,8 × 3,6 ìì, ðàçìåð ïèêñåëÿ îêî-ëî 9,6 ìêì, ÷àñòîòà îáíîâëåíèÿ êàäðà 1/50 ñ) îáëàäàåò íåäîñòàòî÷íûì ðàçðåøåíèåì äëÿ çàïèñè âíåîñåâûõ ãîëîãðàìì.

Èçëó÷åíèå ëàçåðà 1 (ðèñ. 2) ïðîõîäèò êîëëèìàòîð 2, ãäå ðàñøèðÿåòñÿ äî äèàìåòðà 50 ìì. Äàëåå ðàñøèðåííûé ïó÷îê, ïðîõîäÿ ÷åðåç ñèñòåìó íàïðàâëÿþùèõ çåðêàë 3, ïàäàåò íà îáúåêò ãî-ëîãðàôèðîâàíèÿ. Îáðàçîâàííàÿ èíòåðôåðåíöèîííàÿ êàðòèíà çàïèñûâàåòñÿ íà ÏÇÑ-ìàòðèöó 6.

Äàëåå äâóìåðíûé ìàññèâ ïîñòóïàåò â ïàìÿòü ÝÂÌ (7) â âèäå ÂÌÐ-ôàéëà, à çàòåì ïî îïèñàí-íîìó âûøå àëãîðèòìó âîññòàíàâëèâàåòñÿ ðàñïðåäåëåíèå ïîëÿ îêîëî ðàññòîÿíèÿ, íà êîòîðîì íàõî-äèëñÿ îáúåêò íà ýòàïå çàïèñè.

 êà÷åñòâå îáúåêòîâ èñïîëüçîâàëèñü ïëîñêèå ìîäåëüíûå íåïðîçðà÷íûå ÷àñòèöû, íàíåñåííûå íà ñòåêëÿííóþ ïëàñòèíêó (ïðÿìîóãîëüíèêè, òðåóãîëüíèêè è ò.ï.). Ìèíèìàëüíûé ðàçìåð îáúåêòîâ (ñòîðîíà òðåóãîëüíèêà, êâàäðàòà, ìàëàÿ ñòîðîíà ïðÿìîóãîëüíèêà, äèàìåòð êðóãà) ñîñòàâëÿåò

100 ìêì.

Ðèñ. 2. Ñõåìà çàïèñè öèôðîâûõ ãîëîãðàìì: 1 – ëàçåð; 2 – êîëëèìàòîð; 3 – çåðêàëî; 4 – îáúåêòû; 5 – êþâåòà ñ âîäîé; 6 – ÏÇÑ-ìàòðèöà; 7 – ÝÂÌ

1 2

33

3

7

6 5 4

Page 72: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

72

Íà ðèñ. 3, à ïðåäñòàâëåíà èíòåðôåðåíöèîííàÿ êàðòèíà ñ ÏÇÑ-ìàòðèöû. Ðèñ. 3, á èëëþñòðè-ðóåò âîññòàíîâëåííûå îáúåêòû íà ðàññòîÿíèè «íàèëó÷øåãî èçîáðàæåíèÿ» (150 ìì).

à á

â ã

Ðèñ. 3. Èíòåðôåðåíöèîííàÿ êàðòèíà îò ìîäåëüíûõ îáúåêòîâ, çàïèñàííàÿ íà ðàññòîÿíèè 150 ìì îò ÏÇÑ-ìàòðèöû (à); âîññòàíîâëåííûå èçîáðàæåíèÿ íà ðàññòîÿíèè 150 ìì (á); âîññòàíîâëåííûå èçîáðàæåíèÿ íà ðàññòîÿíèè 145 ìì (â); âîññòàíîâëåííûå èçîáðàæåíèÿ íà ðàññòîÿíèè 155 ìì ( ã)

Êàê âèäíî èç ðèñ. 3, â (âîññòàíîâëåííîå èçîáðàæåíèå íà ðàññòîÿíèè 145 ìì), êîíòóð èçî-áðàæåíèÿ ïåðåä ïëîñêîñòüþ íàèëó÷øåãî èçîáðàæåíèÿ ðàñôîêóñèðîâàí, äàëåå êîíòóð èçîáðàæå-íèÿ ôîêóñèðóåòñÿ (ðèñ. 3, á), ïîñëå ïëîñêîñòè íàèëó÷øåãî èçîáðàæåíèÿ êîíòóð èçîáðàæåíèÿ îïÿòü ðàñôîêóñèðóåòñÿ (ðèñ. 3, ã). Ýòî èëëþñòðèðóåò èäåíòè÷íîñòü èçîáðàæåíèÿ, âîññòàíîâëåí-íîãî ñ öèôðîâîé è ôèçè÷åñêîé ãîëîãðàììû.

Çàêëþ÷åíèå

 äàííîé ðàáîòå ïðèâåäåíû îöåíêè âîçìîæíîñòåé öèôðîâîé ãîëîãðàôèè, â ÷àñòíîñòè ïàðà-ìåòðîâ, ïðè êîòîðûõ âîçìîæíà çàïèñü èíôîðìàöèè î ìèêðîîáúåêòàõ. Ñîáðàí ëàáîðàòîðíûé ñòåíä äëÿ îïðåäåëåíèÿ ðåàëüíûõ ïàðàìåòðîâ öèôðîâîé ãîëîãðàôèè. Ýêñïåðèìåíò ïîêàçàë, ÷òî ïðè èñ-ïîëüçîâàíèè äàííîãî ëàáîðàòîðíîãî ñòåíäà è ÏÇÑ-ìàòðèöû «Sony SK-2005» äëÿ çàïèñè öèôðî-âûõ ãîëîãðàìì ìèêðî÷àñòèö ñ ðàçìåðàìè îò 250 äî 800 ìêì îïòèìàëüíîé ãëóáèíîé ñöåíû ÿâëÿåò-ñÿ îáëàñòü 150–300 ìì îò ÏÇÑ-ìàòðèöû.

Ëèòåðàòóðà

1. Ñîêîëîâ Â.Â. Ôèçè÷åñêàÿ îïòèêà. Òîìñê: Èçä-âî ÒÃÓ, 1989. 202 ñ. 2. Glenn A. Tyler and Thompson B.J. Fraunhofer holography to particle size analysis // J. App. Theor.

Opt. 1976. P. 684–700.

Page 73: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

73

ÈÇÌÅÍÅÍÈÅ ËÀÇÅÐÍÎ-ÈÍÄÓÖÈÐÎÂÀÍÍÎÉ ÔËÓÎÐÅÑÖÅÍÖÈÈ ÕËÎÐÎÔÈËËÀ Â ÓÑËÎÂÈßÕ ÂÎÄÍÎÃÎ ÑÒÐÅÑÑÀ

Ë.À. Øóëüãèíà

Òîìñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò, 634050 Òîìñê, ïð. Ëåíèíà, 36 Òåë.: (3822) 413–976, ôàêñ: (3822) 415–585, e-mail: [email protected]

Í.Ë. Ôàòååâà

Èíñòèòóò îïòèêè àòìîñôåðû ÑÎ ÐÀÍ, 634055 Òîìñê, ïð. Àêàäåìè÷åñêèé, 1 Òåë.: (3822) 491–496, 413–976, ôàêñ: (3822) 491–895, 415–585, e-mail: [email protected]

Òîìñêàÿ îáëàñòü âõîäèò â ñîñòàâ Çàïàäíî-Ñèáèðñêîãî ýêîíîìè÷åñêîãî ðàéîíà, îäíîãî èç êðóïíåéøèõ ïî ïëîùàäè â Ðîññèè. Ïîêðûòàÿ ëåñîì ïëîùàäü çàíèìàåò 62% òåððèòîðèè Òîìñêîé îáëàñòè. Çà ïîñëåäíèå ãîäû îïàñíûõ ðàçìåðîâ íà òåððèòîðèè ëåñíîé çîíû â Çàïàäíî-Ñèáèðñêîì ðàéîíå äîñòèãëè ïðîöåññû ïåðåóâëàæíåíèÿ è çàáîëà÷èâàíèÿ. Ïðàêòè÷åñêè êàæäûé òðåòèé–÷åòâåðòûé ãåêòàð ïàøíè ïîäâåðæåí ýðîçèè. Ýðîçèÿ ÿâëÿåòñÿ îäíîé èç ãëàâíûõ ïðè÷èí äåãðàäà-öèè ïî÷â. Ïåðåóâëàæíåíèå ïî÷â ñîïðîâîæäàåòñÿ èçìåíåíèåì â ñîñòàâå ðàñòèòåëüíîñòè. Çàáîëà÷è-âàíèå óõóäøàåò ìíîãèå àãðàðíûå ñâîéñòâà ïî÷â è ïîíèæàåò ïðîèçâîäèòåëüíîñòü ëåñîâ, à òàêæå ïðèâîäèò ê îáðàçîâàíèþ çàáîëî÷åííûõ è áîëîòíûõ ïî÷â. Äðóãîé êðàéíîñòüþ ÿâëÿþòñÿ íåäîñòà-òîê âëàãè â ïî÷âå è, êàê ñëåäñòâèå, âûñûõàíèå ëåñíûõ íàñàæäåíèé. Îáðàçîâàíèå ñóõîñòîÿ – îäíà èç ïðè÷èí ïîæàðîâ â Ñèáèðñêîì ðåãèîíå. Ïî äàííûì Òîìñêîãî îáëàñòíîãî êîìèòåòà ãîññòàòèñòè-êè, åæåãîäíî ëåñíûìè ïîæàðàìè óíè÷òîæàåòñÿ 0,1–1,2% ðàñ÷åòíîé ëåñîñåêè. Òàêèì îáðàçîì, ïîæàðû ÿâëÿþòñÿ îäíèì èç îñíîâíûõ ôàêòîðîâ, âëèÿþùèì íà ñîñòîÿíèå äðåâåñíûõ ðåñóðñîâ. Ñ ó÷åòîì êîìïëåêñíîé, ìíîãîôóíêöèîíàëüíîé çíà÷èìîñòè ëåñîâ àêòóàëüíîé çàäà÷åé ÿâëÿåòñÿ îáåñïå÷åíèå ìîíèòîðèíãà ëåñíûõ ðåñóðñîâ.

Íàñòîÿùàÿ ðàáîòà ïîñâÿùåíà èññëåäîâàíèþ ôëóîðåñöåíòíûõ õàðàêòåðèñòèê õëîðîôèëëà ó ëèñòâåííûõ è õâîéíûõ äåðåâüåâ. Öåëÿìè äàííûõ èññëåäîâàíèé ÿâëÿëèñü äèàãíîñòèêà óâÿäàíèÿ äðåâåñíûõ ðàñòåíèé, ïîäâåðæåííûõ âîäíîìó ñòðåññó c èñïîëüçîâàíèåì ëàçåðíî-èíäóöèðîâàííîé ôëóîðåñöåíöèè õëîðîôèëëà, à òàêæå îöåíêà èíôîðìàöèîííîé çíà÷èìîñòè ôëóîðåñöåíòíûõ ñèã-íàëîâ íà äâóõ äëèíàõ âîëí.

Ðîñò ðàñòåíèÿ è åãî ðàçâèòèå îñíîâàíû íà ïîãëîùåíèè è òðàíñôîðìàöèè ýëåêòðîìàãíèòíîãî èçëó÷åíèÿ ñîëíöà õëîðîôèëëîì ðàñòåíèÿ. Ýôôåêòèâíîñòü ôîòîñèíòåçà çàâèñèò îò ïðèñóòñòâèÿ ñóùåñòâåííîãî êîëè÷åñòâà âîäû, ýëåìåíòîâ ìèíåðàëüíîãî ïèòàíèÿ, CO2 è ñâåòà. Ïîâðåæäåíèÿ ðàñòåíèÿ èç-çà çàãðÿçíåíèé, âîäíîãî äåôèöèòà èëè îáâîäíåíèÿ è äðóãèõ ñòðåññîâûõ óñëîâèé â ðåçóëüòàòå ïðèâîäÿò ê óìåíüøåíèþ ôîòîñèíòåçà. Åñëè ïîâðåæäåíèÿ ñåðüåçíûå, âèäèìûå ñèìïòî-ìû ïî÷òè ñðàçó ïîÿâëÿþòñÿ íà ëèñòüÿõ, ñòåáëÿõ èëè èãîëêàõ. Îäíàêî óìåíüøåíèå ýôôåêòèâíîñòè ôîòîñèíòåçà ìîæåò íå îòðàæàòüñÿ â âèäèìûõ ïðèçíàêàõ, íî â ðåçóëüòàòå óìåíüøàòü ïðîäóêòèâ-íîñòü ðàñòåíèÿ. Êîãäà ôîòîñèíòåç óìåíüøàåòñÿ áåç èçìåíåíèÿ ñîäåðæàíèÿ õëîðîôèëëà, ïîãëî-ùåííàÿ ýíåðãèÿ ìîæåò äèññèïèðîâàòü ïî àëüòåðíàòèâíûì ìåõàíèçìàì. Ôëóîðåñöåíöèÿ õëîðî-ôèëëà ÿâëÿåòñÿ îñíîâíûì èç ìåõàíèçìîâ èñïóñêàíèÿ èçáûòêà ýíåðãèè õëîðîôèëëà [1]. Ñïåêòðû ôëóîðåñöåíöèè çàâèñÿò îò îêðóæåíèÿ ìîëåêóë, ïîýòîìó ðåãèñòðàöèÿ è èçìåðåíèå òàêèõ ñïåêòðîâ äàþò èíôîðìàöèþ î ñâîéñòâàõ ìàêðîìîëåêóë è èõ âçàèìîäåéñòâèè ñ äðóãèìè ìîëåêóëàìè. Î÷å-âèäíî, ÷òî âåðîÿòíîñòü ïîòåðè ýíåðãèè âîçáóæäåíèÿ â âèäå ôëóîðåñöåíöèè, íà ðàçëè÷íûõ ñòàäè-ÿõ åå ïðåîáðàçîâàíèÿ, çàâèñèò îò ôóíêöèîíàëüíîé àêòèâíîñòè ñàìîé ôîòîñèíòåòè÷åñêîé ìåìáðà-íû è îò àêòèâíîñòè ïðîöåññîâ áèîñèíòåçà. Ïîýòîìó ôëóîðåñöåíöèÿ õëîðîôèëëà ìîæåò ñëóæèòü êðèòåðèåì â îöåíêå ýôôåêòîâ çàãðÿçíåíèÿ, äåôèöèòà âîäû è äðóãèõ ñòðåññîâûõ óñëîâèé ó ðàñòå-íèÿ. Ñëåäîâàòåëüíî, àíàëèç èçìåíåíèÿ ôëóîðåñöåíòíûõ õàðàêòåðèñòèê ìîæåò äàòü èí-ôîðìàöèþ î ôèçèîëîãè÷åñêîì ñîñòîÿíèè ðàñòåíèÿ è èñïîëüçîâàòüñÿ äëÿ îïðåäåëåíèÿ óñòîé÷èâî-ñòè ðàñòåíèÿ ê ðàçëè÷íûì ñòðåññîâûì ôàêòîðàì. Ìîæíî ïîëàãàòü, ÷òî ïîëíàÿ ðàñøèôðîâêà ýòîé èíôîðìàöèè îòêðîåò øèðîêèå âîçìîæíîñòè äëÿ èçó÷åíèÿ ìåõàíèçìîâ ðåãóëÿöèè ïåðâè÷íûõ ðå-àêöèé ôîòîñèíòåçà â öåëîì ïðè àäàïòàöèè åãî ê óñëîâèÿì ðîñòà, äëÿ êîíòðîëÿ ïîâðåæäåíèÿ è ôèêñèðîâàíèÿ óñòîé÷èâîñòè ðàñòåíèé ïðè äåéñòâèè ýêñòðåìàëüíûõ óñëîâèé ñðåäû. À òàêæå ïîçâîëèò ñîçäàòü ïðèáîðû äëÿ êîíòðîëÿ ôèçèîëîãè÷åñêîãî ñîñòîÿíèÿ ðàñòåíèé è äëÿ ñåëåêöèè ðàñòåíèé ïî ïàðàìåòðàì àêòèâíîñòè è óñòîé÷èâîñòè ôîòîñèíòåòè÷åñêîãî àïïàðàòà.

Èññëåäîâàíèÿ ïðîâîäèëèñü íà âåòêàõ èç ñðåäíåé ÷àñòè êðîíû, ñðåçàåìûõ ñ ïîñòîÿííûõ, ïðåäâàðèòåëüíî îòîáðàííûõ äåðåâüåâ, ñ ìàÿ ïî ñåíòÿáðü. Îáúåêòû èññëåäîâàíèÿ: êåäð è áåðåçà.

Page 74: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

74

Îáðàçöû ðàçìåùàëèñü â áàíêàõ ñ âîäîé íà ðàññòîÿíèè 70 ì îò ëàçåðíîãî ëîêàòîðà è ïîäâåðãàëèñü îáëó÷åíèþ â ñðåäíåì 2 ðàçà â íåäåëþ. Ïðè ýòîì íàáëþäàëèñü ôëóîðåñöåíòíûå õàðàêòåðèñòèêè õëîðîôèëëà îò ìîìåíòà ñðåçà îáðàçöîâ äî ñòàäèè, ñîîòâåòñòâóþùåé ïîëíîìó óâÿäàíèþ ðàñòåíèé. Ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòà ñâèäåòåëüñòâóþò, ÷òî êàê ñîäåðæàíèå õëîðîôèëëà, òàê è åãî âàðüèðîâà-íèå â òå÷åíèå èññëåäîâàííîãî ïåðèîäà ó ðàçëè÷íûõ äåðåâüåâ íåîäèíàêîâû.

Èçâåñòíî, ÷òî ïðè èçáûòêå âîäû â ïî÷âå âîçíèêàþò íåõâàòêà êèñëîðîäà è èçëèøåê óãëåêè-ñëîãî ãàçà ó ðàñòåíèé, êîòîðûé îñîáåííî îïàñåí. Ýòî ðåçêî îñëàáëÿåò ðîñòîâûå ïðîöåññû, âûçû-âàåò õëîðîç ëèñòüåâ, èõ îïàäåíèå [2]. Ïðè óâÿäàíèè ëèñòîâîãî àïïàðàòà íàáëþäàëîñü ïîñòåïåííîå ðàçðóøåíèå åãî ïèãìåíòíîãî êîìïëåêñà. Íàèáîëåå óñòîé÷èâîé áûëà ïèãìåíòíàÿ ñèñòåìà õâîéíûõ ðàñòåíèé – êåäðà, ïî ñðàâíåíèþ ñ ëèñòâîé áåðåçû.

Àíàëèç äàííûõ ïîêàçûâàåò, ÷òî èíòåíñèâíîñòü ôëóîðåñöåíöèè äëÿ äëèí âîëí 685 è 740 íì ñóùåñòâåííî ðàçëè÷àåòñÿ (ðèñ. 1).

à á Ðèñ. 1. Èíòåíñèâíîñòü ôëóîðåñöåíöèè õëîðîôèëëà ó êåäðà: à – íà äëèíå âîëíû 740 íì; á – íà äëèíå âîëíû 685 íì

à á

Ðèñ. 2. Èíòåíñèâíîñòü ôëóîðåñöåíöèè õëîðîôèëëà ó áåðåçû: à – íà äëèíå âîëíû 740 íì; á – íà äëèíå âîëíû 685 íì

Page 75: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

75

Ñèãíàëû, ðåãèñòðèðóåìûå íà 685 íì, õàðàêòåðèçóþòñÿ, âî-ïåðâûõ, ìàêñèìàëüíûìè âèäîâû- ìè ðàçëè÷èÿìè, à âî-âòîðûõ, íàèáîëüøåé èçìåí÷èâîñòüþ, â òî âðåìÿ êàê ñèãíàë íà 740 íì (ðèñ. 2, à) îñòàåòñÿ ïðàêòè÷åñêè ïîñòîÿííûì.

Ïîýòîìó ìîæíî ïðåäïîëàãàòü, ÷òî èíôîðìàòèâíîñòü ïðèíèìàåìîãî ñèãíàëà â îáëàñòè 685 íì îáóñëîâëåíà ìîðôîëîãè÷åñêèìè îñîáåííîñòÿìè ëèñòîâîé ïëàñòèíêè è, ïî-âèäèìîìó, ÿâëÿåòñÿ íàèáîëåå ÷óâñòâèòåëüíîé ê ñòðåññîâûì ôàêòîðàì, ñâÿçàííûì ñ âîäîé. Íàèáîëåå îò÷åòëèâî îòäåëüíûå ñòàäèè ðåàêöèè ðàñòåíèÿ â îòâåò íà âîäíûé ñòðåññ ïðîÿâëÿþòñÿ â èçìåíåíèè ôëóîðåñ-öåíòíîé õàðàêòåðèñòèêè íà 685 íì (ðèñ. 2, á). Ïðè÷åì èçìåíåíèè â ôëóîðåñöåíòíûõ õàðàêòåðè-ñòèêàõ, ïðîèñõîäÿùèå â 1-å ñóò, íå èìåþò âèçóàëüíûõ ïðèçíàêîâ óâÿäàíèÿ. Ó âñåõ èññëåäîâàí-íûõ ðàñòåíèé îò÷åòëèâî ïðîñëåæèâàþòñÿ òðè ôàçû ñòðåññà, îòðàæàþùèåñÿ â èçìåíåíèè ôëóîðåñ-öåíöèè. Ïåðâàÿ ñòàäèÿ õàðàêòåðèçóåòñÿ óâåëè÷åíèåì ôëóîðåñöåíöèè, ÷òî îáóñëîâëåíî ïåðâè÷íûìè íàðóøåíèÿìè â ýëåêòðîí-òðàíñïîðòíîé öåïè ôîòîñèíòåçà ó ýêñïåðèìåíòàëüíûõ îá-ðàçöîâ. Íà ýòîé ñòàäèè ïðîèñõîäÿò îòêëîíåíèå îò ôóíêöèîíàëüíîé íîðìû è ñíèæåíèå æèçíåñïî-ñîáíîñòè ðàñòåíèÿ. Âòîðàÿ ñòàäèÿ, âêëþ÷àþùàÿ â ñåáÿ îáùèå àäàïòàöèîííûå ïðîöåññû, õàðàêòå-ðèçóåòñÿ ñëîæíûìè èçìåíåíèÿìè ôëóîðåñöåíòíûõ îòêëèêîâ. Êîíå÷íàÿ ôàçà ñòðåññà, êîòîðàÿ ïðèâîäèò ê ñóùåñòâåííûì ïîâðåæäåíèÿì ïèãìåíòíîé ñèñòåìû è, êàê ñëåäñòâèå, ê ãèáåëè ðàñòå-íèÿ, îòðàæàåòñÿ â óìåíüøåíèè ôëóîðåñöåíöèè.

 ðåçóëüòàòå ïðîäåëàííîé ðàáîòû ïîêàçàíà âîçìîæíîñòü îïðåäåëåíèÿ âèäîâîé ïðèíàäëåæíî-ñòè äåðåâüåâ ñ ïîìîùüþ ìåòîäà ëàçåðíî-èíäóöèðîâàííîé ôëóîðåñöåíöèè õëîðîôèëëà. Ïîäòâåð-æäåíà ñâÿçü ìåæäó ñòðåññîì ó ðàñòåíèÿ è ôëóîðåñöåíöèåé. Óñòàíîâëåíî, ÷òî ïî ìåðå ðàçâèòèÿ âîäíîãî ñòðåññà îñíîâíûå ñïåêòðàëüíûå èçìåíåíèÿ ïðîèñõîäÿò â îáëàñòè 685 íì, îáëàñòü 740 íì ìåíåå âàðèàáåëüíà, ñëåäîâàòåëüíî, àíàëèç èçìåíåíèÿ ôëóîðåñöåíòíûõ õàðàêòåðèñòèê ìîæåò èñ-ïîëüçîâàòüñÿ äëÿ îïðåäåëåíèÿ óñòîé÷èâîñòè ðàñòåíèÿ ê âîäíîìó ñòðåññó. Ãëàâíàÿ îñîáåííîñòü ýòèõ èçìåðåíèé â òîì, ÷òî âîçìîæíî óñòàíîâèòü ñòðåññ ó ðàñòåíèé äàæå â îòñóòñòâèå âèäèìûõ ïðèçíàêîâ ïîâðåæäåíèÿ. Ýòî ãîâîðèò î áîëüøèõ ïîòåíöèàëüíûõ âîçìîæíîñòÿõ èñïîëüçîâàíèÿ ôëóîðåñöåíòíîãî ëèäàðà äëÿ èçó÷åíèÿ ìåõàíèçìîâ ðåãóëÿöèè ïåðâè÷íûõ ïðîöåññîâ ôîòîñèíòåçà ïðè äåéñòâèè ýêñòðåìàëüíûõ óñëîâèé îêðóæàþùåé ñðåäû, à òàêæå äëÿ êîíòðîëÿ ôèçèîëîãè÷åñêî-ãî ñîñòîÿíèÿ ðàñòåíèé. Ìû òàêæå ïðåäïîëàãàåì, ÷òî èçìåðåíèÿ ôëóîðåñöåíöèè õëîðîôèëëà ìî-ãóò èñïîëüçîâàòüñÿ äëÿ èäåíòèôèêàöèè óñëîâèé, âëèÿþùèõ íà ôîòîñèíòåç ó ðàñòåíèé.

Ðàáîòà âûïîëíåíà ïðè ïîääåðæêå ãðàíòà äëÿ àñïèðàíòîâ âûñøèõ ó÷åáíûõ çàâåäåíèé Ìèíîá-ðàçîâàíèÿ Ðîññèè. Øèôð ãðàíòà À03-2.9-713.

Ëèòåðàòóðà

1. Lichtenthaler H.K. Vegetation stress: an introduction to the stress concept in plants // J. Plant Physiol. 1996. V. 148. P. 4–14.

2. McFarlane J.C., Watson R.D. Plant stress detection by remote measurement of fluorescence // Appl. Opt. 1980. V. 19. ¹ 19. P. 3287–3289.

ÏÐÎÃÐÀÌÌÍÛÉ ÊÎÌÏËÅÊÑ ÐÀÑ×ÅÒÀ ÐÀÑÏÐÎÑÒÐÀÍÅÍÈß ÀÒÌÎÑÔÅÐÍÛÕ ÇÀÃÐßÇÍÅÍÈÉ

À.À. Àþðæàíàåâ, Â.Â. Öûäûïîâ

Îòäåë ôèçè÷åñêèõ ïðîáëåì ïðè Ïðåçèäèóìå Áóðÿòñêîãî íàó÷íîãî öåíòðà ÑÎ ÐÀÍ, ã. Óëàí-Óäý, e-mail: [email protected]

Ââåäåíèå

 íàñòîÿùåå âðåìÿ èçâåñòíû óíèôèöèðîâàííûå ïàêåòû ïðèêëàäíûõ ïðîãðàìì òèïà «Ýôèð» è «Ýêîëîã», ðàçðàáîòàííûå â ñîîòâåòñòâèè ñ îáùåðîññèéñêîé íîðìàòèâíîé äîêóìåíòàöèåé. Ýòè ïðîãðàììû ïîçâîëÿþò ïðîèçâîäèòü ðàñ÷åò êîíöåíòðàöèè ïðèìåñè ïî çàäàííîé ñõåìå â ðàìêàõ èñ-ïîëüçóåìîé ìàòåìàòè÷åñêîé ìîäåëè. Ïðè ýòîì â òàêèõ ìîäåëÿõ íå ó÷èòûâàåòñÿ ñïåöèôèêà êëèìà-òè÷åñêèõ óñëîâèé, êîòîðûå ìîæíî ó÷åñòü çàäàíèåì ðàçëè÷íûõ ãðàíè÷íûõ óñëîâèé. Ïîýòîìó ÷àñòî âîçíèêàåò íåîáõîäèìîñòü â êîððåêòèðîâêå íå òîëüêî ñàìèõ ìîäåëåé, íî è ïðè íàëè÷èè íåêîòîðîé íåîïðåäåëåííîñòè â ïàðàìåòðàõ ýòèõ ìîäåëåé óòî÷íèòü èõ êîíêðåòíûå çíà÷åíèÿ, à òàêæå ïðè íå-îáõîäèìîñòè îïåðàòèâíî èçìåíèòü èñõîäíóþ ïîñòàíîâêó çàäà÷è.

Page 76: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

76

Ñ äðóãîé ñòîðîíû, ïðè èññëåäîâàíèè äèíàìèêè ïðîöåññîâ ðàñïðîñòðàíåíèÿ ïðèìåñè â àòìî-ñôåðå òðåáóþòñÿ àíàëèç è èíòåðïðåòàöèÿ áîëüøîãî êîëè÷åñòâà èíôîðìàöèè, ðîñò îáúåìîâ êîòî-ðîé çàñòàâëÿåò ïðèìåíÿòü íîâûå ýôôåêòèâíûå è íàãëÿäíûå ñïîñîáû åå ïðåäñòàâëåíèÿ [1].

 ýòîé ñâÿçè âåñüìà àêòóàëüíîé ÿâëÿåòñÿ ðàçðàáîòêà àâòîìàòèçèðîâàííîé ñèñòåìû ïðîãíîçà çàãðÿçíåíèÿ àòìîñôåðû íà îñíîâå ìîäåëåé ðàñïðîñòðàíåíèÿ âûáðîñîâ ïðîìûøëåííûõ ïðåäïðè-ÿòèé, äàþùèõ íàèáîëåå äîñòîâåðíûå äàííûå î ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííîì ðàñïðåäåëåíèè â àòìî-ñôåðå âðåäíûõ ïðèìåñåé [2].

 äàííîé ñòàòüå îïèñûâàåòñÿ ðàçðàáîòàííûé àâòîðàìè ïðîãðàììíûé êîìïëåêñ ðàñ÷åòà ðàñ-ïðîñòðàíåíèÿ àòìîñôåðíûõ çàãðÿçíåíèé, êîòîðûé îñíîâàí íà äèôôóçèîííîé ìîäåëè Áåðëÿíäà è íà ìåòîäèêå ðàñ÷åòà êîíöåíòðàöèé âðåäíûõ âåùåñòâ, ñîäåðæàùèõñÿ â âûáðîñàõ ïðåäïðèÿòèé (äà-ëåå ÎÍÄ-86) [3].

Îïèñàíèå ïðîãðàììíîãî êîìïëåêñà

Ñîãëàñíî ÎÍÄ-86 âûäåëÿþò òðè òèïà èñòî÷íèêà: òî÷å÷íûé, ëèíåéíûé, ïëîùàäíîé. Ïðàêòè-÷åñêè äàííûå òèïû èñòî÷íèêîâ ñîîòâåòñòâóþò ðåàëüíûì ïðîìûøëåííûì îáúåêòàì. Òàê, çà òî÷å÷-íûé èñòî÷íèê ïðèíèìàþòñÿ çàâîäñêèå òðóáû, òðóáû êîòåëüíûõ è ò.ä. Ïëîùàäíîé èñòî÷íèê – ñòîÿíêè àâòîìîáèëåé, õâîñòîõðàíèëèùà è îòâàëû, à ëèíåéíûì èñòî÷íèêîì ìîãóò ñ÷èòàòüñÿ ïîòîê àâòîòðàíñïîðòà èëè àýðàöèîííûé ôîíàðü.  ñîîòâåòñòâèè ñ ýòèì ðàçäåëåíèåì â ïðîãðàììíîì êîìïëåêñå áûëè ñôîðìèðîâàíû 3 ïàêåòà ïîäïðîãðàìì äëÿ ðàñ÷åòà êîíöåíòðàöèé îò òî÷å÷íûõ è ëèíåéíûõ èñòî÷íèêîâ, à òàêæå îò ãðóïïû èñòî÷íèêîâ.

Ïðîãðàììíûé êîìïëåêñ îðèåíòèðîâàí íà íåïðîôåññèîíàëüíîãî ïîëüçîâàòåëÿ è ðàáîòàåò íà ïåðñîíàëüíîì êîìïüþòåðå ïîä óïðàâëåíèåì îïåðàöèîííîé ñèñòåìû WINDOWS 95/98/NT/Me/2000/XP/2003.

Äëÿ ðàáîòû äàííîãî ïðîãðàììíîãî ïðîäóêòà äîëæåí èñïîëüçîâàòüñÿ êîìïüþòåð ñ õàðàêòåðè-ñòèêàìè íå íèæå ñëåäóþùèõ:

– Intel Pentium 166 MHz; – 64 Mb RAM; – 3 Mb ñâîáîäíîãî äèñêîâîãî ïðîñòðàíñòâà; – VGA èëè SVGA ìîíèòîð (ðåêîìåíäóåìîå ðàçðåøåíèå 1024Õ768); – ìûøü (èëè äðóãîå óñòðîéñòâî êîîðäèíàòíîãî ââîäà) è êëàâèàòóðà. Äëÿ ñîçäàíèÿ ïðîãðàììíîãî êîìïëåêñà èñïîëüçîâàëàñü ñèñòåìà áûñòðîé ðàçðàáîòêè ïðèëîæå-

íèé – Delphi 6 Enterprise. Âûáîð äàííîé ñèñòåìû îáóñëîâëåí òåì, ÷òî Delphi – ýòî ìîùíàÿ ñðå-äà, îáëàäàþùàÿ áîãàòîé ïàëèòðîé êîìïîíåíòîâ, ïîçâîëÿþùåé ñîçäàâàòü ïðèëîæåíèÿ ëþáîé ñòå-ïåíè ñëîæíîñòè, øèðîêèìè âîçìîæíîñòÿìè óïðàâëåíèÿ áàçàìè äàííûõ. Òàêæå ê íåñîìíåííûì äîñòîèíñòâàì Delphi îòíîñèòñÿ ïëàòôîðìåííî-íåçàâèñèìîñòü, ò.å. âîçìîæíîñòü ïåðåíîñèòü ãîòî-âûé ïðîäóêò íà ðàçíûå îïåðàöèîííûå ñèñòåìû ñ íåçíà÷èòåëüíûì èçìåíåíèåì êîäà.

Ïðîãðàììíûé êîìïëåêñ ïðåäñòàâëÿåò ñîáîé ñòàíäàðòíóþ ôîðìó ïðèëîæåíèé, õàðàêòåðíóþ äëÿ ÎÑ Windows. Íà ôîðìå (ðèñ. 1) ðàñïîëîæåí êîìïîíåíò Tabsheet, ïî ñóòè ÿâëÿþùèéñÿ íàáî-ðîì âêëàäîê, àêòèâàöèÿ êîòîðûõ ïðîèñõîäèò íàæàòèåì ìûøè íà èõ íàçâàíèÿ. Íà âêëàäêàõ ðàñ-ïîëîæåíû êîìïîíåíòû ââîäà-âûâîäà äàííûõ äëÿ êàæäîé èç ïîäïðîãðàìì (òî÷å÷íûé èñòî÷íèê, ëèíåéíûé èñòî÷íèê, ãðóïïà èñòî÷íèêîâ). Íà ôîðìå ðàñïîëîæåíû êîìïîíåíòû Edit, ïðåäíàçíà-÷åííûå äëÿ ðó÷íîãî ââîäà ïàðàìåòðîâ èñòî÷íèêîâ. Ïîìèìî Edit òàêæå ïðèñóòñòâóåò êîìïîíåíò Combobox, èëè âûïàäàþùèé ñïèñîê, ñ çàäàííûìè çíà÷åíèÿìè. Âûïîëíåíèå ðàñ÷åòîâ îñóùåñòâëÿ-åòñÿ íàæàòèåì êíîïêè «Ðàñ÷åò». Íà âêëàäêå «Ãðàôèê» ðàñïîëàãàåòñÿ êîìïîíåíò äëÿ ãðàôè÷åñêî-ãî âûâîäà ëèíèé óðîâíÿ ïðèçåìíîé êîíöåíòðàöèè âðåäíîãî âåùåñòâà îò îäèíî÷íîãî òî÷å÷íîãî èñòî÷íèêà.

Ïðîãðàììíûé êîìïëåêñ ïîçâîëÿåò: – ââîäèòü, êîððåêòèðîâàòü âõîäíûå ïàðàìåòðû äëÿ âû÷èñëåíèé, âûáèðàòü èõ èç òàáëèöû,

ñâÿçàííîé ñ áàçîé äàííûõ; – ðàññ÷èòûâàòü ïðèçåìíóþ êîíöåíòðàöèþ ïðèìåñè, à òàêæå êîíöåíòðàöèþ ïðèìåñè â ãîðè-

çîíòàëüíîé ïëîñêîñòè íà ïðîèçâîëüíîé âûñîòå; – âû÷èñëÿòü ìàêñèìàëüíîå çíà÷åíèå êîíöåíòðàöèè ïðèìåñè, ðàññòîÿíèå, íà êîòîðîé îíî äîñ-

òèãàåòñÿ; – ïðåäñòàâëÿòü ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòîâ â ãðàôè÷åñêîì âèäå; – ñîõðàíÿòü âñå ðåçóëüòàòû â ôàéë.

Page 77: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

77

Ðèñ. 1. Âíåøíèé âèä ïðîãðàììíîãî êîìïëåêñà

 êà÷åñòâå ïðèìåðà ïðîãðàììíîãî êîìïëåêñà ïðåäñòàâëåíà ïîäïðîãðàììà «Ãðóïïà èñòî÷íè-êîâ», â êîòîðóþ áûëè âûáðàíû ñëåäóþùèå èñòî÷íèêè: ÒÝÖ-1, êîòåëüíàÿ ÇÌÌÊ, êîòåëüíàÿ ïîñ. Çàãîðñê, êîòåëüíàÿ Àâèàçàâîä, ôèêòèâíûé èñòî÷íèê.

Page 78: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

78

 òàáëèöó íà âêëàäêå «Ãðóïïà èñòî÷íèêîâ» áûëè âíåñåíû ñîîòâåòñòâóþùèå âõîäíûå äàííûå èñòî÷íèêîâ, èõ êîîðäèíàòû è íàçâàíèÿ.

Àêòèâàöèÿ ïîäïðîãðàììû ïðîèñõîäèò ïðè íàæàòèè íà êíîïêó «Ðàññ÷èòàòü». Íà ðèñ. 2 ïðèâåäåí ïðèìåð ðàñ÷åòà ïîëÿ êîíöåíòðàöèé NO2 äëÿ íåñêîëüêèõ èñòî÷íèêîâ

ã. Óëàí-Óäý. Âèçóàëèçàöèÿ ðàñ÷åòíûõ äàííûõ áûëà ïðîâåäåíà ïðè ïîìîùè ÃÈÑ-ïðèëîæåíèÿ Golden Software Surfer 8.

Ìàñøòàá 1:115000

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

0.18

0.2

0.22

0.24

0.26

0.28

Ðèñ. 2. Ðàñïðåäåëåíèå ïîëÿ êîíöåíòðàöèè NO2 (ìã/ì3) îò 5 èñòî÷íèêîâ â ã. Óëàí-Óäý

Çàêëþ÷åíèå

Ðàçðàáîòàí ïðîãðàììíûé êîìïëåêñ ðàñ÷åòà ðàñïðîñòðàíåíèÿ âðåäíûõ âåùåñòâ â àòìîñôåðå, â ðàìêàõ êîòîðîãî ñôîðìèðîâàíû ïîäïðîãðàììû äëÿ ðàñ÷åòà êîíöåíòðàöèé îò ðàçëè÷íûõ òèïîâ èñòî÷íèêîâ.

Òàê êàê ïðîãðàììíûé êîìïëåêñ, áûë ðàçðàáîòàí â ñîîòâåòñòâèè ñ îôèöèàëüíîé ìåòîäèêîé ðàñ÷åòà êîíöåíòðàöèé â àòìîñôåðíîì âîçäóõå âðåäíûõ âåùåñòâ, ñîäåðæàùèõñÿ â âûáðîñàõ ïðåä-ïðèÿòèé, òî îí ìîæåò ïðèìåíÿòüñÿ ïðè ñîñòàâëåíèè òîìîâ ïðåäåëüíî äîïóñòèìûõ âûáðîñîâ ïðî-ìûøëåííûõ ïðåäïðèÿòèé, óñòàíîâëåíèÿ íîðì ïðè ñòðîèòåëüñòâå, îïðåäåëåíèè ñàíèòàðíûõ çîí è íîðìèðîâàíèè âûáðîñîâ.

Òàêæå ïðîãðàììíûé êîìïëåêñ ðàñ÷åòà ðàñïðîñòðàíåíèÿ ïðèìåñåé â àòìîñôåðå ìîæåò ïðèìå-íÿòüñÿ â êà÷åñòâå ó÷åáíî-âñïîìîãàòåëüíîãî ìàòåðèàëà íà ñïåöèàëüíîñòÿõ ýêîëîãè÷åñêîé è ìåòåî-ðîëîãè÷åñêîé íàïðàâëåííîñòè.

Ëèòåðàòóðà

1. Áåðëÿíä Ì.Å. Ïðîãíîç è ðåãóëèðîâàíèå çàãðÿçíåíèÿ àòìîñôåðû. Ë.: Ãèäðîìåòåîèçäàò, 1985. 272 ñ. 2. Èëüåíêî Ñ.Ï., Èñàêîâà À.È., Ïåíèí Ñ.Ò., ×èñòÿêîâà Ë.Ê. Êîìïüþòåðíàÿ ñèñòåìà ïðîãíîçà ãàçîâûõ

øëåéôîâ â àòìîñôåðå, îáóñëîâëåííûõ ãàçîâûìè è ëèòîñôåðíûìè èñòî÷íèêàìè // Îïòèêà àòìîñôåðû è îêåàíà. 2002. ¹ 8. Ò. 15. Ñ. 702–711.

3. Ìåòîäèêà ðàñ÷åòà êîíöåíòðàöèé â àòìîñôåðíîì âîçäóõå âðåäíûõ âåùåñòâ, ñîäåðæàùèõñÿ â âûáðîñàõ ïðåäïðèÿòèé. ÎÍÄ-86. Ë.: Ãèäðîìåòåîèçäàò, 1987. 94 ñ.

ÒÝÖ-1 Êîòåëüíàÿ ÇÌÌÊ

Êîòåëüíàÿ ïîñ. Çàãîðñê

Êîòåëüíàÿ Àâèàçàâîä

Ôèêòèâíûé èñòî÷íèê

Page 79: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

79

ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈÅ ÏÎßÂËÅÍÈß ÊÍ×-ÑÈÃÍÀËΠ ÏÎËÎÑÅ ×ÀÑÒÎÒ 26–36 Ãö

À.À. Äåðåâÿííûõ, À.À. Êîëìàêîâ

Òîìñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò, Ñèáèðñêèé ôèçèêî-òåõíè÷åñêèé èíñòèòóò èì. Â.Ä. Êóçíåöîâà, ã. Òîìñê, e-mail: [email protected], [email protected]

 ÑÔÒÈ äëèòåëüíîå âðåìÿ ïðîâîäèòñÿ íåïðåðûâíûé êðóãëîñóòî÷íûé ìîíèòîðèíã ýëåêòðî-ìàãíèòíîãî ôîíà (ÝÌ) ÊÍ×-äèàïàçîíà [1]. Áûëî óñòàíîâëåíî, ÷òî â äèàïàçîíå ÷àñòîò 26–36 Ãö íàáëþäàþòñÿ ñèãíàëû (ðèñ. 1), ïðè÷èíà âîçíèêíîâåíèÿ êîòîðûõ ÿâëÿåòñÿ ïðåäìåòîì ïðîâîäèìûõ èññëåäîâàíèé. Èññëåäîâàíèå ïðè÷èí ïîÿâëåíèÿ ïîäîáíûõ ñèãíàëîâ èìååò çíà÷åíèå êàê äëÿ ãåî-ôèçèêè, òàê è äëÿ ýëåêòðîìàãíèòíîé ýêîëîãèè.

f, Ãö Óðîâåíü ÝÌ-ôîíà â äèàïàçîíå ÷àñòîò 26–36 Ãö (3.06.2001 ã.) f, Ãö Óðîâåíü ÝÌ-ôîíà â äèàïàçîíå ÷àñòîò 26–36 Ãö (31.01.2001 ã.)

à á

Ðèñ. 1. Ñèãíàëû â ïîëîñå ÷àñòîò 26–36 Ãö: à – f = 31,7 Ãö; á – f = 31,2 Ãö

Ìåòîäèêà èçìåðåíèÿ ñîñòàâëÿþùèõ ÊÍ×-äèàïàçîíà â íàñòîÿùèõ èññëåäîâàíèÿõ áûëà ïîä÷è-íåíà çàäà÷å îáåñïå÷èòü âîçìîæíîñòü ìàññîâûõ ñòàòèñòè÷åñêèõ èññëåäîâàíèé ñ öåëüþ âûÿâëåíèÿ äèíàìèêè èçìåíåíèÿ îñíîâíûõ ïàðàìåòðîâ â ðåæèìå ìîíèòîðèíãà, â êîòîðîì íåîáõîäèìà äëè-òåëüíàÿ è íåïðåðûâíàÿ ðåãèñòðàöèÿ íàïðÿæåííîñòè ÝÌ-ïîëÿ â òå÷åíèå íåñêîëüêèõ ñóòîê. Ïîýòî-ìó èçìåðåíèÿ ïðîâîäèëèñü êðóãëîñóòî÷íî ñ 3-ìèíóòíûì ïåðèîäîì. Ïðè ýòîì íåïðåðûâíàÿ ðåãè-ñòðàöèÿ ñîñòàâëÿëà 150 ñ, à îñòàëüíûå 30 ñ áûëè îòâåäåíû íà çàïèñü èíôîðìàöèè è óïðàâëåíèå ïðîãðàììîé èçìåðåíèé. Îöèôðîâêà ñèãíàëîâ ïðîâîäèëàñü ñ òàêòîì 80 Ãö, à ìàññèâ äàííûõ, íà-êîïëåííûé çà 150 ñ, ñîñòàâëÿë 12000 îòñ÷åòîâ.

Öåëüþ ïðîâîäèìûõ èññëåäîâàíèé ÿâëÿåòñÿ îïðåäåëåíèå âîçìîæíûõ ïðè÷èí ïîÿâëåíèÿ ñèãíà-ëîâ â óêàçàííîé ïîëîñå ÷àñòîò. Äëÿ ýòîãî áûëà ðåàëèçîâàíà àâòîìàòèçàöèÿ âûäåëåíèÿ èññëåäóå-ìûõ ñèãíàëîâ. Ðàíåå ïðîâîäèìîå âûäåëåíèå èññëåäóåìûõ ñèãíàëîâ [2] òðåáîâàëî íåïîñðåäñòâåí-íîãî ó÷àñòèÿ îïåðàòîðà è çàíèìàëî äîñòàòî÷íî ìíîãî âðåìåíè. Òàêæå èìåëà ìåñòî íåêîòîðàÿ íå-îïðåäåëåííîñòü, âîçíèêàþùàÿ ïðè âûäåëåíèè ñèãíàëîâ, âûçâàííàÿ «÷åëîâå÷åñêèì ôàêòîðîì». Ýòî áûëî îáóñëîâëåíî òåì, ÷òî èññëåäóåìûå ñèãíàëû âûäåëÿëèñü âèçóàëüíî, ïðè÷åì íå ñóùåñòâî-âàëî ñòðîãî îïðåäåëåííîãî êðèòåðèÿ äëÿ âûäåëåíèÿ ñèãíàëîâ. Òàêæå áûëà çàòðóäíåíà âîçìîæ-íîñòü íàäåæíîé ðåãèñòðàöèè ñëàáûõ ñèãíàëîâ. Äëÿ òîãî ÷òîáû óñòðàíèòü óêàçàííûå íåäîñòàòêè, áûëî ïðèíÿòî ðåøåíèå îá àâòîìàòèçàöèè ïðîöåññà âûäåëåíèÿ ñèãíàëîâ. Ðåàëèçîâàííóþ ìåòîäèêó ìîæíî ðàçáèòü íà íåñêîëüêî ýòàïîâ.

Íà ïåðâîì ýòàïå äàííûå ìîíèòîðèíãà (âðåìåííàÿ ðåàëèçàöèÿ) ïîäâåðãàëèñü äèñêðåòíîìó ïðåîáðàçîâàíèþ Ôóðüå:

1

2

0

( ) ( )e ,N

i fk

k

A f s k− − π

=

= ∑ (1)

ãäå À(f) – ñïåêòðàëüíàÿ ïëîòíîñòü; s(k) – äèñêðåòèçèðîâàííûé ïî âðåìåíè ñèãíàë; f – ÷àñòîòà; N = 800 (ñîîòâåòñòâóåò èíòåðâàëó 10 ñ).  ðåçóëüòàòå âû÷èñëÿëèñü àìïëèòóäíûå ñïåêòðû â ïîëî-ñå ÷àñòîò äî 40 Ãö, ðàçðåøåíèå ïî ÷àñòîòå – 0,1 Ãö. Äàëüíåéøåé îáðàáîòêå ïîäâåðãàëèñü ñèãíàëû â èññëåäóåìîé ïîëîñå ÷àñòîò (26–36 Ãö).

Çàòåì îïðåäåëÿëèñü óñðåäíåííûå ñïåêòðàëüíûå õàðàêòåðèñòèêè äëÿ êàæäîãî 3-ìèíóòíîãî èí-òåðâàëà, êîòîðûå è ÿâëÿëèñü åäèíè÷íûì ýëåìåíòîì äëÿ ïîñëåäóþùåãî àíàëèçà:

1

1( ) ( ),

p

j i j

i

A f A fp =

= ∑ (2)

Page 80: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

80

ãäå Àj(f) – óñðåäíåííûå ñïåêòðàëüíûå õàðàêòåðèñòèêè äëÿ 3-ìèíóòíîãî èíòåðâàëà ñ ïîðÿäêî- âûì íîìåðîì j (âñåãî çà ñóòêè 480 ðåàëèçàöèé); p = 15 (êîëè÷åñòâî 10-ñåêóíäíûõ ðåàëèçàöèé íà 150-ñåêóíäíîì èíòåðâàëå).

 ñîñòàâ èçìåðèòåëüíîãî êîìïëåêñà [1] âõîäÿò 2 ïîñëåäîâàòåëüíî âêëþ÷åííûõ ôèëüòðà íèæ-íèõ ÷àñòîò ñ ÷àñòîòàìè ñðåçà 31,5 è 35 Ãö. Îíè ïðèâîäÿò ê èñêàæåíèþ èñòèííûõ çíà÷åíèé ñèãíà-ëà. Òàêæå â èññëåäóåìóþ ïîëîñó ÷àñòîò (26–36 Ãö) ïîïàäàþò 4-ÿ è 5-ÿ ìîäû øóìàíîâñêîãî ðåçî-íàòîðà [1], êîòîðûå èìåþò ñóòî÷íûå è ñåçîííûå çàâèñèìîñòè èçìåíåíèÿ èõ ñïåêòðàëüíûõ ïàðà-ìåòðîâ. Âñå ýòî çàòðóäíÿåò âûäåëåíèå ñèãíàëîâ. Äëÿ òîãî ÷òîáû ó÷åñòü è èñêëþ÷èòü óêàçàííîå âîçäåéñòâèå, íåîáõîäèìî ïðèâåñòè ñïåêòð ê ðàâíîìåðíîìó âèäó – ýòî ïîçâîëèëî áû ïðèìåíèòü ñóùåñòâóþùèå àëãîðèòìû [3]. Äëÿ ðåøåíèÿ äàííîé çàäà÷è âû÷èñëåííûå çíà÷åíèÿ óðîâíÿ ôîíà óñðåäíÿëèñü äëÿ êàæäîãî ÷àñîâîãî èíòåðâàëà (íà òàêîì âðåìåííîì èíòåðâàëå èçìåíåíèå ñïåê-òðàëüíûõ õàðàêòåðèñòèê ìîä øóìàíîâñêîãî ðåçîíàòîðà ÿâëÿåòñÿ íåáîëüøèì). Äàííàÿ ïðîöåäóðà ïîçâîëÿåò ïîëó÷èòü ñãëàæåííûå õàðàêòåðèñòèêè ôîíà:

1

1( ) ( ),

n

m mi

i

A f A fn =

= ∑ (3)

ãäå ( )mA f – óñðåäíåííûå õàðàêòåðèñòèêè äëÿ ÷àñîâîãî èíòåðâàëà ñ íîìåðîì m (0, 1, ... 23);

n = 20 – êîëè÷åñòâî ñïåêòðàëüíûõ ðåàëèçàöèé çà 1 ÷. Äëÿ ñãëàæèâàíèÿ ñïåêòðàëüíûõ õàðàêòåðèñòèê ôîíà â ïðîãðàììå áûëà èñïîëüçîâàíà öèôðî-

âàÿ ôèëüòðàöèÿ. Ñãëàæèâàíèå ( )mA f ïðîâîäèëîñü öèôðîâûì ôèëüòðîì ñî ñêîëüçÿùèì ÷àñòîò-

íûì îêíîì 0,9 Ãö. Çàòåì èññëåäóåìûé èñõîäíûé ñïåêòð «íîðìèðîâàëñÿ» íà ñîîòâåòñòâóþùèå çíà÷åíèÿ ñãëàæåí-

íîé ôóíêöèè, ïîëó÷åííîé äëÿ äàííîãî ÷àñîâîãî âðåìåííîãî èíòåðâàëà:

( )

( ) ,( )

jj

m

A fA f

P f= (4)

ãäå ⟨Aj(f)⟩ – íîðìèðîâàííîå çíà÷åíèè ñïåêòðà; Ðm(f) – ñãëàæåííàÿ ôóíêöèÿ, ñîîòâåòñòâóþùàÿ ÷àñîâîìó èíòåðâàëó m.

Íà ñëåäóþùåì ýòàïå äëÿ âûäåëåíèÿ ñèãíàëîâ îïðåäåëÿëîñü ïîðîãîâîå çíà÷åíèå, íèæå êîòîðî-ãî âñå ñèãíàëû îòíîñèëèñü ê øóìó, ðàâíîå ñóììå ñðåäíåãî è óäâîåííîãî ñðåäíåêâàäðàòè÷åñêîãî îòêëîíåíèÿ, òàêàÿ ïðîöåäóðà ïîçâîëÿëà îïèñàòü íå ìåíåå 95% øóìîâ:

.2σj j jH A= + (5)

Çäåñü Íj – ïîðîãîâîå çíà÷åíèå; 1

1R

j ji

i

A AR =

= ∑ – ñðåäíèé óðîâåíü ôîíà; 2

2

1

( )σ ;

1

Rji j

j

i

A A

R=

−=

−∑

R = 101; Aji = Aj(fi); 26 ≤ fi ≤ 36 Ãö; ∆f = 0,1 Ãö.  êîíå÷íîì èòîãå äëÿ ñèãíàëîâ, ïðåâûøàþùèõ ïîðîã è íàáëþäàåìûõ ïîäðÿä â òå÷åíèå äâóõ

è áîëåå òðåõìèíóòíûõ ðåàëèçàöèé, â áàçó äàííûõ çàíîñèëèñü èõ ðåàëüíûå õàðàêòåðèñòèêè. Íà ðèñ. 2 ïðèâåäåíû èñõîäíûé óðîâåíü ÝÌ-ôîíà è âûäåëåííûå èç íåãî ñèãíàëû äëÿ 25 ôåâ-

ðàëÿ 1999 ãîäà. Äàííûé àëãîðèòì ïîçâîëÿåò âûäåëÿòü íå òîëüêî ñèëüíûå ñèãíàëû (íàáëþäàåìûå âèçóàëüíî), íî è ñèãíàëû ñ ìàëûìè àìïëèòóäàìè.

Óðîâåíü ÝÌ-ôîíà â äèàïàçîíå ÷àñòîò 26–36 Ãö (25.02.1999 ã.) Ñèãíàëû â äèàïàçîíå ÷àñòîò 26–36 Ãö (25.02.1999 ã.)

à á

Ðèñ. 2. Óðîâåíü ÝÌ-ôîíà â ïîëîñå ÷àñòîò 26–36 Ãö (à), âûäåëåííûå ñèãíàëû (á)

Ðåàëèçîâàííûé ïðîãðàììíûé ïðîäóêò ïîçâîëÿåò çíà÷èòåëüíî ñîêðàòèòü âðåìÿ îáðàáîòêè äàí-íûõ ìîíèòîðèíãà. Åñëè ðàíüøå îáðàáîòêà îïåðàòîðîì ìàññèâà äàííûõ çà 1 ñóò çàíèìàëà â ñðåä-íåì îêîëî 10 ìèí, òî ñåé÷àñ íà îáðàáîòêó ýòèõ æå äàííûõ óõîäèò íå áîëåå 30 ñ.

Page 81: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

81

Äëÿ ïðîâåðêè ðàáîòîñïîñîáíîñòè ðåàëèçîâàííîãî àëãîðèòìà áûëè îïðåäåëåíû ÷àñòîòíûå è ñóòî÷íûå çàâèñèìîñòè ïîÿâëåíèÿ èññëåäóåìûõ ñèãíàëîâ äëÿ 1998 ã. Ïîñòðîåííîå ñóòî÷íîå ðàñ-ïðåäåëåíèå ñèãíàëîâ (ðèñ. 3) ïîêàçàëî, ÷òî â íî÷íûå è äíåâíûå ÷àñû íàáëþäàåòñÿ óâåëè÷åíèå êîëè÷åñòâà ðåãèñòðèðóåìûõ ñèãíàëîâ, à â âå÷åðíåå è óòðåííåå – óìåíüøåíèå. Ïîñòðîåííîå ÷àñ-òîòíîå ðàñïðåäåëåíèå (ðèñ. 4) ïîêàçàëî, ÷òî ïîäàâëÿþùåå êîëè÷åñòâî èññëåäóåìûõ ñèãíàëîâ ðå-ãèñòðèðóåòñÿ íà ÷àñòîòàõ 30–33 Ãö.  ýòîé ïîëîñå ìîæíî âûäåëèòü òðè õàðàêòåðíûõ ìàêñèìóìà (30,6; 31,1; 31,9 Ãö).

N

0 5 10 15 20

0

20

40

60

80

100

1998

ÒÄÇÂ, ÷

N

26 28 30 32 34 36

0

50

100

150

200 1998

f, Ãö

Ðèñ. 3. Ñóòî÷íîå ðàñïðåäåëåíèå ñèãíàëîâ Ðèñ. 4. ×àñòîòíîå ðàñïðåäåëåíèå ñèãíàëîâ

Çàêëþ÷åíèå

 ïðîöåññå âûïîëíåíèè ðàáîòû ðåàëèçîâàí ïðîãðàììíûé ïðîäóêò, â îñíîâå êîòîðîãî ëåæèò ïðåäñòàâëåííûé àëãîðèòì âûäåëåíèÿ ñèãíàëîâ. Ïîêàçàíà âîçìîæíîñòü ýôôåêòèâíîé ðàáîòû àëãî-ðèòìà äëÿ âûäåëåíèÿ ñèãíàëîâ. Ïðîãðàììà ïîçâîëÿåò ñîêðàòèòü âðåìÿ îáðàáîòêè äàííûõ ìîíèòî-ðèíãà íå ìåíåå ÷åì â 20 ðàç.

Îïðåäåëåíû ÷àñòîòíûå è ñðåäíåñóòî÷íûå çàêîíîìåðíîñòè ïîÿâëåíèÿ èññëåäóåìûõ ñèãíàëîâ. Ïîëó÷åííûå â ðàáîòå ðåçóëüòàòû õîðîøî ñîãëàñóþòñÿ ñ ðåçóëüòàòàìè, ïîëó÷åííûìè ðàíåå [2].

Ëèòåðàòóðà

1. Êîëåñíèê À.Ã., Êîëåñíèê Ñ.À., Êîëìàêîâ À.À., Øèíêåâè÷ Á.Ì. // Èçâ. âóçîâ. Ôèçèêà. 2003. ¹ 2. Ñ. 69–73.

2. Äåðåâÿííûõ À.À., Êîëìàêîâ À.À. // Ñîâðåìåííûå ïðîáëåìû ôèçèêè è òåõíîëîãèè. Òîìñê: Èçä-âî Òîì. óí-òà, 2002. Ñ. 192–194.

3. Ëåâèí Á.Ð. Òåîðåòè÷åñêèå îñíîâû ñòàòèñòè÷åñêîé ðàäèîòåõíèêè. Ì.: Ðàäèî è ñâÿçü, 1989. 654 ñ.

ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈÅ ÑÏÅÊÒÐÀËÜÍÛÕ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊ ÊÍ×-ÌÎÄÓËßÖÈÈ Â×-ÑÈÃÍÀËÎÂ

À.À. Êîëìàêîâ

Ñèáèðñêèé ôèçèêî-òåõíè÷åñêèé èíñòèòóò èì. Â.Ä. Êóçíåöîâà ïðè Òîìñêîì ãîñóíèâåðñèòåòå, ã. Òîìñê, e-mail: [email protected]

Èññëåäîâàíèÿ ÊÍ×-ìîäóëÿöèè Â×-ñèãíàëîâ (ÊÌ) [1, 2], ïðîâîäèìûå â ÑÔÒÈ, ïîçâîëèëè óñòàíîâèòü ðÿä îñíîâíûõ çàêîíîìåðíîñòåé âîçíèêíîâåíèÿ äàííîãî ÿâëåíèÿ [1–5]. Îäíàêî äî íà-ñòîÿùåãî ìîìåíòà çà ðàìêàìè ïðîâîäèìûõ èññëåäîâàíèé îñòàâàëèñü âîïðîñû èçó÷åíèÿ ÷àñòîòíûõ õàðàêòåðèñòèê ïîâåäåíèÿ ÊÌ. Çíàíèå ýòèõ õàðàêòåðèñòèê ìîæåò èìåòü áîëüøîå çíà÷åíèå êàê äëÿ ïîíèìàíèÿ ìåõàíèçìîâ ìîäóëÿöèè ðàäèîâîëí â èîíîñôåðíîé ïëàçìå, òàê è â ïðèêëàäíûõ çàäà÷àõ ýëåêòðîìàãíèòíîé ýêîëîãèè, òàêèõ êàê îïðåäåëåíèå âëèÿíèÿ ýëåêòðîìàãíèòíûõ èçëó÷åíèé íà áèîëîãè÷åñêèå îáúåêòû è ò.ï.

Ïðîâåäåííûå ðàíåå èññëåäîâàíèÿ [1] ïîçâîëèëè çàôèêñèðîâàòü, ÷òî â ðÿäå ñëó÷àåâ èìååò ìå-ñòî ÷àñòîòíàÿ ñòàáèëüíîñòü íàáëþäàåìûõ ñèãíàëîâ. Äëÿ áîëåå òî÷íîãî è íàäåæíîãî îïðåäåëåíèÿ

Page 82: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

82

õàðàêòåðèñòèê ÊÌ áûëà ïðîâåäåíà ìîäåðíèçàöèÿ èçìåðèòåëüíî-âû÷èñëèòåëüíîãî êîìïëåêñà (ðèñ. 1) è èçìåíåíà ìåòîäèêà îáðàáîòêè ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ. Èçìåíåíèå ìåòîäèêè ïðîâå-äåíèÿ èçìåðåíèé ïîçâîëèëî âûÿâèòü íîâûå òèïû ìîäóëèðóþùèõ ñèãíàëîâ (ðèñ. 2). Îáíàðóæåí-íûå òèïû ÊÌ õàðàêòåðíû òåì, ÷òî ÷àñòîòà ðåãèñòðèðóåìîãî ñèãíàëà ïðåòåðïåâàåò èçìåíåíèÿ ñ òå÷åíèåì âðåìåíè.

Ðèñ. 1. Áëîê-ñõåìà èçìåðèòåëüíîãî êîìïëåêñà

 ñîñòàâ ìîäåðíèçèðîâàííîãî êîìïëåêñà âõîäÿò: à) øòûðåâàÿ àíòåííà ñ äåéñòâóþùåé âûñîòîé 5 ì; á) àíòåííî-ñîãëàñóþùåå óñòðîéñòâî; â) ñåðèéíîå ðàäèîïðèåìíîå óñòðîéñòâî Ð399À («Êàòðàí»); ã) óñòðîéñòâî àêòèâíîé ôèëüòðàöèè, ñîñòîÿùåå èç òðåõ ôèëüòðîâ: – ðåæåêòîðíîãî, äëÿ ïîäàâëåíèÿ ñåòåâîé ãàðìîíèêè (50 Ãö), è ìàêñèìàëüíîãî èñïîëüçîâàíèÿ

äèíàìè÷åñêîãî äèàïàçîíà ïðèåìíî-èçìåðèòåëüíîãî òðàêòà; – ôèëüòðà âåðõíèõ ÷àñòîò, äëÿ èçáàâëåíèÿ îò ïîñòîÿííîé ñîñòàâëÿþùåé («íóëåâîé ÷àñòîòû»)

ñ ÷àñòîòîé ñðåçà 1,5 Ãö; – ôèëüòðà íèæíèõ ÷àñòîò ñ ÷àñòîòîé ñðåçà 14 Ãö, äëÿ ïðåäîòâðàùåíèÿ âîçíèêíîâåíèÿ ñòðî-

áîñêîïè÷åñêîãî ýôôåêòà; ä) àíàëîãî-öèôðîâîé ïðåîáðàçîâàòåëü L153; å) ïåðñîíàëüíûé êîìïüþòåð, êîòîðûé ïðîèçâîäèò óïðàâëåíèå àïïàðàòóðíûì êîìïëåêñîì ðå-

ãèñòðàöèè ÊÍ×-ñèãíàëîâ. Ñóòî÷íûå ñîíîãðàììû ìîäóëèðóþùèõ ñèãíàëîâ, ïîëó÷åííûå ïî äàííûì èçìåðåíèé 2002–

2003 ãã., ïðåäñòàâëåíû íà ðèñ. 2. Òåìíûå ïîëîñû ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé ìîäóëèðóþùèå ÊÍ×-ñèãíàëû.

(29.11.2002 ã.)

ÒÄÇÂ, ÷

(27.06.2003 ã.)

ÒÄÇÂ, ÷ (1.10.2003 ã.)

ÒÄÇÂ, ÷

Ðèñ. 2. Ñóòî÷íûå ñîíîãðàììû ìîäóëèðóþùèõ ñèãíàëîâ (ÒÄÇ – òîìñêîå äåêðåòíîå çèìíåå âðåìÿ), ïî âåðòèêàëüíîé îñè ÷àñòîòà, Ãö

Page 83: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

83

Èçìåðåíèÿ ïðîâîäèëèñü â ðåæèìå íåïðåðûâíîãî êðóãëîñóòî÷íîãî ìîíèòîðèíãà.  äàííîé ðà-áîòå ïðåäñòàâëåí àíàëèç äàííûõ â ïåðèîä ñ 1.08.2002 ã. ïî 30.04.2003 ã. (274 äíÿ).

Èçìåðåíèÿ ïðîâîäèëèñü ïî ñëåäóþùåé ñõåìå: 150 ñ îòâîäèëîñü íà ðåãèñòðàöèþ äàííûõ, 30 ñ íà îáðàáîòêó è ñîõðàíåíèå äàííûõ â ÝÂÌ, òàêèì îáðàçîì, âñåãî ïîëó÷àëîñü 480 èçìåðåíèé çà ñóòêè. Äëÿ êàæäîãî èçìåðåíèÿ ïðè ïîìîùè äèñêðåòíîãî Ôóðüå-ïðåîáðàçîâàíèÿ ðàññ÷èòûâàëñÿ àìïëèòóäíûé ñïåêòð âî âðåìåííîì îêíå 10 ñ, ðàçðåøåíèå ïî ÷àñòîòå ñîñòàâëÿëî 0,1 Ãö. Êàæäàÿ òàêàÿ ñïåêòðàëüíàÿ ðåàëèçàöèÿ ÿâëÿëàñü åäèíè÷íûì ýëåìåíòîì ïðè äàëüíåéøåì àíàëèçå, öåëüþ êîòîðîãî áûëî îïðåäåëåíèå ñïåêòðàëüíûõ õàðàêòåðèñòèê ÊÌ.

N

f, Ãö

Ω/2π, Ãö 13,43 21,49 22,04 30,66 31,84 35,32 Èîí Fe+ Ca+ K+ N2

+ Al+ Mg+

Ðèñ. 3. ×àñòîòíîå ðàñïðåäåëåíèå ñëó÷àåâ ïîÿâëåíèÿ ÊÌ äëÿ Ðåãóëÿðíûõ Ìèðîâûõ äíåé çà ïåðèîä 2002–2003 ãã.

Ïîñòðîåííîå ÷àñòîòíîå ðàñïðåäåëåíèå ñëó÷àåâ ÊÌ (ðèñ. 3) ïîêàçàëî, ÷òî íàáëþäàþòñÿ âûðà-æåííûå ìàêñèìóìû íà ÷àñòîòàõ ïîðÿäêà 8, 10, 13, 16, 22, 31, 35 Ãö.  òàáëèöå óêàçàíû çíà÷å- íèÿ ãèðîðåçîíàíñíûõ ÷àñòîò èîíîâ, íàáëþäàåìûõ â èîíîñôåðíîé ïëàçìå:

.

e H

McΩ = (1)

Çäåñü M – ìàññà èîíà; e – çàðÿä èîíà; ñ – ñêîðîñòü ñâåòà; |H| – ìîäóëü íàïðÿæåííîñòè ìàãíèò-íîãî ïîëÿ, Ý.

Òàêæå áûëè ïðîâåäåíû èññëåäîâàíèÿ íàëè÷èÿ ñâÿçè ìåæäó ãåëèîãåîôèçè÷åñêèìè ôàêòîðàìè è ÿâëåíèåì ÊÌ. Ïðîâåäåííûå èññëåäîâàíèÿ ïîêàçàëè, ÷òî ñóùåñòâóåò çíà÷èìàÿ ñòàòèñòè÷åñêàÿ ñâÿçü ñ ïîòîêîì ñîëíå÷íîãî èçëó÷åíèÿ íà äëèíå âîëíû 10,7 ñì è âåðîÿòíîñòüþ ïîÿâëåíèÿ ÊÌ (êîýôôèöèåíò êîððåëÿöèè ñîñòàâèë 0,19), à òàêæå ìåæäó èíäåêñîì ãåîìàãíèòíîé âîçìóùåííîñòè (Ap) è âåðîÿòíîñòüþ ïîÿâëåíèÿ ÊÌ (êîýôôèöèåíò êîððåëÿöèè ñîñòàâèë 0,15).

Çàêëþ÷åíèå

Ïðîâåäåííàÿ ñåðèÿ èçìåðåíèé ïîäòâåðäèëà ïîëó÷åííûå ðàíåå ðåçóëüòàòû. Íàðÿäó ñ ýòèì âû-äåëåíû íîâûå òèïû ìîäóëèðóþùèõ ñèãíàëîâ. Ïîëó÷åíû ÷àñòîòíûå ðàñïðåäåëåíèÿ, ïîäòâåð-æäàþùèå ãèïîòåçó î âîçíèêíîâåíèè ÊÌ íà ãèðî÷àñòîòàõ èîíîâ, îáðàçóþùèõ ñëîé Es.

Ñïåêòðàëüíîå ðàñïðåäåëåíèå ñîäåðæèò âûðàæåííûå ìàêñèìóìû, ÷èñëåííî ñîâïàäàþùèå ñ ãè-ðîðåçîíàíñíûìè ÷àñòîòàìè èîíîâ, âñòðå÷àþùèõñÿ â èîíîñôåðå, â ÷àñòíîñòè â ñïîðàäè÷åñêèõ ñëî-ÿõ (Fe+, Ca+, K+, Si+, N2

+).

Page 84: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

84

Âåðîÿòíîñòü ïîÿâëåíèÿ ÊÍ×-ìîäóëÿöèè Â×-ñèãíàëîâ çàâèñèò îò ñëåäóþùèõ ôàêòîðîâ: à) íàëè÷èÿ óñòîé÷èâîé ñâÿçè ìåæäó ïåðåäàþùèì è ïðèåìíûì ïóíêòîì; á) ñóùåñòâîâàíèÿ â êàíàëå ñâÿçè ìåõàíèçìîâ, ïðèâîäÿùèõ ê âîçíèêíîâåíèþ ÊÌ; â) ãåëèîãåîôèçè÷åñêîé îáñòàíîâêè.

Ëèòåðàòóðà

1. Êîëåñíèê À.Ã., Êîëåñíèê Ñ.À., Êîëìàêîâ À.À., Øèíêåâè÷ Á.Ì. // Èçâ. âóçîâ. Ôèçèêà. 2000. ¹ 1. Ñ. 96–98.

2. Êîëåñíèê À.Ã., Êîëåñíèê Ñ.À., Êîëìàêîâ À.À., Øèíêåâè÷ Á.Ì. // Èçâ. âóçîâ. Ôèçèêà. 2001. ¹ 1. Ñ. 64–67.

3. Êîëìàêîâ À.À. // Ýêîëîãè÷åñêèå ïðîáëåìû è ïóòè èõ ðåøåíèÿ: Ñá. íàó÷íûõ òðóäîâ àñïèðàíòîâ è ñòóäåíòîâ. Òîìñê: Òîì. ãîñ. óí-ò, 2001. Ñ. 76–83.

4. Êîëìàêîâ À.À. // III øêîëà-ñåìèíàð ìîëîäûõ ó÷åíûõ «Ñîâðåìåííûå ïðîáëåìû ôèçèêè è òåõíîëî-ãèè»: Ñá. ñòàòåé ìîëîäûõ ó÷åíûõ. Òîìñê: Èçä-âî Òîì. óí-òà, 2002. Ñ. 199–201.

5. Êîëìàêîâ À.À. // Òðóäû Âòîðîé è Òðåòüåé Ìåæäóíàðîäíûõ øêîë ìîëîäûõ ó÷åíûõ è ñïåöèàëèñòîâ «Ôèçèêà îêðóæàþùåé ñðåäû». Òîìñê, 2002. Ñ. 69–71.

ÌÅÒÎÄÈÊÀ ÀÍÀËÈÇÀ ÑÅÇÎÍÍÎ-ÑÓÒÎ×ÍÛÕ ÂÀÐÈÀÖÈÉ ÑÏÅÊÒÐÀËÜÍÎÃÎ ÑÎÑÒÀÂÀ f0F2 ÏÎ ÄÀÍÍÛÌ

ÒÎÌÑÊÎÉ ÈÎÍÎÑÔÅÐÍÎÉ ÑÒÀÍÖÈÈ ÇÀ ÏÅÐÈÎÄ 1937–2003 ãã.

Ñ.Ì. Êîñòþêåâè÷, Á.Á. Öûáèêîâ

Ñèáèðñêèé ôèçèêî-òåõíè÷åñêèé èíñòèòóò èì. Â.Ä. Êóçíåöîâà ïðè Òîìñêîì ãîñóíèâåðñèòåòå, ã. Òîìñê, e-mail: [email protected]

Ââåäåíèå

 ïîñëåäíåå âðåìÿ ïðîÿâëÿåòñÿ áîëüøîé èíòåðåñ ê èññëåäîâàíèÿì äîëãîïåðèîäíûõ âàðèàöèé (òðåíäîâ) ïàðàìåòðîâ âåðõíåé àòìîñôåðû Çåìëè. Òåì íå ìåíåå âîïðîñ î âîçìîæíîñòè èñïîëüçî-âàíèÿ ïàðàìåòðîâ âåðõíåé àòìîñôåðû, â ÷àñòíîñòè êðèòè÷åñêèõ ÷àñòîò ðàçëè÷íûõ ñëîåâ èîíîñôå-ðû Çåìëè êàê îäíîãî èç âîçìîæíûõ èíäèêàòîðîâ ãëîáàëüíîãî èçìåíåíèÿ êëèìàòà, îñòàåòñÿ îò-êðûòûì [1, 2]. Ïðè ýòîì âîçíèêàåò ðÿä ïðîáëåì, îáóñëîâëåííûõ îòíîñèòåëüíî íåáîëüøîé (5–6 äåñÿòèëåòèé) äëèíîé íåïðåðûâíûõ ðÿäîâ äàííûõ èîíîñôåðíûõ íàáëþäåíèé, à òàêæå îòñóòñòâèåì åäèíîé ìåòîäèêè àíàëèçà äîëãîïåðèîäíûõ âàðèàöèé èññëåäóåìûõ ïàðàìåòðîâ âåðõíåé èîíîñôåðû Çåìëè. Ïîñëåäíåå âåñüìà âàæíî ïðè ñîïîñòàâëåíèè ðåçóëüòàòîâ àíàëèçà òðåíäîâ, ïîëó÷åííûõ â ðàçëè÷íûõ òî÷êàõ Çåìëè [3–5].

 äàííîé ðàáîòå ïðåäëîæåíà ìåòîäèêà âûÿâëåíèÿ è àíàëèçà äîëãîïåðèîäíûõ âàðèàöèé êðè-òè÷åñêîé ÷àñòîòû ñëîÿ F2–f0F2, à òàêæå ïðèâåäåíû íà÷àëüíûå ðåçóëüòàòû, ïîëó÷åííûå ñ åå ïî-ìîùüþ. Áûëè èñïîëüçîâàíû äàííûå Òîìñêîé èîíîñôåðíîé ñòàíöèè, ïîëó÷åííûå çà ïåðèîä 1937–2003 ãã.

Ìåòîäèêà àíàëèçà

Äëÿ èñêëþ÷åíèÿ âëèÿíèÿ ãåîìàãíèòíîé àêòèâíîñòè íà âàðèàöèè êðèòè÷åñêèõ ÷àñòîò ñëîÿ F2 ðàññ÷èòûâàëèñü ìåñÿ÷íûå ìåäèàíû äëÿ âñåõ 15-ìèíóòíûõ òàêòîâ çîíäèðîâàíèÿ. Çàòåì ñóòî÷íûé õîä êðèòè÷åñêîé ÷àñòîòû ñëîÿ F2 ðàçáèâàëñÿ íà 6 ðàâíûõ âðåìåííûõ èíòåðâàëîâ, äëÿ êàæäîãî èç êîòîðûõ ðàññ÷èòûâàëîñü ñðåäíåå çíà÷åíèå. Íà ðèñ. 1 ïðåäñòàâëåí ñóòî÷íûé õîä ìåäèàííûõ çíà-÷åíèé êðèòè÷åñêèõ ÷àñòîò ñëîÿ F2 (â êà÷åñòâå ïðèìåðà âçÿò ìåäèàííûé ñóòî÷íûé õîä, ñîîòâåòñò-âóþùèé ôåâðàëþ 2002 ã.) è ïðèâåäåíà ñõåìà ðàçáèåíèÿ åãî íà âðåìåííûå èíòåðâàëû.

Âðåìåííûå èíòåðâàëû ïîäîáðàíû òàêèì îáðàçîì, ÷òîáû ñîîòâåòñòâîâàòü ðàçëè÷íûì ôàçàì ñóòî÷íîãî õîäà (íî÷ü, ïðåäóòðåííèé ìèíèìóì, ôàçà ðîñòà êðèòè÷åñêîé ÷àñòîòû ïîñëå âîñõîäà ñîëíöà, ïîëäåíü, ôàçà ñïàäà êðèòè÷åñêîé ÷àñòîòû, âå÷åðíèé ìèíèìóì). Îòìåòèì, ÷òî â îáùåì ñëåäóåò èìåòü â âèäó òî, ÷òî â ðàçíûå ñåçîíû ãîäà ãðàíèöû âðåìåííûõ èíòåðâàëîâ è èõ äëèòåëü-íîñòè ìåíÿþòñÿ.  íàñòîÿùåé ðàáîòå ýòî íå áûëî ó÷òåíî è ñóòî÷íûé õîä áûë ðàçáèò íà 6 ðàâíûõ ïî äëèòåëüíîñòè âðåìåííûõ èíòåðâàëîâ.

Ðàñ÷åò ñðåäíåãî ìåäèàííûõ çíà÷åíèé êðèòè÷åñêîé ÷àñòîòû âíóòðè êàæäîãî èíòåðâàëà ïîçâî-ëèë íå òîëüêî ñãëàäèòü âàðèàöèè, ñâÿçàííûå ñ ìàãíèòíîé àêòèâíîñòüþ, íî è âî ìíîãîì ðåøèòü ïðîáëåìó, îáóñëîâëåííóþ ïðîáåëàìè â èçìåðåíèÿõ (ïî òîé èëè èíîé ïðè÷èíå) è ôîðìèðîâàòü ïî

Page 85: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

85

âîçìîæíîñòè íàèáîëåå íåïðåðûâíûå ðÿäû àíàëèçèðóåìûõ äàííûõ, ÷òî ÿâëÿåòñÿ íåîáõîäèìûì óñëîâèåì ïðèìåíåíèÿ ñïåêòðàëüíîãî àíàëèçà.

Ðèñ. 1. Ñõåìà ðàçáèåíèÿ ìåäèàííîãî ñóòî÷íîãî õîäà êðèòè÷åñêîé ÷àñòîòû ñëîÿ F2. Ôåâðàëü 2002 ã.

Ñïåêòðàëüíûé àíàëèç ïîçâîëèë âûÿâèòü ðÿä çàêîíîìåðíîñòåé â ïîâåäåíèè êðèòè÷åñêèõ ÷àñ-òîò íà âñåì àíàëèçèðóåìîì ðÿäå äàííûõ (1937–2003 ãã.).

Ðèñ. 2. Àìïëèòóäíûå ñïåêòðû êðèòè÷åñêèõ ÷àñòîò ñëîÿ F2 äëÿ ðàçëè÷íûõ ñåçîíîâ ãîäà: à – çèìà; á – ðàâ-íîäåíñòâèå; â – ëåòî.  ëåãåíäå ïðåäñòàâëåíû àíàëèçèðóåìûå âðåìåííûå èíòåðâàëû è ñîîòâåòñòâóþùèå èì îáîçíà÷åíèÿ êðèâûõ

Âèäíî, ÷òî äëÿ ðàçëè÷íûõ ñåçîíîâ ãîäà (ðèñ. 2) ñïåêòðû ðàçëè÷àþòñÿ êàê ïî ñâîåìó ñïåê-òðàëüíîìó ñîñòàâó, òàê è ïî àìïëèòóäå. Íàïðèìåð, àìïëèòóäà ñïåêòðàëüíûõ ñîñòàâëÿþùèõ äëÿ ëåòíèõ ìåñÿöåâ ïðèìåðíî â 2–2,5 ðàçà ìåíüøå, ÷åì äëÿ çèìû è ðàâíîäåíñòâèÿ. Äëÿ çèìû â ñïåê-òðå ïðèñóòñòâóåò ãàðìîíèêà, ñîîòâåòñòâóþùàÿ ïåðèîäó 8 ëåò, à äëÿ ðàâíîäåíñòâèÿ è ëåòà îò÷åò-ëèâî âûäåëÿåòñÿ ãàðìîíèêà ñ ïåðèîäîì 5,5 ãîäà. Íåîáõîäèìî îòìåòèòü, ÷òî ëåòîì, âñëåäñòâèå îñîáåííîñòè ñóòî÷íîãî õîäà, êðèâûå, ñîîòâåòñòâóþùèå ðàçëè÷íûì èíòåðâàëàì, ñëèâàþòñÿ è ïî-âòîðÿþò äðóã äðóãà êàê ïî àìïëèòóäå, òàê è ïî ñâîåìó ñïåêòðàëüíîìó ñîñòàâó (ðèñ. 2, à).

Àíàëèç ñïåêòðàëüíîãî ñîñòàâà äëÿ ôèêñèðîâàííîãî âðåìåííîãî èíòåðâàëà (â êà÷åñòâå ïðèìåðà íà ðèñ. 3 ïðèâåäåíû ïðåäóòðåííèé ìèíèìóì, ïîëäåíü è âå÷åðíèé ìèíèìóì) â çàâèñèìîñòè îò àíàëèçèðóåìîãî ìåñÿöà ïîçâîëÿåò âûÿâèòü, êàêèì îáðàçîì èçìåíÿþòñÿ àìïëèòóäà è ñïåêòðàëüíûé ñîñòàâ ãàðìîíèê, ïðèñóòñòâóþùèõ â ñïåêòðå, îò âðåìåíè ñóòîê íà âñåì àíàëèçèðóåìîì ðÿäå íà-áëþäåíèé (1937–2003 ãã.).

à á â

Ðèñ. 3. Àìïëèòóäíûå ñïåêòðû êðèòè÷åñêèõ ÷àñòîò äëÿ 2, 3, 6, 7, 8, 11, 12-ãî ìåñÿöà: a – ïðåäóòðåííèé ìèíèìóì; á – ïîëäåíü è â – âå÷åðíèé ìèíèìóì

à á â

f0F2, Ãö

t, îò÷.

A, ÌÃö A, ÌÃö A, ÌÃö

A, ÌÃö A, ÌÃö A, ÌÃö

Page 86: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

86

Èç ðèñ. 3, a âèäíî, ÷òî âòîðîé âðåìåííîé èíòåðâàë, ñîîòâåòñòâóþùèé ïðåäóòðåííåìó ìèíèìó-ìó íà ñóòî÷íîì õîäå, â ñîñòàâå èìååò ãàðìîíèêè ñ ïåðèîäîì 5,5 è 8 ëåò è ïî àìïëèòóäå ÿâëÿåòñÿ íàèìåíüøèì. Äëÿ ÷åòâåðòîãî âðåìåííîãî èíòåðâàëà (ðèñ. 3, á), ñîîòâåòñòâóþùåãî ïîëóäåííûì çíà÷åíèÿì êðèòè÷åñêèõ ÷àñòîò, àìïëèòóäà ñïåêòðàëüíûõ ñîñòàâëÿþùèõ, êàê è ñëåäîâàëî îæèäàòü, ÿâëÿåòñÿ ìàêñèìàëüíîé, îäíàêî 8-ëåòíÿÿ ãàðìîíèêà â ñïåêòðå îòñóòñòâóåò. Øåñòîé âðåìåííîé èí-òåðâàë (ðèñ. 3, â), ñîîòâåòñòâóþùèé âå÷åðíåìó ìèíèìóìó (ñì. ðèñ. 1), âíåøíå ñõîæ ñ ïðåäóòðåí-íèì ìèíèìóìîì ïî ñïåêòðàëüíîìó ñîñòàâó è ïî àìïëèòóäå, íî àìïëèòóäà ãàðìîíèê èçìåíÿåòñÿ áî-ëåå ïëàâíûì îáðàçîì îò çèìû ê ëåòó è îò ëåòà ê çèìå ñîîòâåòñòâåííî. Îòìåòèì, ÷òî âòîðîé è ÷åò-âåðòûé âðåìåííûå èíòåðâàëû âûäåëÿþòñÿ ãðóïïèðîâêîé ïî àìïëèòóäå çèìíèõ è ëåòíèõ ìåñÿöåâ.

Çàêëþ÷åíèå

Ïðåäëîæåííàÿ ìåòîäèêà ïîçâîëèëà ïðîâåñòè àíàëèç ñåçîííî-ñóòî÷íîé èçìåí÷èâîñòè ñïåê-òðàëüíîãî ñîñòàâà ðÿäîâ äàííûõ êðèòè÷åñêîé ÷àñòîòû ñëîÿ F2 è âûÿâèëà ñëåäóþùèå çàêîíîìåðíî-ñòè â ïîâåäåíèè îñíîâíûõ ñïåêòðàëüíûõ ñîñòàâëÿþùèõ, îáóñëîâëåííûõ ñîëíå÷íûì âîçäåéñòâèåì:

– äëÿ ðàçëè÷íûõ ñåçîíîâ ãîäà ñïåêòðû f0F2 ðàçëè÷àþòñÿ ïî ñâîåìó ñïåêòðàëüíîìó ñîñòàâó è ïî àìïëèòóäå;

– àìïëèòóäà ñïåêòðàëüíûõ ñîñòàâëÿþùèõ äëÿ ëåòíèõ ìåñÿöåâ ïðèìåðíî â 2–2,5 ðàçà ìåíü-øå, ÷åì äëÿ çèìû è ðàâíîäåíñòâèÿ;

– çèìîé â ñïåêòðå ïðèñóòñòâóåò ãàðìîíèêà, ñîîòâåòñòâóþùàÿ ïåðèîäó 8 ëåò, à äëÿ ðàâíîäåí-ñòâèÿ è ëåòà îò÷åòëèâî âûäåëÿåòñÿ ãàðìîíèêà ñ ïåðèîäîì 5,5 ãîäà;

– ïðåäóòðåííèé ìèíèìóì íà ñóòî÷íîì õîäå â ñîñòàâå èìååò ãàðìîíèêè ñ ïåðèîäîì 5,5 è 8 ëåò è ïî àìïëèòóäå ÿâëÿåòñÿ íàèìåíüøèì;

– äëÿ ïîëóäåííûõ çíà÷åíèé êðèòè÷åñêèõ ÷àñòîò àìïëèòóäà ñïåêòðàëüíûõ ñîñòàâëÿþùèõ ÿâ-ëÿåòñÿ ìàêñèìàëüíîé;

– äëÿ âå÷åðíåãî ìèíèìóìà àìïëèòóäà ãàðìîíèê â ñïåêòðå èçìåíÿåòñÿ îò çèìû ê ëåòó è îò ëå-òà ê çèìå ïëàâíûì îáðàçîì.

Ïåðå÷èñëåííûå îñîáåííîñòè â ïîâåäåíèè ñïåêòðàëüíîãî ñîñòàâà íåîáõîäèìî ó÷èòûâàòü ïðè àíà-ëèçå äîëãîïåðèîäíûõ âàðèàöèé (òðåíäîâ f0F2), ïîñêîëüêó äîâîëüíî ñëîæíîå ïîâåäåíèå ãàðìîíèê, îáóñëîâëåííûõ ñîëíå÷íîé àêòèâíîñòüþ, â çàâèñèìîñòè îò âðåìåíè ñóòîê ìîæåò íå îäíîçíà÷íûì îá-ðàçîì ñêàçûâàòüñÿ íà ñàìîì ãëàâíîì ïàðàìåòðå ëèíåéíîãî òðåíäà – óãëå íàêëîíà (óãîë íàêëîíà äëÿ ðàçëè÷íîãî âðåìåíè ñóòîê ìîæåò íå òîëüêî äîâîëüíî ñèëüíî ìåíÿòüñÿ, íî è èçìåíÿòü çíàê).

Ëèòåðàòóðà

1. Äàíèëîâ À.Ä. Äîëãîâðåìåííûå òðåíäû hmF2, íå çàâèñÿùèå îò ãåîìàãíèòíîé àêòèâíîñòè // Ãåîìàãíå-

òèçì è àýðîíîìèÿ. 2004. Ò. 44. ¹ 1. Ñ. 60–66. 2. Äàíèëîâ À.Ä., Ìèõàéëîâ À.Â. Äîëãîâðåìåííûå òðåíäû ïàðàìåòðîâ îáëàñòè F2: íîâûé ïîäõîä //

Ãåîìàãíåòèçì è àýðîíîìèÿ. 1999. Ò. 39. ¹ 4. Ñ. 75–81. 3. Ãèâèøâèëè Ã.Â., Ëåùåíêî Ë.È. Âîçìîæíîå äîêàçàòåëüñòâî íàëè÷èÿ òåõíîãåííîãî âîçäåéñòâèÿ íà

ñðåäíåøèðîòíóþ èîíîñôåðó // Äîêë. ÐÀÍ. 1994. Ò. 334. ¹ 2. Ñ. 213–214. 4. Øóáèí Â.Í., Ôåëüäøòåéí À.ß. Òðåíäû êðèòè÷åñêèõ ÷àñòîò ñëîÿ F2 ïî äàííûì ñòàíöèè Ñëîó çà ïå-

ðèîä 1932–1995 ãã. // Ãåîìàãíåòèçì è àýðîíîìèÿ. 1998. Ò. 38. ¹ 2. Ñ. 171–175. 5. Òàðàùóê Þ.Å., Öûáèêîâ Á.Á. Ñðåäíåãîäîâûå âàðèàöèè êðèòè÷åñêèõ ÷àñòîò ñëîÿ F2 ïî äàííûì Òîì-

ñêîé èîíîñôåðíîé ñòàíöèè çà ïåðèîä 1936–1998 ãã. // Ìàòåðèàëû íàó÷í. êîíô. «Ôóíäàìåíòàëüíûå ïðîáëåìû îõðàíû îêðóæàþùåé ñðåäû è ýêîëîãèè ïðèðîäíî-òåððèòîðèàëüíûõ êîìïëåêñîâ Çàïàäíîé Ñèáèðè». Ãîðíî-Àëòàéñê, 2000. C. 39–41.

ÎÖÅÍÊÀ ÌÈÍÈÌÀËÜÍÎÉ ÎØÈÁÊÈ ÏÅËÅÍÃÀ ÌÀËÎÐÀÇÌÅÐÍÛÕ ÏÎÆÀÐÎÂ ÏÐÈ ÈÍÔÐÀÇÂÓÊÎÌÅÒÐÈÈ

À.Â. Ñîëîâüåâ

Ñèáèðñêèé ôèçèêî-òåõíè÷åñêèé èíñòèòóò èì. Â.Ä. Êóçíåöîâà ïðè Òîìñêîì ãîñóíèâåðñèòåòå, ã. Òîìñê, e-mail: [email protected]

Ñðåäè íåñìåùåííûõ îöåíîê íåèçâåñòíîãî ïàðàìåòðà ðàñïðåäåëåíèÿ æåëàòåëüíî âûáðàòü òó, êîòîðàÿ èìååò íàèìåíüøóþ äèñïåðñèþ. Íèæíÿÿ ãðàíèöà äèñïåðñèè íåñìåùåííîé îöåíêè, èëè äèñïåðñèÿ ýôôåêòèâíîé îöåíêè ïðè íîðìàëüíîì ðàñïðåäåëåíèè ïàðàìåòðà, îïðåäåëÿåòñÿ íåðà-âåíñòâîì Êðàìåðà–Ðàî [1]:

Page 87: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

87

( )�

ýôô

2 2

2

2

1,

lnf xΘ Θσ ≥ − = σ

∂ ΘΘ

∂Θ

(1)

ãäå �ýôôΘσ îïðåäåëÿåò ïîòåíöèàëüíóþ òî÷íîñòü íåñìåùåííîé îöåíêè, ïîñòðîåííîé ïî âûáîðêå

îáúåìà n. Îïðåäåëèì ýôôåêòèâíóþ îöåíêó äèñïåðñèè óãëîâûõ êîîðäèíàò èñòî÷íèêà èíôðàçâóêîâûõ

âîëí èëè, äðóãèìè ñëîâàìè, ìèíèìàëüíóþ îøèáêó ïåëåíãà. Ïóñòü äåòåðìèíèðîâàííûé ñèãíàë è íåêîððåëèðóåìûé øóì ïðèíèìàþòñÿ äâóìÿ ïðèåìíûìè ïóíêòàìè, ðàçíåñåííûìè â ïðîñòðàíñòâå íà íåêîòîðîå ðàññòîÿíèå d. Íàïðÿæåíèÿ íà âûõîäå ïðèåìíûõ óñòðîéñòâ ìîæíî çàïèñàòü â ñëå-äóþùåì âèäå:

( )

( )

1 0 0 1 1

2 0 0 2 2

cos sin cos ,2

cos sin cos .2

ø

ø

kdU A t a t

kdU A t a t

⎛ ⎞= ω − Θ + ω + ϕ⎜ ⎟⎝ ⎠

⎛ ⎞= ω + Θ + ω + ϕ⎜ ⎟⎝ ⎠

(2)

Ðàçëîæèì ýòè âåëè÷èíû íà äåòåðìèíèðîâàííûå è ñëó÷àéíûå ñîñòàâëÿþùèå è ñãðóïïèðóåì êîýôôèöèåíòû ïðè êâàäðàòóðíûõ ñîñòàâëÿþùèõ ñèãíàëà:

( ) ( )

( ) ( )

1 0 0 1 1 0 0 1 1

2 0 0 2 2 0 0 2 2

cos sin cos cos sin sin sin sin ,2 2

cos sin cos cos sin sin sin sin .2 2

ø ø

ø ø

kd kdU A a t A a t

kd kdU A a t A a t

⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞= − Θ + ϕ ω − − Θ + ϕ ω⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦ ⎣ ⎦

⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎛ ⎞ ⎛ ⎞= Θ + ϕ ω − Θ + ϕ ω⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎣ ⎦ ⎣ ⎦

(3)

Îáîçíà÷èì ÷åðåç

1 0 0 1 1 2 0 0 1 1

3 0 0 2 2 4 0 0 2 2

cos sin cos , sin sin sin ,2 2

cos sin cos , sin sin sin ,2 2

ø ø

ø ø

kd kdX A a X A a

kd kdX A a X A a

⎛ ⎞ ⎛ ⎞= − Θ + ϕ = − Θ + ϕ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

⎛ ⎞ ⎛ ⎞= Θ + ϕ = Θ + ϕ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

(4)

òîãäà âûõîäíûå íàïðÿæåíèÿ ìîæíî çàïèñàòü ñëåäóþùèì îáðàçîì:

( ) ( )( ) ( )

1 1 2

2 3 4

cos sin ,

cos sin .

U X t X t

U X t X t

= ω − ω= ω − ω

(5)

Ìèíèìàëüíàÿ îøèáêà ïåëåíãà íà èñòî÷íèê èíôðàçâóêîâûõ âîëí áóäåò îïðåäåëÿòüñÿ ñîãëàñíî âûðàæåíèþ (1) ÷åðåç

( )

2

2

1 2 3 4

2

0

1

ln , , ,P X X X XΘσ ≥ −

∂∂Θ

. (6)

×åòûðåõìåðíàÿ ôóíêöèÿ ðàñïðåäåëåíèÿ êîýôôèöèåíòîâ ïðè êâàäðàòóðíûõ ñîñòàâëÿþùèõ (6) çàïèñûâàåòñÿ â âèäå

( )( )

( )( )4

1 2 3 4 /2, 1

1 1, , , exp

22ij i i j jn

i jij

P X X X X W X X X X

R =

⎧ ⎫⎪ ⎪= − − −⎨ ⎬π ⎪ ⎪⎩ ⎭

∑ , (7)

ãäå |Rij| – îïðåäåëèòåëü êîððåëÿöèîííîé ìàòðèöû, ñîñòàâëåííîé èç çíà÷åíèé ôóíêöèè êîððåëÿ-öèè R(ti, tj) ñèãíàëà X(t); Wij – ýëåìåíòû ìàòðèöû, îáðàòíîé êîððåëÿöèîííîé. Äëÿ îòûñêàíèÿ ýëåìåíòîâ îáðàòíîé ìàòðèöû óäîáíî ïîëüçîâàòüñÿ ðàâåíñòâîì

ij

ij

ij

RW

R= , (8)

ãäå ijR – àëãåáðàè÷åñêîå äîïîëíåíèå ýëåìåíòà Rij êîððåëÿöèîííîé ìàòðèöû.

Page 88: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

88

Äèàãîíàëüíûå ýëåìåíòû êîððåëÿöèîííîé ìàòðèöû – äèñïåðñèÿ øóìîâ êâàäðàòóðíûõ ñîñòàâëÿþùèõ, à îñòàëüíûå ýëåìåíòû êîððåëÿöèîííîé ìàòðèöû ðàâíû íóëþ, ïîñêîëüêó øóìû íå êîððåëèðóåìûå. Òîãäà êîððåëÿöèîííóþ ìàòðèöó ìîæíî çàïèñàòü â ñëåäóþùåì âèäå:

2

12

22

32

4

0 0 0

0 0 0

0 0 0

0 0 0

ijR

σσ= σ

σ

. (9)

Åñëè ïðåäïîëîæèòü, ÷òî 2 2 2 2 2

1 2 3 4σ = σ = σ = σ = σ , òî 8

ijR = σ , 6

ijR = σ , ñëåäîâàòåëüíî, 2

1.ijW =

σ

Òîãäà êîëè÷åñòâî èíôîðìàöèè çàïèøåòñÿ òàê:

( ) ( )

2 4221 2 3 4

2 2 2

0 0 1

ln , , , 1.

2i i

i

P X X X XX X

=

⎡ ⎤∂ ∂= − −⎢ ⎥∂Θ σ ∂Θ ⎣ ⎦∑ (10)

Îïóñêàÿ ïðîìåæóòî÷íûå ðàñ÷åòû, çàïèøåì îêîí÷àòàëüíûé ðåçóëüòàò

( ) ( )

2 221 2 3 4 0

02 2

0

ln , , ,cos .

2

P X X X X Akd

∂= − Θ

∂Θ σ (11)

Òîãäà ñîîòíîøåíèå äëÿ ìèíèìàëüíîé îøèáêè ïåëåíãà, êîòîðîå áóäåò èìåòü ìåñòî ïðè çíà÷åíèÿõ Θ0 = 0, çàïèøåòñÿ â âèäå

2

2

min 2

0

1,

2 dq

λ⎛ ⎞σ = ⎜ ⎟π⎝ ⎠ (12)

ãäå 2

0q – îòíîøåíèå ñèãíàë-øóì ïî ìîùíîñòè, à 2

2 dπ⎛ ⎞⎜ ⎟λ⎝ ⎠

– êâàäðàò ïåëåíãàöèîííîé

õàðàêòåðèñòèêè ñèñòåìû ïåëåíãàöèè. Ïîñêîëüêó âî âðåìÿ ìàëîðàçìåðíûõ ïîæàðîâ íàáëþäàåòñÿ ãåíåðàöèÿ òðåõ õàðàêòåðíûõ

ñïåêòðàëüíûõ ñîñòàâëÿþùèõ [2], òî ñóùåñòâóåò âîçìîæíîñòü îïðåäåëåíèÿ ïåëåíãà íà èñòî÷íèê ïî äàííûì ðåãèñòðàöèè ñèãíàëîâ íà óêàçàííûõ ÷àñòîòàõ îäíîâðåìåííî. Îäíîâðåìåííîå îïðåäåëåíèå ïåëåíãà íà èñòî÷íèê èíôðàçâóêîâûõ âîëí ïî òðåì íåçàâèñèìûì ñèãíàëàì çíà÷èòåëüíî ïîâûøàåò òî÷íîñòü îïðåäåëåíèÿ óãëîâûõ êîîðäèíàò èñòî÷íèêà. Îïðåäåëèì ìèíèìàëüíóþ îøèáêó ïåëåíãà ïî äàííûì ðåãèñòðàöèè òðåõ íåçàâèñèìûõ ñèãíàëîâ.

 ïðåäïîëîæåíèè î íåçàâèñèìîñòè äðóã îò äðóãà èçëó÷àåìûõ èíôðàçâóêîâûõ ñèãíàëîâ âî âðåìÿ ìàëîðàçìåðíûõ ïîæàðîâ íà õàðàêòåðíûõ ÷àñòîòàõ ñîâìåñòíîå ðàñïðåäåëåíèå èõ êâàäðàòóð-íûõ ñîñòàâëÿþùèõ áóäåò ïðîèçâåäåíèåì ôóíêöèé ðàñïðåäåëåíèÿ (12) êâàäðàòóðíûõ ñîñòàâëÿþ-ùèõ äëÿ êàæäîãî ñèãíàëà íà ñâîåé ÷àñòîòå â îòäåëüíîñòè. Òîãäà êîëè÷åñòâî èíôîðìàöèè áóäåò èìåòü âèä:

2 22 2 2 2

1 2 3

0 0 0 0

1 1 2 2 3 3

2 2 2( ) cos cos cos ,

A d A d A dI

⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞π π πΘ = − Θ − Θ − Θ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟σ λ σ λ σ λ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ (13)

à ìèíèìàëüíàÿ îøèáêà ïåëåíãà ïî òðåì îäíîâðåìåííûì íåçàâìñèìûì èçìåðåíèÿì ïðèìåò âèä

2

min 2 22 2 2 2

1 2 3

1 1 2 2 3 3

1.

2 2 2A d A d A d

σ =⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞π π π+ + ⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟ ⎜ ⎟σ λ σ λ σ λ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠

(14)

Îïðåäåëèì, êàêèì îáðàçîì áóäåò èçìåíÿòüñÿ ìèíèìàëüíàÿ îøèáêà ïåëåíãà îò ñåçîíà ãîäà ïðè ôèêñèðîâàííûõ çíà÷åíèÿõ àìïëèòóä õàðàêòåðíûõ ñïåêòðàëüíûõ ñîñòàâëÿþùèõ èíôðàçâóêîâûõ êîëåáàíèé ïðè ìàëûõ ïîæàðàõ è ôèêñèðîâàííîì ðàññòîÿíèè ìåæäó ïóíêòàìè èçìåðåíèÿ. Ñïåêòðàëüíàÿ ïëîòíîñòü ìîùíîñòè èíôðàçâóêîâûõ øóìîâ àïïðîêñèìèðóåòñÿ ñîîòíîøåíèåì

Page 89: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

89

( ) ,B

øS f A f= êîýôôèöèåíòû àïïðîêñèìàöèè Àø è  êîòîðîãî èìåþò ñóòî÷íûå è ñåçîííûå

èçìåíåíèÿ [3]. Òîãäà äèñïåðñèè øóìîâ íà èçìåðÿåìûõ ÷àñòîòàõ ìîæíî çàïèñàòü â âèäå 2

,

B

i ø iA fσ = à çàâèñèìîñòü ÷àñòîò õàðàêòåðíûõ ñïåêòðàëüíûõ ñîñòàâëÿþùèõ îò íàèìåíüøåé

f2/f1 = 1,32 ± 0,09; f3/f1 = 2,82 ± 1,16, ãäå f1 – íàèìåíüøàÿ ïî ÷àñòîòå ñïåêòðàëüíàÿ ñîñòàâëÿþ-ùàÿ. Ïîäñòàâèâ äàííûå ñîîòíîøåíèÿ â âûðàæåíèå (14), ïîëó÷èì

2 2

2 1

min 2 2

2 2 22 3

1 2 3

1 1

.2

B

ø

B B

c A f

d f fA A A

f f

− −⎛ ⎞σ = ⎜ ⎟π⎝ ⎠ ⎛ ⎞ ⎛ ⎞

+ +⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

(15)

Ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòîâ ïðåäñòàâëåíû íà ðèñóíêå. Äëÿ áàçû ìåæäó ïóíêòàìè èçìåðåíèÿ, ðàâíîé 1000 ì, ìèíèìàëüíûé îæèäàåìûé ðàçáðîñ çíà÷åíèé óãëîâûõ êîîðäèíàò èñòî÷íèêà èíôðàçâóêî-âûõ âîëí ìîæåò âàðüèðîâàòüñÿ îò åäèíèö äî äåñÿòêîâ ãðàäóñîâ, â çàâèñèìîñòè îò ñåçîíà ãîäà è ÷àñòîòíûõ îêîí õàðàêòåðíûõ ñïåêòðàëüíûõ ñîñòàâëÿþùèõ.

Ìèíèìàëüíûé îæèäàåìûé ðàçáðîñ çíà÷åíèé óãëîâûõ êîîðäèíàò èñòî÷íèêà èíôðàçâóêîâûõ âîëí â çàâèñè- ìîñòè îò ñåçîíà ãîäà è ÷àñòîòíûõ îêîí õàðàêòåðíûõ ñïåêòðàëüíûõ ñîñòàâëÿþùèõ

Ëèòåðàòóðà

1. Ïîíîìàðåâ Ã.À., Ïîíîìàðåâà Â.Í., ßêóáîâ Â.Ï. Ñòàòèñòè÷åñêèå ìåòîäû â ðàäèîôèçèêå. Òîìñê: Èçä-âî Òîì. óí-òà, 1989. 235 ñ.

2. Ñîëîâüåâ À.Â., Òåëüïóõîâñêèé Å.Ä. Èññëåäîâàíèå èíôðàçâóêîâûõ êîëåáàíèé äàâëåíèÿ ïðè ìàëîìàñ-øòàáíûõ ïîæàðàõ // Èçâ. âóçîâ. Ôèçèêà. ¹ 1. 2001. Ñ. 91–93.

3. Ñîëîâüåâ À.Â., Òåëüïóõîâñêèé Å.Ä. Ñåçîííî-ñóòî÷íûå âàðèàöèè èíôðàçâóêîâûõ øóìîâ â àòìîñôåðå // Ñáîðíèê ñòàòåé Òðåòüåé Âñåðîñ. íàó÷í. êîíô. «Ôèçè÷åñêèå ïðîáëåìû ýêîëîãèè (ýêîëîãè÷åñêàÿ ôèçèêà)». Ì.: Èçä-âî ÌÃÓ, 2001. Ò. 7. Ñ. 17–27.

ÒÎÏÎËÎÃÈ×ÅÑÊÎÅ ÐÀÑÏÐÅÄÅËÅÍÈÅ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊ ÝÝÃ-ÀÊÒÈÂÍÎÑÒÈ ÌÎÇÃÀ ×ÅËÎÂÅÊÀ  ×ÀÑÒÎÒÍÛÕ ÄÈÀÏÀÇÎÍÀÕ

ÎÑÍÎÂÍÛÕ ÌÎÄ ØÓÌÀÍÎÂÑÊÎÃÎ ÐÅÇÎÍÀÍÑÀ

Ð.Í. Àõìåòøèí

Òîìñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò, ðàäèîôèçè÷åñêèé ôàêóëüòåò, ã. Òîìñê

Çà ïîñëåäíèå 40–50 ëåò âîçíèê è ñôîðìèðîâàëñÿ íîâûé çíà÷èìûé ôàêòîð îêðóæàþùåé ñðå-äû – ýëåêòðîìàãíèòíûå ïîëÿ (ÝÌÏ) àíòðîïîãåííîãî ïðîèñõîæäåíèÿ.  ðåçóëüòàòå ñóììàðíàÿ íàïðÿæåííîñòü ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ â ðàçëè÷íûõ òî÷êàõ çåìíîé ïîâåðõíîñòè óâåëè÷èëàñü ïî ñðàâíåíèþ ñ åñòåñòâåííûì ôîíîì â 100–10000 ðàç. Îñîáåííî ðåçêî îíà âîçðîñëà âáëèçè ëèíèé ýëåêòðîïåðåäà÷ (ËÝÏ), ðàäèî- è òåëåñòàíöèé, ñðåäñòâ ðàäèîëîêàöèè è ðàäèîñâÿçè, ðàçëè÷íûõ ýíåðãåòè÷åñêèõ è ýíåðãîåìêèõ óñòàíîâîê, ãîðîäñêîãî ýëåêòðîòðàíñïîðòà [1].

σd, ãðàä ⋅ ì

Ìåñÿö

2000 ã. 2001 ã.

Fmin = 0,004 Ãö

Fmin = 0,11 Ãö 2000 ã. 2001 ã.

Page 90: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

90

Ðåçóëüòàòû èññëåäîâàíèÿ áèîëîãè÷åñêîé ýôôåêòèâíîñòè ÝÌÏ ñâèäåòåëüñòâóþò î ÷óâñòâè-òåëüíîñòè ê íèì êàê ôèçèêî-õèìè÷åñêèõ ñèñòåì, òàê è îðãàíèçìîâ ðàçëè÷íîé ñòåïåíè ñëîæíîñòè. Ïîýòîìó çàäà÷à çàùèòû îêðóæàþùåé ñðåäû îò âîçäåéñòâèÿ àíòðîïîãåííûõ ÝÌÏ ÿâëÿåòñÿ î÷åíü àêòóàëüíîé.

ÝÌÏ ïîñòîÿííî çàïîëíÿþò îðãàíèçì ÷åëîâåêà, îíè âîçíèêàþò ïðè ðàáîòå ñåðäöà è òîêå êðî-âè, ñîïðîâîæäàþò íåðâíîå âîçáóæäåíèå è ìûøå÷íîå ñîêðàùåíèå, ãåíåðèðóþòñÿ ïðè ðàáîòå ìèòî-õîíäðèé è ò.ä. Âñå ïðîöåññû íåðâíîãî è ìûøå÷íîãî âîçáóæäåíèÿ òåñíî ñâÿçàíû ñ ïðîòåêàíèåì áèîòîêîâ. Ýëåêòðè÷åñêàÿ àêòèâíîñòü ìîçãà ïðîòåêàåò ðèòìè÷íî, ñ öåëûì íàáîðîì ðèòìîâ, ìå-íÿþùèõñÿ â çàâèñèìîñòè îò ñîñòîÿíèÿ îðãàíèçìà.

Ñ ïîÿâëåíèåì ìîùíûõ âíåøíèõ èñòî÷íèêîâ òåõíîãåííîãî õàðàêòåðà íàðóøàåòñÿ åñòåñòâåííàÿ ýëåêòðîìàãíèòíàÿ ñðåäà îáèòàíèÿ, ÷òî ìîæåò ïðèâåñòè ê íåïðåäñêàçóåìûì ïîñëåäñòâèÿì, à òàêæå ê íàðóøåíèþ ðåãóëÿòîðíûõ è ïåðèîäè÷åñêèõ ïðîöåññîâ â îðãàíèçìå ÷åëîâåêà. Ýòî ïðèâîäèò ê íåîáõîäèìîñòè èçó÷àòü âíåøíèå ýëåêòðîìàãíèòíûå ïîëÿ åñòåñòâåííîãî ïðîèñõîæäåíèÿ è îñîáåííî ïîëÿ òåõíîãåííîãî ïðîèñõîæäåíèÿ è èõ âîçìîæíîå âîçäåéñòâèå íà æèâûå îðãàíèçìû, â ÷àñòíîñòè íà íåéðîäèíàìè÷åñêóþ ñèñòåìó ÷åëîâåêà [2].

Òàêèì îáðàçîì, ïðîáëåìà èññëåäîâàíèÿ ýêîëîãè÷åñêîãî âîçäåéñòâèÿ ÓÍ×- è ÊÍ×-äèàïàçî- íîâ ýëåêòðîìàãíèòíûõ âîëí íà æèçíåäåÿòåëüíîñòü ÷åëîâåêà îáëàäàåò äîñòàòî÷íîé ñòåïåíüþ àêòó-àëüíîñòè è òðåáóåò áîëåå ïîëíîãî îïèñàíèÿ.

 äàííîé ðàáîòå äëÿ èññëåäîâàíèÿ âûáðàíû óëüòðàíèçêèé è êðàéíå íèçêèé äèàïàçîíû ÷àñòîò (ÓÍ×–ÊÍ×). Ñâÿçàííî ýòî ñ òåì, ÷òî äèàïàçîíû îò äîëåé äî äåñÿòêîâ ãåðö ñîâïàäàåò ñ îñíîâ-íûìè áèîëîãè÷åñêèìè ðèòìàìè ÷åëîâåêà.

Äëÿ êîððåêòíîãî ðåøåíèÿ ïðîáëåìû îöåíêè âëèÿíèÿ âàðèàöèé ïîëåé ÓÍ×–ÊÍ×-äèàïàçîíà îêðóæàþùåé ñðåäû íà îðãàíèçì ÷åëîâåêà îïòèìàëüíûì ïðåäñòàâëÿåòñÿ ðåøåíèå, ñâÿçàííîå ñ îð-ãàíèçàöèåé è ïðîâåäåíèåì ñèíõðîííûõ, ñîïðÿæåííûõ ïî âðåìåíè èçìåðåíèé êîìïëåêñà ãåîôèçè-÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ è ïåðåìåííûõ ñîñòîÿíèÿ íåéðîäèíàìè÷åñêîé ñèñòåìû â ðåæèìå èíòåðàêòèâíî-ãî ìîíèòîðèíãà. Ïðè ýòîì â êà÷åñòâå èíäèêàòîðà âíåøíåãî âîçäåéñòâèÿ öåëåñîîáðàçíî èñïîëüçî-âàòü ïîêàçàòåëè îñíîâíîé ðèòìîðåãóëèðóþùåé ñèñòåìû îðãàíèçìà ÷åëîâåêà è ïåðâè÷íîãî àêöåïòîðà âíåøíèõ âîçäåéñòâèé – íåðâíîé ñèñòåìû. Ñîñòîÿíèå ïîñëåäíåé ìîæíî âûðàçèòü â ïà-ðàìåòðàõ ýëåêòðîýíöåôàëîãðàôèè (ÝÝÃ).

Ìåòîäèêà

Ýêñïåðèìåíòû ïðîâîäèëèñü â ðåæèìå âûáîðî÷íîãî ìîíèòîðèíãà. Îáùåå êîëè÷åñòâî èñïûòóå-ìûõ ñîñòàâëÿëî 5 ìóæ÷èí-äîáðîâîëüöåâ â âîçðàñòå 18–20 ëåò. Âðåìÿ è äåíü ïðîâåäåíèÿ èññëåäî-âàíèé âûáèðàëèñü ïðîèçâîëüíî. Äëÿ îäíîãî èç èñïûòóåìûõ áûëà íàáðàíà ñòàòèñòèêà îáúåìîì 10 ýêñïåðèìåíòàëüíûõ ñåðèé. À äëÿ òîãî ÷òîáû îöåíèòü èíäèâèäóàëüíîñòü âîçäåéñòâèÿ â îäèí èç äíåé ñúåìà, ýêñïåðèìåíò áûë ïðîâåäåí íà 5 èñïûòóåìûõ. Äëÿ ïðîâåäåíèÿ ìîíèòîðèíãà ñîñòîÿíèÿ íåéðîäèíàìè÷åñêîé ñèñòåìû îðãàíèçìà ÷åëîâåêà èñïîëüçîâàëñÿ ýëåêòðîýíöåôàëîãðàô «Íåéðîñêîï NS408A», ïîçâîëÿþùèé ðåãèñòðèðîâàòü ïàðàìåòðû ñïîíòàííîé ýëåêòðè÷åñêîé àêòèâíîñòè ãîëîâ-íîãî ìîçãà ÷åëîâåêà â ïîëîñå ÷àñòîò 0,5–35 Ãö. Ðåãèñòðàöèþ ÝÝà îñóùåñòâëÿëè ìîíîïîëÿðíî ïî âîñüìè îòâåäåíèÿì: ëîáíûå ïîëþñà (Fp1, Fp2), öåíòðàëüíûå (C1, C2), ïàðèåòàëüíûå (P1, P2) è îêöèïèòàëüíûå (O1, O2) ïî ñòàíäàðòíîé ñèñòåìå («10–20») [3]. Èñïûòóåìûå íàõîäèëèñü â ñî-ñòîÿíèè ïîêîÿ ñ çàêðûòûìè ãëàçàìè, âðåìÿ ðåãèñòðàöèè ñîñòàâëÿëî 12 ìèí. Ýêñïåðèìåíòû ïðî-âîäèëèñü ñ 12 íîÿáðÿ 2003 ã. ïî 16 ìàðòà 2004 ã. Äëÿ ïðîâåäåíèÿ ìîíèòîðèíãà ýëåêòðîìàãíèòíîãî ôîíà ÓÍ×–ÊÍ×-äèàïàçîíà áûë èñïîëüçîâàí èçìåðèòåëüíî-âû÷èñëèòåëüíûé êîìïëåêñ, ïîçâî-ëÿþùèé ïðîèçâîäèòü ïðèåì è îáðàáîòêó ýëåêòðîìàãíèòíûõ ñèãíàëîâ â äèàïàçîíå ÷àñòîò îò 0,1 äî 40 Ãö [4, 5].  êà÷åñòâå èññëåäóåìûõ äèàïàçîíîâ ÷àñòîò áûëè âûáðàíû 6–9 è 12–15 Ãö, ñâÿçàííî ýòî ñ òåì, ÷òî â äàííûõ äèàïàçîíàõ âàðüèðóþò ïåðâàÿ è âòîðàÿ ìîäû øóìàíîâñêîãî ðåçîíàòîðà. Êîìïëåêñ ïîëó÷åííûõ ýêñïåðèìåíòàëüíûõ äàííûõ áûë ïîäâåðæåí ñïåêòðàëüíîìó Ôóðüå-àíàëèçó èñõîäíûõ ïîêàçàòåëåé. Íà îñíîâå äàííîãî àíàëèçà áûëè ïîëó÷åíû âðåìåííûå ðÿäû çíà÷åíèé ìîùíîñòè (èçëó÷àåìîé â äèàïàçîíå ÷àñòîò 6–9 è 12–15 Ãö â åäèíèöó âðåìåíè) ÝÝà äëÿ êàæäîãî êàíàëà (äëèòåëüíîñòü êàæäîãî ðÿäà 2,5 ìèí) è ïåðâûõ äâóõ ìîä ðåçîíàòîðà Øóìàíà (6–9 è 12–15 Ãö, äëèòåëüíîñòü ðÿäà 2,5 ìèí). Àíàëèç ñîâìåñòíûõ ÷àñòîòíûõ ïàðàìåòðîâ ÝÌÏ è ÝÝà ïðîâîäèëñÿ íà áàçå ýëåìåíòîâ ñòàíäàðòíûõ ïðîãðàììíûõ ïàêåòîâ. Äëÿ îïðåäåëåíèÿ ñòàòèñòè÷å-ñêîé ñâÿçè ìåæäó ïåðåìåííûìè èñïîëüçîâàëèñü êîýôôèöèåíòû êðîññêîððåëÿöèîííîé ôóíêöèè.  êà÷åñòâå êðèòåðèÿ çíà÷èìîñòè ïîëó÷åííîãî êîððåëÿöèîííîãî îòíîøåíèÿ áûë âçÿò ïåðâûé ïîðîã âåðîÿòíîñòè áåçîøèáî÷íûõ ïðîãíîçîâ (95%).

Page 91: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

91

Ðåçóëüòàòû è èõ îáñóæäåíèå

Àíàëèç ïîëó÷åííûõ êîððåëÿöèîííûõ ñîîòíîøåíèé ïîçâîëÿåò êîíñòàòèðîâàòü íàëè÷èå ñòàòè-ñòè÷åñêè çíà÷èìîé ñâÿçè ìåæäó èññëåäóåìûìè ïðîöåññàìè, ÷òî ïîäòâåðæäàåò áèîýôôåêòèâíîñòü äèàïàçîíîâ ÷àñòîò 6–9 è 12–15 Ãö. Çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòîâ êîððåëÿöèè âàðüèðóþò (ìàêñèìàëü-íûé ïîëó÷åííûé êîýôôèöèåíò êîððåëÿöèè 0,8, ìèíèìàëüíûé 0,16) îò èçìåðåíèÿ ê èçìåðåíèþ, ýòî îáóñëîâëåíî ñëîæíîé ñòðóêòóðîé ïîòåíöèàëüíîãî âîçäåéñòâèÿ è íàëè÷èåì ìíîæåñòâà ôàêòî-ðîâ, âëèÿþùèõ, â ïåðâóþ î÷åðåäü, íà äèíàìèêó ñïîíòàííîé ýëåêòðè÷åñêîé àêòèâíîñòè ìîçãà.

Äëÿ íàãëÿäíîñòè ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ íà ðèñ. 1 ïîêàçàíà îäíà èç äèàãðàìì ðàñïðåäåëå-íèÿ ïî êàíàëàì êîýôôèöèåíòîâ êîððåëÿöèè íà ïðîòÿæåíèè 10 ýêñïåðèìåíòîâ.

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ðèñ. 1. Äèàãðàììà ðàñïðåäåëåíèÿ êîýôôèöèåíòîâ êîððåëÿöèè ïî 8 êàíàëàì äëÿ ðàçíûõ ýêñïåðèìåíòîâ â äèàïàçîíå ÷àñòîò 6–9 Ãö. Îñü îðäèíàò – çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòîâ êîððåëÿöèè, îñü àáñöèññ – íîìåð ýêñïåðèìåíòà

Ðèñ. 1 íàãëÿäíî ïîêàçûâàþò ïðîñòðàíñòâåííóþ êàðòèíó ïîêàíàëüíîãî ðàñïðåäåëåíèÿ óðîâíÿ ñîïðÿæåííîñòè èññëåäóåìûõ ïðîöåññîâ äëÿ äèàïàçîíà ÷àñòîò 6–9 Ãö (òàêîé æå õàðàêòåð èìååò è êàðòèíà äëÿ äèàïàçîíà ÷àñòîò 12–15 Ãö). Èç äèàãðàììû âèäíî, ÷òî êîýôôèöèåíòû êîððåëÿöèè â îäèí è òîò æå ìîìåíò âðåìåíè íå îäèíàêîâû äëÿ ðàçíûõ êàíàëîâ. Îòñóòñòâèå íà äèàãðàììàõ êî-ýôôèöèåíòîâ êîððåëÿöèè äëÿ îòäåëüíûõ êàíàëîâ â íåêîòîðûõ ýêñïåðèìåíòàõ ñâÿçàííî ñ íåïðå-îäîëåíèåì èìè äîâåðèòåëüíîãî èíòåðâàëà. Èñõîäÿ èç ïîëó÷åííûõ äàííûõ, áûë ïðîâåäåí àíàëèç, íàïðàâëåííûé íà íàõîæäåíèå ïðèîðèòåòíîãî êàíàëà, ò.å. êàíàëà, êîòîðûé èìåë áû ìàêñèìàëüíûé óðîâåíü ñîïðÿæåííîñòè íà ïðîòÿæåíèè âñåõ ýêñïåðèìåíòîâ. Îäíàêî ïðîâåäåíèå ñóììàðíîé îöåí-êè óðîâíÿ ñîïðÿæåííîñòè ïîêàçàëî, ÷òî äëÿ âûáðàííûõ äèàïàçîíîâ ÷àñòîò ñóììàðíîå ðàñïðåäå-ëåíèå óðîâíÿ ñîïðÿæåííîñòè ïî êàíàëàì ÝÝà ÿâëÿåòñÿ ïðàêòè÷åñêè îäèíàêîâûì, ÷òî óêàçûâàåò íà ýêâèâàëåíòíîñòü âñåõ êàíàëîâ. Êðîìå òîãî, â ðàìêàõ äàííîé ðàáîòû, áûë ïðîâåäåí àíàëèç, íàïðàâëåííûé íà ñðàâíåíèå óðîâíåé áèîýôôåêòèâíîñòè äèàïàçîíîâ ÷àñòîò 6–9 è 12–15 Ãö.

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

6-9 Гц 12-15 Гц

Ðèñ. 2. Äèàãðàììà óðîâíåé ñîïðÿæåííîñòè ÊÍ× ÝÌÏ è ÝÝà äëÿ äèàïàçîíîâ ÷àñòîò 6–9 è 12–15 Ãö íà ïðîòÿæåíèè 20 ýêñïåðèìåíòîâ. Îñü îðäèíàò – óñðåäíåííûå ïî 8 êàíàëàì çíà÷åíèÿ êîýôôèöèåíòîâ êîððåëÿ- öèè äëÿ âûáðàííûõ äèàïàçîíîâ ÷àñòîò, îñü àáñöèññ – íîìåð ýêñïåðèìåíòà

Page 92: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

92

Èç ðèñ. 2 âèäíî, ÷òî óðîâåíü áèîýôôåêòèâíîñòè äëÿ äàííûõ äèàïàçîíîâ ÿâëÿåòñÿ ýêâèâà-ëåíòíûì, ò.å. íå îäèí èç äèàïàçîíîâ ÷àñòîò íå âûäåëÿåòñÿ ñâîèì óðîâíåì ñîïðÿæåííîñòè ïî îò-íîøåíèþ ê äðóãîìó.

Äëÿ îöåíêè èíäèâèäóàëüíîñòè ïîëó÷åííûõ ðåçóëüòàòîâ â îäèí èç äíåé ñúåìà ýêñïåðèìåíò ïðîâîäèëñÿ íà 5 èñïûòóåìûõ. Ïîñëå îáðàáîòêè ïîëó÷åííûõ äàííûõ îíè áûëè ïîäâåðãíóòû òåì æå ñàìûì àíàëèçàì. Ïðîàíàëèçèðîâàâ ïîëó÷åííûå äàííûå, ñäåëàëè âûâîä, ÷òî îíè ïîëíîñòüþ ïîäòâåðæäàþò ðåçóëüòàòû, ïîëó÷åííûå ïðè àíàëèçå èíäèâèäóàëüíîé ñòàòèñòèêè.

 çàêëþ÷åíèå ñëåäóåò îòìåòèòü, ÷òî ïîëó÷åííûå â ðàáîòå äàííûå ìîãóò èìåòü âàæíîå ïðàêòè-÷åñêîå ïðèìåíåíèå. Îñîáåííî âàæíûì ïðåäñòàâëÿåòñÿ ó÷åò ýòèõ äàííûõ ïðè ðàçðàáîòêå íîðìà-òèâíûõ îöåíîê ÷àñòîòíûõ õàðàêòåðèñòèê âîçäåéñòâèÿ ôîíîâûõ ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîëåé ÊÍ×-äèàïàçîíà íà îðãàíèçì ÷åëîâåêà.

Âûâîäû

1. Ïîëó÷åííûå ðåçóëüòàòû ïîêàçûâàþò íàëè÷èå ñòàòèñòè÷åñêè çíà÷èìûõ óðîâíåé ñîïðÿæåí-íîñòè âàðèàöèé ïàðàìåòðîâ ÝÝà è ÊÍ× ÝÌÏ äëÿ èññëåäóåìûõ äèàïàçîíîâ ÷àñòîò.

2. Óñòàíîâëåíà ëîêàëüíàÿ íåðàâíîìåðíîñòü óðîâíåé ñèíõðîíèçàöèè äëÿ ðàçëè÷íûõ êàíàëîâ è èññëåäóåìûõ ÷àñòîòíûõ äèàïàçîíîâ. Ïî ñóììàðíîé îöåíêå ðàñïðåäåëåíèÿ óðîâíÿ ñîïðÿæåííîñòè óñòàíîâëåíà ýêâèâàëåíòíîñòü âñåõ êàíàëîâ.

3. Îöåíêà óðîâíåé ñîïðÿæåííîñòè â äèàïàçîíàõ ÷àñòîò 6–9 è 12–15 Ãö ïîêàçàëà îäèíàêî-âîñòü óðîâíåé áèîýôôåêòèâíîñòè äëÿ äàííûõ äèàïàçîíîâ.

Ëèòåðàòóðà

1. Ãðèãîðüåâ Þ.Ã., Ñòåïàíîâ Â.Ñ., Ãðèãîðüåâ Î.À., Ìåðêóëîâ À.Â. Ýëåêòðîìàãíèòíàÿ áåçîïàñíîñòü ÷åëîâåêà. Èçä-âî Ðîñ. íàö. êîìèòåòà, 1999. 150 ñ.

2. Ïîáà÷åíêî Ñ.Â. Ñîïðÿæåííîñòü ðèòìîäèíàìè÷åñêîé àêòèâíîñòè ãîëîâíîãî ìîçãà ÷åëîâåêà è âàðèàöèé ÊÍ× ýëåêòðîìàãíèòíûõ ïîëåé îêðóæàþùåé ñðåäû: Àâòîðåô. äèñ. … êàíä. áèîë. íàóê. Òîìñê: ÒÃÓ, 2001.

3. Îñíîâû ïñèõîôèçèîëîãèè. Ì: Èçä-âî «ÈÍÔÐÀ-Ì», 1997. Ñ. 27. 4. Êîëåñíèê À.Ã., Êîëåñíèê Ñ.À., Íàãîðñêèé Ï.Ì., Øèíêåâè÷ Á.Ì. Ðàäèîòåõíè÷åñêèé êîìïëåêñ äèàã-

íîñòèêè è êîíòðîëÿ ïàðàìåòðîâ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ôîíà â êàíàëå Çåìëÿ – èîíîñôåðà // Èîíîñôåð-íûå èññëåäîâàíèÿ. Êàçàíü, 1997. Ñ. 244–252.

5. Áîðîäèí À.Ñ., Êîëåñíèê Ñ.À., Ïîáà÷åíêî Ñ.Â., Ïîòàõîâ Ï.Þ. Ïðîãðàììíî-òåõíè÷åñêèé êîìïëåêñ ìîíèòîðèíãà åñòåñòâåííîé äèíàìèêè ôóíêöèîíàëüíîãî ñîñòîÿíèÿ îðãàíèçìà ÷åëîâåêà //Èîíîñôåðíûå èññëåäîâàíèÿ. Êàçàíü, 1997. Ñ. 253–257.

ÂËÈßÍÈÅ ÀÒÌÎÑÔÅÐÍÎÃÎ ÄÀÂËÅÍÈß ÍÀ ÑÏÅÊÒÐÀËÜÍÛÅ ÕÀÐÀÊÒÅÐÈÑÒÈÊÈ ÝËÅÊÒÐÎÌÀÃÍÈÒÍÎÃÎ ÏÎËß

 ÊÐÀÉÍÅ ÍÈÇÊÎ×ÀÑÒÎÒÍÎÌ ÄÈÀÏÀÇÎÍÅ

Ì.Â. Ïèêàëîâ

Ñèáèðñêèé ôèçèêî-òåõíè÷åñêèé èíñòèòóò èì. Â.Ä. Êóçíåöîâà ïðè Òîìñêîì ãîñóíèâåðñèòåòå, ã. Òîìñê, e-mail: [email protected]

 Ñèáèðñêîì ôèçèêî-òåõíè÷åñêîì èíñòèòóòå íåñêîëüêî ïîñëåäíèõ ëåò âåäåòñÿ íåïðåðûâíûé ìîíèòîðèíã ñïåêòðàëüíûõ õàðàêòåðèñòèê ýëåêòðîìàãíèòíîãî (ÝÌ) ôîíà êðàéíå íèçêî÷àñòîòíîãî (ÊÍ×) äèàïàçîíà è ìåòåîðîëîãè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ. Íàêîïëåííûå çà ýòè ãîäû áàçû äàííûõ äàþò âîçìîæíîñòü çàíèìàòüñÿ èññëåäîâàíèåì îäíîé èç ñàìûõ àêòóàëüíûõ ïðîáëåì ñîâðåìåííîé ãåîôè-çèêè – âçàèìîäåéñòâèåì òðåõ ñðåä, îêðóæàþùèõ Çåìëþ, – ïðèçåìíîé àòìîñôåðû (òðîïîñôåðû), èîíîñôåðû è ìàãíèòîñôåðû.  ðàáîòå [1], êîòîðàÿ ïðåäñòàâëÿåò íàèáîëüøèé èíòåðåñ äëÿ ðàçâè-òèÿ è ðåøåíèÿ ýòîé ïðîáëåìû, ãîâîðèòñÿ î âëèÿíèè ìîùíûõ öèêëîíîâ íà âîçíèêíîâåíèå ÝÌ-èçëó÷åíèÿ ñ öåíòðàëüíîé ÷àñòîòîé 2 Ãö, îïåðåæàþùåãî, ñîïðîâîæäàþùåãî è ñëåäÿùåãî çà ïðî-õîæäåíèåì öèêëîíà. Íà ðèñ. 1 ïîêàçàíà îáùàÿ äèíàìèêà ðàçâèòèÿ èçëó÷åíèÿ 9 èþíÿ 1984 ã. Ýòîò ýôôåêò áûë îáíàðóæåí ïî âûñîêî÷óâñòâèòåëüíûì çàïèñÿì ìàãíèòíîãî ïîëÿ íà îáñåðâàòî-ðèè «Áîðîê». Ðàíåå ïðîâåäåííûé àíàëèç ðÿäà àíòàðêòè÷åñêèõ öèêëîíîâ ïîäòâåðäèë íàëè÷èå ñîïðîâîæäàþùåãî èõ èçëó÷åíèÿ [1].

 ðàáîòå îòìå÷àåòñÿ, ÷òî ïðè èññëåäîâàíèè äèíàìè÷åñêèõ ñïåêòðîâ ëîêàëüíûõ ãðîç â îêðåñòíî-ñòÿõ îáñåðâàòîðèè «Áîðîê» ïîäîáíîãî èçëó÷åíèÿ çà ïåðèîä ñ 1981 ïî 1985 ã. îáíàðóæåíî íå áûëî.

Page 93: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

93

f, Ãö

Ðèñ. 1. Ñòèëèçîâàííàÿ êàðòèíà, ïîêàçûâàþùàÿ îáùóþ äèíàìèêó ðàçâèòèÿ èçëó÷åíèÿ

 äàííîé ðàáîòå, äëÿ òîãî ÷òîáû ïîäòâåðäèòü èëè îïðîâåðãíóòü ýòîò ýôôåêò, èñïîëüçîâàëèñü áàçû äàííûõ íåïðåðûâíîãî ìîíèòîðèíãà ñïåêòðàëüíûõ õàðàêòåðèñòèê ÝÌ-ôîíà ÊÍ×-äèàïàçîíà è ìåòåîïàðàìåòðîâ, êîòîðûé âåäåòñÿ â Ñèáèðñêîì ôèçèêî-òåõíè÷åñêîì èíñòèòóòå â òå÷åíèå 2002 ã. Ïî äàííûì Òîìñêîãî Ãèäðîìåòöåíòðà çà 2002 ã. íàáëþäàëîñü ïîðÿäêà 20 öèêëîíîâ è ïðè-ìåðíî ñòîëüêî æå àíòèöèêëîíîâ ñ öåíòðîì íàä ã. Òîìñê. Íàïðèìåð, çà ïåðèîä ñ 15.04. ïî 30.04. 2002 ã. íàáëþäàëèñü 4 öåíòðà àíòèöèêëîíà (ðèñ. 2). Çäåñü òîíêîé êðèâîé îáîçíà÷åíû âàðèàöèè àòìîñôåðíîãî äàâëåíèÿ, æèðíîé – ñïåêòðàëüíàÿ ïëîòíîñòü ìîùíîñòè âîñòî÷íîé êîìïîíåíòû ìàã-íèòíîãî ïîëÿ íà ÷àñòîòå 1,8 Ãö, ïîëûìè êðóæêàìè – öåíòð àíòèöèêëîíà è ñåðûì öâåòîì – âà-ðèàöèè ìàãíèòíîé àêòèâíîñòè â Ê-èíäåêñàõ. Àòìîñôåðíîå äàâëåíèå çà ýòîò ïåðèîä íå îïóñêàëîñü íèæå îòìåòêè 980 ìÁ, ïðè ýòîì, ñòîèò îòìåòèòü, íå ïðîèñõîäèëî âîçìóùåíèé ñïåêòðàëüíîé ïëîò-íîñòè ìîùíîñòè âîñòî÷íîé êîìïîíåíòû ìàãíèòíîãî ïîëÿ íà ÷àñòîòå 1,8 Ãö.

àïðåëü 2002 ã.

Ðèñ. 2. Èçìåíåíèå àòìîñôåðíîãî äàâëåíèÿ, ìàãíèòíîé àêòèâíîñòè è ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè ìîùíîñòè âîñòî÷íîé êîìïîíåíòû ÌÏ íà ÷àñòîòå 1,8 Ãö çà ïåðèîä ñ 15.04 ïî 30.04.02 ã.

Íà ðèñ. 3 ïðèâåäåíà ñîíîãðàììà, êîòîðàÿ îòîáðàæàåò ñóòî÷íûé õîä ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè ìîùíîñòè âîñòî÷íîé êîìïîíåíòû ìàãíèòíîãî ïîëÿ â ïîëîñå ÷àñòîò îò 1 äî 3 Ãö çà 27.04.02 ã. Âèäíî, ÷òî àìïëèòóäà ñèãíàëà íà ÷àñòîòå 1,8 Ãö íàìíîãî ïðåâûøàåò àìïëèòóäû íà äðóãèõ ÷àñòî-òàõ â ïîëîñå îò 1 äî 3 Ãö (ðèñ. 4).

f, Ãö

h, LT

Ðèñ. 3. Ñîíîãðàììà ÝÌ-èçëó÷åíèÿ â äèàïàçîíå 1–3 Ãö (27.04.02 ã.)

Òåïåðü ïîñìîòðèì, ÷òî æå ïðîèñõîäèò ïðè ïðîõîæäåíèè òðàåêòîðèè öåíòðà ìîùíîãî öèêëîíà âáëèçè îò ìåñòà ðàñïîëîæåíèÿ èçìåðèòåëüíîãî êîìïëåêñà. Âîçüìåì äëÿ ïðèìåðà 26.11.02 ã.  ýòîò äåíü íàáëþäàëñÿ öåíòð ìîùíîãî öèêëîíà (ðèñ. 5) ñ àòìîñôåðíûì äàâëåíèåì â öåíòðå 970 ìÁ.

Áîðîê, 09.06.1984

Page 94: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

94

Àìïëèòóäà, íÒë

Âðåìÿ, ÷

Àìïëèòóäà, íÒë

Âðåìÿ, ÷ à á

Ðèñ. 4. Àìïëèòóäà âîñòî÷íîé êîìïîíåíòû ÌÏ çà ïåðèîä ñ 22.04. ïî 28.04.02 ã.: à – íà ÷àñòîòå 1,8 Ãö; á – íà ÷àñòîòå 2 Ãö

íîÿáðü 2002 ã.

Ðèñ. 5. Èçìåíåíèå àòìîñôåðíîãî äàâëåíèÿ, ìàãíèòíîé àêòèâíîñòè è ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè ìîùíîñòè âîñòî÷íîé êîìïîíåíòû ÌÏ íà ÷àñòîòå 1,8 Ãö çà ïåðèîä ñ 12.11 ïî 28.11.02 ã.

Âèäíî, ÷òî 26.11.02 ã. ñ ïîíèæåíèåì àòìîñôåðíîãî äàâëåíèÿ ðåçêî âîçðîñëà ñïåêòðàëüíàÿ ïëîòíîñòü ìîùíîñòè âîñòî÷íîé êîìïîíåíòû ÌÏ íà ÷àñòîòå 1,8 Ãö. Ïðèâåäåííûå íà ýòîì æå ðè-ñóíêå âàðèàöèè ìàãíèòíîé àêòèâíîñòè ïîêàçûâàþò, ÷òî ïîñëåäíèå ìàëî êîððåëèðóþò ñ èçìåíå-íèÿìè ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè ìîùíîñòè âîñòî÷íîé êîìïîíåíòû ÌÏ, à òàêæå ñ èçìåíåíèÿìè àò-ìîñôåðíîãî äàâëåíèÿ. Ýòî ïîä÷åðêèâàåò òî, ÷òî èìåííî ïîíèæåííîå àòìîñôåðíîå äàâëåíèå âûçû-âàåò âîçìóùåíèå ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè ìîùíîñòè âîñòî÷íîé êîìïîíåíòû ÌÏ. Ñîíîãðàììà íà ðèñ. 6 îòîáðàæàåò ñóòî÷íûé õîä ñïåêòðàëüíîé ïëîòíîñòè ìîùíîñòè âîñòî÷íîé êîìïîíåíòû ìàã-íèòíîãî ïîëÿ â ïîëîñå ÷àñòîò îò 1 äî 3 Ãö çà 26.11.02 ã.

f, Ãö

h, LT

Ðèñ. 6. Ñîíîãðàììà ÝÌ-èçëó÷åíèÿ â äèàïàçîíå 1–3 Ãö (26.11.02 ã.)

 ìîìåíò ïðîõîæäåíèÿ òðàåêòîðèè öåíòðà öèêëîíà âáëèçè îò ìåñòà ðàñïîëîæåíèÿ ñòàíöèè, êîãäà àòìîñôåðíîå äàâëåíèå ïîíèçèëîñü äî 970 ìÁ (ïðèìåðíî îò 9 äî 17 ÷ ìåñòíîãî âðåìåíè), ïðîèçîøëî ðåçêîå óâåëè÷åíèå àìïëèòóäû èçëó÷åíèÿ. Ïðè ýòîì âîçíèêëî èçëó÷åíèå íà ÷àñòîòå 2 Ãö ñ àìïëèòóäîé, íàìíîãî ïðåâûøàþùåé àìïëèòóäû íà äðóãèõ ÷àñòîòàõ â ïîëîñå îò 1 äî 3 Ãö (ðèñ. 7).

Page 95: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

95

Àìïëèòóäà, íÒë

Âðåìÿ, ÷ à

Àìïëèòóäà, íÒë

Âðåìÿ, ÷ á

Ðèñ. 7. Àìïëèòóäà âîñòî÷íîé êîìïîíåíòû ÌÏ çà ïåðèîä ñ 22.11. ïî 28.11.02 ã. (à – íà ÷àñòîòå 1,8 Ãö, á – íà ÷àñòîòå 2 Ãö)

Íî, êàê îêàçàëîñü, ïðè âîçíèêíîâåíèè ìîùíîãî öèêëîíà ñ àòìîñôåðíûì äàâëåíèåì â öåíòðå íèæå 980 ìÁ óðîâåíü ÝÌ-ôîíà ïîâûøàåòñÿ íå òîëüêî â ïîëîñå ÷àñòîò 1–3 Ãö, íî è â äèàïàçîíå îò 1 äî 40 Ãö (ðèñ. 8).

f, Ãö

h, LT

Ðèñ. 8. Óðîâåíü ÝÌ-ôîíà â äèàïàçîíå ÷àñòîò àëüâåíîâñêîãî è øóìàíîâñêîãî ðåçîíàíñîâ, çàðåãèñòðèðîâàííûé íà âåðòèêàëüíóþ ýëåêòðè÷åñêóþ êîìïîíåíòó (26.11.02 ã.)

 äàííîé ðàáîòå ïðîâåäåí àíàëèç äàííûõ ìîíèòîðèíãà ñïåêòðàëüíûõ õàðàêòåðèñòèê ÝÌ-ôîíà ÊÍ×-äèàïàçîíà è ìåòåîðîëîãè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ, êîòîðûé ïîêàçàë íàëè÷èå âçàèìîñâÿçè àòìîñôåðíîãî äàâëåíèÿ ñ ñèãíàëàìè ÊÍ×-äèàïàçîíà ÝÌ-ôîíà, à èìåííî:

1. Ïðè ïîíèæåíèè àòìîñôåðíîãî äàâëåíèÿ íèæå 980 ìÁ ïîâûøàåòñÿ óðîâåíü è íàðóøàåòñÿ ñóòî÷íûé õîä àìïëèòóäû ÝÌ-ôîíà âî âñåì äèàïàçîíå àëüâåíîâñêîãî è øóìàíîâñêîãî ðåçîíàíñîâ 1–40 Ãö.

2. Âî âðåìÿ ïðîõîæäåíèÿ ìîùíîãî öèêëîíà ñ àòìîñôåðíûì äàâëåíèåì â öåíòðå öèêëîíà íè-æå 980 ìÁ âîçíèêàåò ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå ñ öåíòðàëüíîé ÷àñòîòîé ïîðÿäêà 2 Ãö ñ âåðîÿò-íîñòüþ ïðèìåðíî 70%.

Ïîëó÷åííûå ðåçóëüòàòû ïîäòâåðæäàþò ðàíåå ïðîâåäåííûå èññëåäîâàíèÿ [1], à èõ áîëåå ïîë-íûé àíàëèç ìîæåò áûòü ïëîäîòâîðíûì â ïîíèìàíèè âëèÿíèÿ àòìîñôåðíîãî äàâëåíèÿ íà ìåòåîçà-âèñèìûõ ëþäåé.

Page 96: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

96

Ëèòåðàòóðà

1. Ùåïåòíîâ Ð.Â., Òðîèöêàÿ Â.À., Äîâáíÿ Á.Â. Ýëåêòðîìàãíèòíîå èçëó÷åíèå ñ öåíòðàëüíîé ÷àñòîòîé 2 Ãö âî âðåìÿ ìîùíîãî öèêëîíà 9 èþíÿ 1984 ã.: Äîêë. ÀÍ ÑÑÑÐ. Ì.: Íàóêà, 1986. Ò. 290. ¹ 3.

ÝÊÑÏÅÐÈÌÅÍÒÀËÜÍÛÅ ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈß ÂÇÀÈÌÎÄÅÉÑÒÂÈß ËÀÇÅÐÍÛÕ ÈÌÏÓËÜÑÎÂ ÔÅÌÒÎÑÅÊÓÍÄÍÎÉ È ÍÀÍÎÑÅÊÓÍÄÍÎÉ

ÄËÈÒÅËÜÍÎÑÒÈ Ñ ÀÝÐÎÇÎËÅÌ È ÊÀÏËßÌÈ

Å.Ñ. Ïðîòàñåâè÷, Ò.Â. ×åðåïàíîâà, Ì.Ñ. Æóðàâëåâà, Ï.Ï. Êèáèòêèí, À.Ì. Êàáàíîâ, Þ.Ï. Ìåøàëêèí, À.À. Çåìëÿíîâ

Òîìñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò, 634050 Ðîññèÿ, ã. Òîìñê, ïð. Ëåíèíà, 36, E-mail: [email protected]

Öåëüþ èññëåäîâàíèé ÿâëÿëîñü èçó÷åíèå íåëèíåéíî-îïòè÷åñêèõ ýôôåêòîâ [1], âîçíèêàþùèõ ïðè âçàèìîäåéñòâèè â ëàçåðíûõ èìïóëüñàõ ôåìòî- è íàíîñåêóíäíîé äëèòåëüíîñòè ñ àýðîçîëüíîé è æèäêîêàïåëüíîé ñðåäîé.

Îïèñàíèå ýêñïåðèìåíòàëüíîé óñòàíîâêè è ìåòîäèêà ïðîâåäåíèÿ ýêñïåðèìåíòîâ

Áëîê-ñõåìà ýêñïåðèìåíòàëüíîé óñòàíîâêè äëÿ èññëåäîâàíèÿ ýíåðãåòè÷åñêîãî îñëàáëåíèÿ è íåëè-íåéíîãî ðàññåÿíèÿ ôåìòîñåêóíäíûõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ ñ äëèíîé âîëíû 0,82 ìêì è äëèòåëüíî-ñòüþ 8 ⋅ 10–14 ñ â æèäêèõ àýðîçîëÿõ è êàïëÿõ, ñîäåðæàùèõ îðãàíè÷åñêèå êðàñèòåëè è íàíî÷àñòè-öû, ïðåäñòàâëåíà íà ðèñ. 1. Ëàçåðíûå èìïóëüñû ôîðìèðîâàëèñü êðèñòàëëîì Ti–Sp ïðè âîçáóæ-äåíèè íåïðåðûâíûì èçëó÷åíèåì àðãîíîâîãî ëàçåðà ìîùíîñòüþ ∼ 4 Âò. ×àñòîòà ïîâòîðåíèÿ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ 90 ÌÃö, ýíåðãèÿ â èìïóëüñå 3,5 íÄæ, ñðåäíÿÿ ìîùíîñòü èçëó÷åíèÿ äî 340 ìÂò. Ðåãèñò-ðàöèÿ èíòåíñèâíîñòè ñïåêòðîâ âîçáóæäàþùåãî è îñëàáëåííîãî àýðîçîëüíûì ñëîåì èçëó÷åíèÿ, à òàêæå ñâå÷åíèÿ êàïëè îñóùåñòâëÿëàñü ñïåêòðîàíàëèçàòîðîì «Àíñòðåì» ñ ðàçðåøåíèåì 0,3 íì. Àýðîçîëüíûé ñëîé äëèíîé 10–2 ì ôîðìèðîâàëñÿ ïðè ïîìîùè óëüòðàçâóêîâîãî ïüåçîêåðàìè÷åñêîãî ãåíåðàòîðà êâàçèìîíîäèñïåðñíîãî àýðîçîëÿ «Ìóññîí-1Ì» ñ ðàçìåðîì ÷àñòèö 2,5 ⋅ 10–6 ì è êîí-öåíòðàöèåé, âàðüèðóåìîé â ïðåäåëàõ 0–108 ñì–3, ÷òî ïîçâîëÿëî ôîðìèðîâàòü îïòè÷åñêóþ òîëùó òóìàíà ∼ 3 íà ó÷àñòêå, ñðàâíèìîì ñ äëèíîé êàóñòèêè èçëó÷åíèÿ, è, òàêèì îáðàçîì, äîáèâàòüñÿ îäíîðîäíîñòè èíòåíñèâíîñòè â êàíàëå âçàèìîäåéñòâèÿ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ ñ âîäíûì àýðîçîëåì.

Ðèñ. 1. Áëîê-ñõåìà ýêñïåðèìåíòàëüíîé óñòàíîâêè äëÿ èññëåäîâàíèÿ âçàèìîäåéñòâèÿ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ ôåìòîñåêóíäíîé äëèòåëüíîñòè ñ àýðîçîëüíûìè ñðåäàìè: 1 – íåïðåðûâíûé àðãîíîâûé ëàçåð, l = 0,49 ìêì; 2 – Ti–Sp-ëàçåð, l = 0,82 ìêì, äëèòåëüíîñòü 80 ôñ, f = 90 ÌÃö; 3 – He–Ne-ëàçåð, l = 0,63 ìêì; 4 – èçìå-ðèòåëü ìîùíîñòè; 5, 6 – ïîëÿðèçàöèîííûå ïðèçìû Ãëàíà; 7 – öèôðîâàÿ ôîòîêàìåðà; 8 – ãåíåðàòîð; 9 – Web-êàìåðà; 10, 14 – ñâåòîâîäû; 11 – àêóñòè÷åñêèé äàò÷èê; 12, 13, 15 – ÀÖÏ; 16, 17, 18 – êîìïüþòåð; 19 – àýðîçîëüíîå îáëàêî

5

2

3

41

6

7 9

11

12

13

15

16

17

18

8

14

10

19

Page 97: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

97

 êà÷åñòâå ìîäåëüíîãî àýðîçîëÿ èñïîëüçîâàëñÿ êàê âîäíûé àýðîçîëü, òàê è àýðîçîëü ñ êðàñè-òåëåì ðîäàìèí 6Æ. Äëÿ ðåãèñòðàöèè îïòè÷åñêèõ ñèãíàëîâ èñïîëüçîâàëèñü ñâåòîâîäû. Ðåãèñòðè-ðîâàëîñü îñëàáëåííîå (ïðÿìîå) èçëó÷åíèå, èçëó÷åíèå, ðàññåÿííîå êàïëÿìè ïîä ðàçëè÷íûìè óãëà-ìè. Ïîñëåäíåå íåîáõîäèìî äëÿ ðåãèñòðàöèè íåëèíåéíîãî ðàññåÿíèÿ, ò.å. ðàññåÿíèÿ íà ñìåùåííîé ÷àñòîòå ïðè äâóõôîòîííîì ïîãëîùåíèè. Ýíåðãèÿ ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ âàðüèðîâàëàñü ïîâîðîòîì ïðèçìû Ãëàíà.  êà÷åñòâå ðåïåðíîãî çîíäèðóþùåãî èçëó÷åíèÿ èñïîëüçîâàëîñü èçëó÷åíèå ìàëî-ìîùíîãî íåïðåðûâíîãî He–Ne-ëàçåðà. Ïîñêîëüêó åãî èçëó÷åíèå òàêæå ÿâëÿåòñÿ ëèíåéíî ïîëÿðè-çîâàííûì, ýòî ïîçâîëÿëî èñïîëüçîâàòü âòîðóþ ïðèçìó Ãëàíà äëÿ âûðàâíèâàíèÿ àìïëèòóäû ðåãè-ñòðèðóåìûõ ñïåêòðîàíàëèçàòîðîì ñèãíàëîâ ïðè îòñóòñòâèè àýðîçîëÿ. Âîçäåéñòâóþùèé è çîíäè-ðóþùèé ïó÷êè íàïðàâëÿëèñü ñîîñíî â àýðîçîëüíûé îáúåì, ÷òî ïîçâîëÿëî èíòåðïðåòèðîâàòü ðåçóëüòàòû îñëàáëåíèÿ îáîèõ ïó÷êîâ ñ ó÷åòîì îäèíàêîâûõ óñëîâèé èõ ðàñïðîñòðàíåíèÿ â àýðî-çîëüíîé ñðåäå. Êàëèáðîâî÷íûå èçìåðåíèÿ ïîêàçàëè õîðîøåå ñîãëàñîâàíèå ìåæäó ýêñïåðèìåí-òàëüíî èçìåðåííîé çàâèñèìîñòüþ óãëà ïîâîðîòà ïîëÿðèçàöèîííîé ïðèçìû è êîýôôèöèåíòîì åå ïðîïóñêàíèÿ (sin2α).

Ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé ýíåðãåòè÷åñêîãî îñëàáëåíèÿ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ ôåìòîñåêóíäíîé äëèòåëüíîñòè â àýðîçîëå

Èçìåðåíèÿ è ðåãèñòðàöèÿ îïòè÷åñêèõ ñèãíàëîâ ïðîâîäèëèñü íà ñïåöèàëüíîì ïðîãðàììíîì îáåñïå÷åíèè, ñîïðîâîæäàþùåì ñïåêòðîàíàëèçàòîð «Àíñòðåì» â ÈÔ ÑÎ ÐÀÌÍ (Íèæíÿÿ Åëüöîâ-êà, ã. Íîâîñèáèðñê). Ðåçóëüòàòû îáðàáàòûâàëèñü â ÈÎÀ ÑÎ ÐÀÍ (ã. Òîìñê). Íà ðèñ. 2 ïðåä-ñòàâëåíà çàâèñèìîñòü ïðîïóñêàíèÿ àýðîçîëüíîãî ñëîÿ îò ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ. Âèäíî, ÷òî ïðî-ïóñêàíèå äëÿ íåïðåðûâíîãî èçëó÷åíèÿ He–Ne-ëàçåðà íå çàâèñèò îò åãî ìîùíîñòè. Òà æå êàðòèíà íàáëþäàåòñÿ äëÿ íåïðåðûâíîãî èçëó÷åíèÿ ñ λ = 0,82 ìêì. Äëÿ èìïóëüñíîãî ðåæèìà ãåíåðàöèè íàáëþäàåòñÿ íåêîòîðîå óìåíüøåíèå êîýôôèöèåíòà ïðîïóñêàíèÿ ïðè óâåëè÷åíèè ìîùíîñòè èçëó-÷åíèÿ. Âîçìîæíî, ýòî ñâÿçàíî ñ íàëè÷èåì ìíîãîôîòîííîãî ïîãëîùåíèÿ ïðè âîçðàñòàíèè èíòåí-ñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ äî ∼ ÃÂò è, ñëåäîâàòåëüíî, óâåëè÷åíèè âåðîÿòíîñòè òàêèõ ïðîöåññîâ ïðè âîç-ðàñòàíèè ïëîòíîñòè ïîòîêà ôîòîíîâ. Êîñâåííûì ïîäòâåðæäåíèåì ýòîìó ìîæåò ñëóæèòü îáíàðó-æåíèå êâàäðàòè÷íîé çàâèñèìîñòè àìïëèòóäû ðàññåÿííîãî íà ñìåùåííîé (∼ 580 ìêì) äëèíå âîëíû îò èíòåíñèâíîñòè âîçäåéñòâóþùåãî èçëó÷åíèÿ äëÿ êàïåëü ñ êðàñèòåëåì, ÷òî ñâèäåòåëüñòâóåò î ðåàëèçàöèè äâóõôîòîííîãî ïîãëîùåíèÿ. Ñâå÷åíèå â ýòîé æå îáëàñòè ñïåêòðà íàáëþäàëîñü è äëÿ àýðîçîëÿ ñ êðàñèòåëåì.

Ïðîïóñêàíèå

0.1 1 10 100

0.24

0.26

0.28

0.30

0.32

0.34

0.36

0.38

43

2

1

1- λ = 0.82 мкм, непрерывное

2- λ = 0.82 мкм, импульсное, tи

= 80 фм, водный аэрозоль

3- λ = 0.82 мкм, импульсное, tи

= 80 фм, аэрозоль с красителем

4- λ = 0.63 мкм, непрерывное

Ìîùíîñòü, ìÂò

Ðèñ. 2. Çàâèñèìîñòü ýíåðãåòè÷åñêîãî ïðîïóñêàíèÿ àýðîçîëüíîãî ñëîÿ îò ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ

Ñëåäóåò òàêæå îòìåòèòü, ÷òî ïðè âîçäåéñòâèè ìàêñèìàëüíîé ìîùíîñòè èçëó÷åíèÿ íà àýðî-çîëüíóþ ñðåäó íàáëþäàëñÿ îïòè÷åñêèé ïðîáîé íà ÷àñòèöàõ àýðîçîëÿ. Ïðè ýòîì ýíåðãèÿ êàæäîãî èìïóëüñà íå ïðåâûøàëà 3 íÄæ.

Ðåçóëüòàòû èçìåðåíèé ëþìèíåñöåíöèè îò îäèíî÷íûõ ñôåðè÷åñêèõ ÷àñòèö

 íàñòîÿùåå âðåìÿ ýêñïåðèìåíòàëüíî ïîêàçàíî, ÷òî âíåäðåíèå ìåòàëëè÷åñêèõ è äèýëåêòðè- ÷åñêèõ íàíîñòðóêòóð â ëàçåðíî-àêòèâíóþ ñðåäó çíà÷èòåëüíî (íà ïîðÿäêè âåëè÷èí) ïîíèæàåò ýíåðãåòè÷åñêèå ïîðîãè âîçíèêíîâåíèÿ âûíóæäåííîé ëþìèíåñöåíöèè. Åùå áîëüøåãî ïîíèæåíèÿ

1

2

3 4

Page 98: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

98

ïîðîãîâ ìîæíî äîñòè÷ü, ïîìåñòèâ òàêóþ ñðåäó â ñôåðè÷åñêèé èëè öèëèíäðè÷åñêèé ìèêðîðåçîíà-òîð.  íàøèõ ýêñïåðèìåíòàõ ëþìèíåñöåíöèÿ â âèäèìîé îáëàñòè ñïåêòðà âîçáóæäàëàñü â êàïëÿõ ìèëëèìåòðîâîãî ðàçìåðà ýòàíîëüíîãî ðàñòâîðà ðîäàìèíà 6Æ (Ð6Æ) ïðè äâóõôîòîííîì ïîãëîùå-íèè íàíîñåêóíäíûõ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ íà äëèíå âîëíû 1,06 ìêì è ðîäàìèíà Æ â ñëó÷àå ôåì-òîñåêóíäíîé íàêà÷êè.  ðàñòâîð êðàñèòåëÿ ââîäèëîñü ñòàáèëèçèðîâàííîå áåëêàìè äèñïåðñíîå ñå-ðåáðî. Êîíöåíòðàöèÿ ñåðåáðà â êîëëîèäíîì ðàñòâîðå ñîñòàâëÿëà 10–5–10–6 ã/ñì3. Èçìåðåíèå ðàçìåðîâ ÷àñòèö ïðîèçâîäèëîñü íà ýëåêòðîííîì ìèêðîñêîïå JEM-10 CX II (ðàçðåøåíèå 0,204 íì). ×àñòèöû ïðåäñòàâëÿþò ñîáîé âåòâèñòûå ñòðóêòóðû ðàçìåðîì 50–500 íì, ñîñòîÿùèå èç ñôåðè÷åñêèõ ìîíîìåðîâ ñ ðàçìåðàìè 10–30 íì. Ïðè íàêà÷êå â êðàé êàïëè, íà÷èíàÿ ñ ïëîòíîñòè ìîùíîñòè íàêà÷êè ïðèìåðíî 45–50 ÌÂò/ñì2, â ñïåêòðå âòîðè÷íîãî èçëó÷åíèÿ ïîÿâëÿåòñÿ âòîðîé ñïåêòðàëüíûé ïèê. Ââåäåíèå â êàïëþ íàíîñòðóêòóð ñåðåáðà ïðèâîäèò ê ïîÿâëåíèþ â ñïåêòðå èç-ëó÷åíèÿ âòîðîãî ïèêà óæå ïðè ïëîòíîñòÿõ ìîùíîñòè íàêà÷êè 3–5 ÌÂò/ñì2 (ðèñ. 3). Ñîãëàñíî [1] âåëè÷èíó ïîðîãîâîé íàêà÷êè ìû îïðåäåëÿëè ïî ïîÿâëåíèþ â ñïåêòðå ñâå÷åíèÿ êàïëè âòîðîãî ñïåêòðàëüíîãî ïèêà. Òàêèì îáðàçîì, íàøè ýêñïåðèìåíòû ïîêàçàëè, ÷òî ââåäåíèå â êàïëþ ñ Ð6Æ íàíîñòðóêòóð ñåðåáðà ïîíèæàåò ïîðîã âûíóæäåííîé äâóõôîòîííî-âîçáóæäåííîé ëþìèíåñöåíöèè ñ 45–50 ÌÂò/ñì2 (áåç íàíîñòðóêòóð) äî 3–5 ÌÂò/ñì2 (ñ íàíîñòðóêòóðàìè ñåðåáðà) ïðè íàíîñå-êóíäíîì âîçáóæäåíèè.

Èíòåíñèâíîñòü, óñë. åä.

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

572 588 604 620 636

1 2

Äëèíà âîëíû, íì

Ðèñ. 3. Ñïåêòðû ÄÔÂË ðàñòâîðà Ð6Æ ñ íàíî÷àñòèöàìè ñåðåáðà: 1 – â êþâåòå; 2 – â æèäêîêàïåëüíîì ñîñòîÿíèè

Íà ðèñ. 4 ïîêàçàíà çàâèñèìîñòü ëîãàðèôìîâ âåëè÷èí ýíåðãèè ñâå÷åíèÿ êàïëè îò ëîãàðèôìîâ âåëè÷èí ýíåðãèè íàêà÷êè ïðè ôåìòîñåêóíäíîì âîçáóæäåíèè. Ïðè âîçáóæäåíèè êàïëè ÷èñòîãî ðàñòâîðà ÐÆ ýòà çàâèñèìîñòü èìååò êâàäðàòè÷íûé õàðàêòåð, ÷òî óêàçûâàåò íà ðåàëèçàöèþ â êàï-ëå ñïîíòàííîé äâóõôîòîííî-âîçáóæäåííîé ëþìèíåñöåíöèè (êðèâàÿ 2). Ââåäåíèå â êðàñèòåëü íà-íî÷àñòèö ñåðåáðà ïðèâîäèò ê óâåëè÷åíèþ òåìïîâ ðîñòà ýíåðãèè ñâå÷åíèÿ êàïëè (êðèâàÿ 1, ðèñ. 4). Ïîñêîëüêó ñïåêòð ñâå÷åíèÿ êàïëè ïðè ýòîì ñòàíîâèòñÿ ýæå è ñäâèãàåòñÿ â äëèííîâîëíî-âóþ îáëàñòü, òî ìîæíî âûñêàçàòü ïðåäïîëîæåíèå, ÷òî â ïðèïîâåðõíîñòíîé îáëàñòè êàïëè ðåàëè-çóþòñÿ ïðîöåññû âûíóæäåííîé ëþìèíåñöåíöèè.

lg(lñ/lñ max × 10)

lg(lí/lí max × 100) Ðèñ. 4. Çàâèñèìîñòü ýíåðãèè ñâå÷åíèÿ êàïëè ñ ÐÆ îò ýíåðãèè íàêà÷êè ïðè ôåìòîñåêóíäíîì âîçáóæäåíèè: 1 – ñ íàíî÷àñòèöàìè ñåðåáðà; 2 – áåç íàíî÷àñòèö ñåðåáðà; 3 – êâàäðàòè÷íàÿ çàâèñèìîñòü

Ëèòåðàòóðà

1. Äîí÷åíêî Â.À., Çåìëÿíîâ Àë.À. // Èçâ. âóçîâ. Ôèçèêà. 2003. Ò. 46. ¹ 8. Ñ. 14–23.

1 2

1

2

3

Page 99: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

99

ÐÀÇÐÀÁÎÒÊÀ ÀÂÒÎÌÀÒÈÇÈÐÎÂÀÍÍÎÉ ÒÐÅÕÊÎÌÏÎÍÅÍÒÍÎÉ ÑÒÀÍÖÈÈ ÄËß ÈÇÌÅÐÅÍÈß ÏÎÑÒÎßÍÍÎÃÎ ÃÅÎÌÀÃÍÈÒÍÎÃÎ ÏÎËß

À.Ñ. ×àâêèí

Ñèáèðñêèé ôèçèêî-òåõíè÷åñêèé èíñòèòóò èì. Â.Ä. Êóçíåöîâà ïðè Òîìñêîì ãîñóíèâåðñèòåòå, ã. Òîìñê, e-mail: [email protected]

Íà îñíîâå îáîáùåíèÿ ìíîãèõ è ðàçíîñòîðîííèõ èññëåäîâàíèé èçâåñòíà ðîëü ãåîìàãíèòíîãî ïîëÿ (ÃÌÏ) è åãî âàðèàöèé êàê î÷åíü âàæíîãî ôàêòîðà îêðóæàþùåé ñðåäû. Èçìåíåíèå óñëîâèé îêðóæàþùåé ñðåäû ïðèâîäèò ê òîìó, ÷òî èçìåíÿåòñÿ è ýëåêòðîìàãíèòíûé ôîí ïëàíåòû [1, 2].

Âîçíèêàþùèå ïðîáëåìû, ñâÿçàííûå ñ èññëåäîâàíèåì åñòåñòâåííûõ âàðèàöèé ÃÌÏ, íîñÿò êîì-ïëåêñíûé õàðàêòåð. Òðåáóåòñÿ äåòàëüíîå èçìåðåíèå ôèçè÷åñêèõ ïàðàìåòðîâ ýëåêòðîìàãíèòíîãî ôîíà. Ðåøàòü ýòè ïðîáëåìû íóæíî, ñîçäàâàÿ íîâûå èçìåðèòåëüíûå êîìïëåêñû [3].  íàñòîÿùåå âðåìÿ â ã. Òîìñêå èìååòñÿ ñòàöèîíàðíàÿ ìàãíèòîâàðèàöèîííàÿ ñòàíöèÿ «Êâàðö 3ÅÌÄ», íî îíà èìååò ðÿä ñóùåñòâåííûõ ìèíóñîâ: íåáîëüøîé äèíàìè÷åñêèé äèàïàçîí, îñóùåñòâëÿåò îòíîñèòåëü-íûå èçìåðåíèÿ, èìååò ãðîìîçäêóþ êîíñòðóêöèþ. Ïîýòîìó öåëüþ ðàáîòû ÿâëÿåòñÿ ðàçðàáîòêà àâ-òîìàòèçèðîâàííîé òðåõêîìïîíåíòíîé ìàãíèòîâàðèàöèîííîé ñòàíöèè (ÀÒÌÑ-1) äëÿ èçìåðåíèÿ àá-ñîëþòíûõ çíà÷åíèé êîìïîíåíò ìàãíèòíîãî ïîëÿ.

Ïðèíöèï ðàáîòû ìàãíèòîâàðèàöèîííîé ñòàíöèè

Äëÿ ïîëó÷åíèÿ áîëåå ïîëíîãî ïðåäñòàâëåíèÿ î ïðèíöèïå äåéñòâèÿ è íåêîòîðûõ îñîáåííîñòÿõ ðàáîòû ìàãíèòîâàðèàöèîííîé ñòàíöèè ïåðåéäåì íåïîñðåäñòâåííî ê ðàññìîòðåíèþ ñòðóêòóðíîé ñõåìû ìàãíèòîìåòðà, êîòîðûé ïîçâîëÿåò èçìåðÿòü òðè ñîñòàâëÿþùèå ìàãíèòíîãî ïîëÿ.

Âñå òðè êàíàëà, ïî êîòîðûì âåäóòñÿ èçìåðåíèÿ, àáñîëþòíî íåçàâèñèìû äðóã îò äðóãà è ðåà-ëèçîâàíû íà ìèêðîïðîöåññîðàõ (ÀÒ90S2313-10PI, Atmel), âûïîëíÿþùèõ ðîëü âåäóùåãî è âåäî-ìûõ êîíòðîëëåðîâ è äàò÷èêîâ FGM-3.

Äàò÷èêè FGM-3 ãåíåðèðóþò ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ýëåêòðè÷åñêèõ ïðÿìîóãîëüíûõ 5-âîëüòîâûõ èìïóëüñîâ ñ ïåðèîäîì, ïðîïîðöèîíàëüíûì ñèëå îêðóæàþùåãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ. Äàëåå ýòà ïîñëå-äîâàòåëüíîñòü ïðÿìîóãîëüíûõ èìïóëüñîâ ïîñòóïàåò íà êîíòðîëëåðû äëÿ êàæäîãî èç êàíàëîâ ñî-îòâåòñòâåííî. Ïî êàæäîìó èç òðåõ êàíàëîâ îïðåäåëÿåòñÿ ñðåäíåå çíà÷åíèå çà 1 ñ (100 èçìåðåíèé ÷åðåç 10 ìñ).

Âåäóùèé êîíòðîëëåð ôîðìèðóåò îïîðíóþ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ýëåêòðè÷åñêèõ ïðÿìîóãîëüíûõ èìïóëüñîâ ñ ïåðèîäîì 10 ìñ äëÿ ñèíõðîííîãî çàïóñêà â âåäîìûõ êîíòðîëëåðàõ öèêëà èçìåðåíèÿ äëèòåëüíîñòè 255Ò ïåðèîäîâ ñèãíàëîâ ñ äàò÷èêîâ FGM-3. Ñîáñòâåííî èçìåðåíèå îñóùåñòâëÿåòñÿ çàïîëíåíèåì 255Ò ïåðèîäîâ ñèãíàëîâ, èìïóëüñàìè ñ ÷àñòîòîé 8 ÌÃö, êîòîðûå ãåíåðèðóåò êâàðöå-âûé âûñîêîñòàáèëüíûé ãåíåðàòîð, è ïîäñ÷åòîì èõ ÷èñëà.

Âåäîìûå êîíòðîëëåðû, ïîëó÷èâ ïðèêàç íà çàïóñê, âûïîëíÿþò ñóììèðîâàíèå ïîñëåäîâàòåëü-íûõ èçìåðåíèé è ïî êîìàíäå âåäóùåãî ïåðåäàþò åìó ðåçóëüòàò: 4-áàéòîâûé ïàêåò, ñîñòîÿùèé èç 3 áàéòîâ äàííûõ è 1 áàéòà çíà÷åíèÿ ñ÷åò÷èêà èçìåðåíèé (ýòî çíà÷åíèå êîíòðîëèðóåòñÿ è ïðè îòñóò-ñòâèè îøèáîê äîëæíî áûòü ðàâíî 100).

Íàðÿäó ñ ôîðìèðîâàíèåì îïîðíîé ïîñëåäîâàòåëüíîñòè äëÿ ñèíõðîííîãî çàïóñêà âåäóùèé êîíòðîëëåð âûïîëíÿåò è äðóãèå ôóíêöèè, à èìåííî: âåäóùèé êîíòðîëëåð çàïðàøèâàåò äàííûå ó âåäîìûõ 1 ðàç â 1 ñ, ÷òî ñîîòâåòñòâóåò èçìåðåíèþ 100 ⋅ 255Ò ïî êàæäîìó èç òðåõ êàíàëîâ.

Ïîëó÷àåì ñëåäóþùåå óðàâíåíèå:

100 ⋅ 255Ò = N/F,

ãäå Ò – èçìåðÿåìûé ïåðèîä; N – êîëè÷åñòâî èìïóëüñîâ çàïîëíåíèÿ; F – ÷àñòîòà èìïóëüñîâ çà-ïîëíåíèÿ. Îòñþäà ïîëó÷èì îêîí÷àòåëüíîå âûðàæåíèå äëÿ çíà÷åíèÿ ïåðèîäà íà âûõîäå äàò÷èêîâ:

Ò = N/204000.

Âåäóùèé ìèêðîêîíòðîëëåð ïåðåäàåò ñâîé ïàêåò ñ ðåçóëüòàòàìè èçìåðåíèé ïî âñåì 3 êàíàëàì ê ïåðñîíàëüíîìó êîìïüþòåðó êàæäóþ ñåêóíäó. Äëèíà ïàêåòà GGA ñîñòàâëÿåò íå áîëåå 74 áàéòîâ, à åãî ïåðåäà÷à íà ñêîðîñòè 9600 áèò/ñ çàíèìàåò íå áîëåå 77,1 ìñ. Ñòðóêòóðà ïàêåòà âåäóùåãî êîíòðîëëåðà àíàëîãè÷íà ñòðóêòóðå ïàêåòà NMEA, ñîäåðæèò êðîìå çàãîëîâêà (&PCPEMAG) 3 ïîëÿ (âîçìîæíî, ïóñòûõ) ñî çíà÷åíèÿìè è êîíòðîëüíóþ ñóììó («èñêëþ÷àþùåå ÈËÈ» êîäîâ

Page 100: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

100

ñèìâîëîâ ìåæäó $ and *). Ïóñòîå ïîëå îçíà÷àåò êàê îøèáêó ïðè âûïîëíåíèè èçìåðåíèÿ, òàê è îòñóòñòâèå äàò÷èêà (èëè åãî íåèñïðàâíîñòü) ñîîòâåòñòâóþùåãî êàíàëà.

Èíòåðôåéñ (HIN232IP, Harris) îáåñïå÷èâàåò ïðåîáðàçîâàíèå óðîâíåé ñèãíàëîâ â ñîîòâåòñòâèè ñî ñòàíäàðòîì RS-232, ïðè ýòîì îáìåí èíôîðìàöèåé ñ PC AT âåäåòñÿ íà ñêîðîñòè 9600 áèò/ñ â ôîðìàòå 1 + 8 + 1 áåç êîíòðîëÿ ÷åòíîñòè.

Âñïîìîãàòåëüíûé êîíòðîëëåð âûïîëíÿåò ôóíêöèþ âñòðîåííîãî êàëèáðàòîðà-èìèòàòîðà ñèãíà-ëà äàò÷èêà FGM-3, êîòîðûé ôîðìèðóåò òåñòîâóþ ïîñëåäîâàòåëüíîñòü ïðÿìîóãîëüíûõ èìïóëüñîâ ñ ïåðèîäîì 4, 16, èëè 28 ìêñ. Íàçíà÷åíèå èìèòàòîðà – òîëüêî êîíòðîëü ðàáîòîñïîñîáíîñòè ïðèáîðà.

Îáñóæäåíèå ðåçóëüòàòîâ ìîíèòîðèíãà

 ðåçóëüòàòå ïðîâåäåííîãî íåïðåðûâíîãî ìîíèòîðèíãà ïðè ïîìîùè ÀÒÌÑ-1 áûëà íàêîïëåíà áàçà äàííûõ â îáúåìå 1,5 ìåñ. Ïîñëå îáðàáîòêè äàííûõ [4, 5] áûë ïðîâåäåí ñðàâíèòåëüíûé àíà-ëèç äàííûõ ìîíèòîðèíãà àâòîìàòèçèðîâàííîé ìàãíèòîâàðèàöèîííîé ñòàíöèè ÀÒÌÑ-1 è äàííûõ ìîíèòîðèíãà ìàãíèòîâàðèàöèîííîé ñòàíöèè «Êâàðö 3ÅÌÄ».  êà÷åñòâå ïðèìåðà ïðèâåäåíû äàí-íûå ìîíèòîðèíãà ïî H-êîìïîíåíòå ìàãíèòíîãî ïîëÿ ñ 1 ïî 8 ôåâðàëÿ 2005 ã., äàííûé ïðîìåæó-òîê âðåìåíè âûáðàí äëÿ ñðàâíåíèÿ ïîòîìó, ÷òî â ýòîì ïðîìåæóòêå èìåþòñÿ êàê «ñïîêîéíûå» äíè, òàê è äíè ñ ìàãíèòíîé áóðåé. Äàííûå ýòîãî ñðàâíèòåëüíîãî àíàëèçà ïðèâåäåíû íà ðèñóíêå. Ñóòî÷íûé õîä, õàðàêòåðíûé äëÿ Í-êîìïîíåíòû, ïðàêòè÷åñêè ñîâïàäàåò äëÿ îáåèõ ñòàíöèé.

Äíè ìåñÿöà

Âàðèàöèè Í-êîìïîíåíòû ìàãíèòíîãî ïîëÿ äëÿ äâóõ ñòàíöèé (âåðõíèé ãðàôèê – ìàãíèòîâàðèàöèîííàÿ ñòàíöèÿ ÀÒÌÑ-1, íèæíèé – ìàãíèòîâàðèàöèîííàÿ ñòàíöèÿ «Êâàðö 3ÅÌÄ»)

Ïî ðåçóëüòàòàì ïðîäåëàííîé ðàáîòû ìîæíî ñäåëàòü ñëåäóþùèå âûâîäû: ñîçäàííàÿ àâòîìàòè-çèðîâàííàÿ òðåõêîìïîíåíòíàÿ ìàãíèòîâàðèàöèîííàÿ ñòàíöèÿ çà âåñü ñðîê ýêñïëóàòàöèè çàðåêî-ìåíäîâàëà ñåáÿ ñ íàèëó÷øåé ñòîðîíû. Ïîêàçàíèÿ äàò÷èêîâ äîñòîâåðíû, ÷òî ïðîâåðåíî ïðè ïîìî-ùè ñðàâíèòåëüíîãî àíàëèçà.

Ëèòåðàòóðà

1. Ãðèãîðüåâ Þ.Ã., Ãðèãîðüåâ Î.À., Ñòåïàíîâ Â.Ñ., Ïàëüöåâ Á.Ï. Ýëåêòðîìàãíèòíîå çàãðÿçíåíèå îê-ðóæàþùåé ñðåäû è çäîðîâüå íàñåëåíèÿ. Ì.: Èçä-âî Ðîññèéñêîé àññîöèàöèè îáùåñòâåííîãî çäîðîâüÿ, 1997. Ñ. 9–76.

2. Äóáðîâ À.Ï. Ãåîìàãíèòíîå ïîëå è æèçíü. Ë.: Ãèäðîìåòåîèçäàò, 1974. 3. Áîðîäèí À.Ñ., Êîëåñíèê À.Ã., Êîëåñíèê Ñ.À., Íàãîðñêèé Ï.Ì. è äð. Ðåãèîíàëüíûé ìîíèòîðèíã àò-

ìîñôåðû. ×àñòü 3. Óíèêàëüíûå èçìåðèòåëüíûå êîìïëåêñû: Òîìñê: Èçä-âî ÑÎ ÐÀÍ, 1998. 238 ñ. 4. Ñèçîâ Þ.Ï. Èíñòðóêöèè ïî ñîñòàâëåíèþ ìåñÿ÷íîãî îáçîðà ñîñòîÿíèÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ Çåìëè

ÈÇÌÈÐÀÍ. Ì., 1977. 5. Êàéíàðà Ë.Í. Èíñòðóêöèè ïî îáðàáîòêå âàðèàöèîííûõ íàáëþäåíèé íà ìàãíèòíûõ îáñåðâàòîðèÿõ

ÈÇÌÈÐÀÍ. Ì., 1977.

Page 101: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

101

Èìåííîé óêàçàòåëü

À Àðòàìîíîâà È.Â., 61 Àðòàìîíîâà Þ.Â., 40 Àðøèíîâ Ì.Þ., 13 Àõìåòøèí Ð.Í., 89 Àþðæàíàåâ À.À., 75

Á Áàëèí Þ.Ñ., 20 Áåëàí Á.Ä., 13, 17 Áîíäàðåíêî Ì.À., 11 Áîÿðøèíîâà Ý.À., 53

 Âàí-Ãðèêåí Ð., 50

à Ãðèøèí È.À., 8 Ãðîçîâ Â.Ï., 30

Ä Äåðåâÿííûõ À.À., 79 Äîëãîâà Î.Â., 64

Å Åðøîâ À.Ä., 20

Æ Æóðàâëåâà Ì.Ñ., 96

Ç Çåìëÿíîâ À.À., 96

È Èâàíîâà Ì.Ï., 42 Èâëåâ Ã.À., 13, 17

Ê

Êàáàíîâ À.Ì., 96 Êèáèòêèí Ï.Ï., 96 Êèì À.Ã., 30 Êîëìàêîâ À.À., 79, 81 Êîëÿäà Ì.Í., 45 Êîíÿåâ Ï.À., 20 Êîðîòûøêèí Ä.Â., 3 Êîñòþêåâè÷ Ñ.Ì., 84

Ë

Ëîìàêèí Ä.Ñ., 20 Ì

Ìàçóð Â.À., 69 Ìàêàðîâ À.Â., 67, 69

Ìàòâèåíêî Ã.Ã., 5 Ìåäâåäåâ À.Â., 30 Ìåøàëêèí Þ.Ï., 96 Ìèõàéëåíêî Ñ.Í., 25

Î Îëüøóêîâ À.Ñ., 69

Ï Ïèêàëîâ Ì.Â., 92 Ïîòåõèí À.Ï., 30 Ïðîòàñåâè÷ Å.Ñ., 96 Ïóäîâêèí Ì.È., 61

Ð Ðàòîâñêèé Ê.Ã., 30 Ðåñåëüñ È.Ï., 33, 36

Ñ Ñâåòëè÷íàÿ Í.Í., 64 Ñåìåíîâ Ì.Þ., 50 Ñåìåíîâ Ñ.Ì., 36 Ñåìüÿíîâ Ê.À., 58 Ñèìîíåíêîâ Ä.Â., 13, 17 Ñîëîâüåâ À.Â., 86 Ñïîëíèê Ç., 50 Ñòàðèêîâà Å.Í., 25

Ò Òàðàñîâ Ï.À., 58 Òàòàðíèêîâ À.Â., 36

Ô Ôàòååâà Í.Ë., 5, 73 Ôàõðóòäèíîâà À.Í., 3 Ôîôîíîâ À.Â., 13, 17

Õ Õîäæåð Ò.Â., 50 Õîðîøàåâ Ä.Â., 27

Ö Öûáèêîâ Á.Á., 84 Öûäûïîâ Â.Â., 75

× ×àâêèí À.Ñ., 99 ×åðåïàíîâà Ò.Â., 96 ×åðíîâà À.Â., 55

Ø Øïûíåâ Á.Ã., 30 Øóëüãèíà Ë.À., 5, 73

Page 102: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

102

Ñîäåðæàíèå

Êîðîòûøêèí Ä.Â., Ôàõðóòäèíîâà À.Í. Ïðèìåíåíèå ñîâðåìåííûõ öèôðîâûõ òåõíîëîãèé äëÿ ïðîâåäåíèÿ è îáðàáîòêè ðàäèîìåòåîðíûõ èçìåðåíèé íà ìåòåîðíîì ðàäàðå Êàçàíñêîãî óíèâåðñèòåòà . .................................................................................................................. 3 Ôàòååâà Í.Ë., Ìàòâèåíêî Ã.Ã., Øóëüãèíà Ë.À. Èññëåäîâàíèå âçàèìîäåéñòâèé è èíòåãðàöèè ôèçèîëîãè÷åñêèõ ôóíêöèé ðàñòåíèé ìåòîäàìè ëàçåðíî-èíäóöèðîâàííîé ôëóîðåñöåíöèè........... 5 Ãðèøèí È.À. Ðàññåèâàþùèå ñâîéñòâà ëåäÿíûõ ïëàñòèí÷àòûõ êðèñòàëëîâ ñ ïðåèìóùåñòâåííîé îðèåíòàöèåé â ïðîñòðàíñòâå .............................................................................................. 8 Áîíäàðåíêî Ì.À. Ïðîãðàììíîå îáåñïå÷åíèå äëÿ àíàëèçà ïðîñòðàíñòâåííî-âðåìåííîé èçìåí÷èâîñòè îçîíîñôåðû ïî ñïóòíèêîâûì äàííûì ............................................................. 11 Ñèìîíåíêîâ Ä.Â., Àðøèíîâ Ì.Þ., Áåëàí Á.Ä., Èâëåâ Ã.À., Ôîôîíîâ À.Â. Ïðåîáðàçîâàíèå «ãàç–÷àñòèöà» â øëåéôå âûáðîñîâ ãîðíî-ìåòàëëóðãè÷åñêîãî ïðîèçâîäñòâà â ïîëÿðíîé àòìîñôåðå çèìîé . ........................................................................................................... 13 Èâëåâ Ã.À., Áåëàí Á.Ä., Ñèìîíåíêîâ Ä.Â., Ôîôîíîâ À.Â. Ïåðåäâèæíàÿ ëàáîðàòîðèÿ ìîíèòîðèíãà àòìîñôåðíûõ ïàðàìåòðîâ «Ìîáèëüíàÿ ñòàíöèÿ» . ............................................. 17 Áàëèí Þ.Ñ., Åðøîâ À.Ä., Êîíÿåâ Ï.À., Ëîìàêèí Ä.Ñ. Ïðèìåíåíèå ìåòîäà êîððåëÿöèîííîãî ñëåæåíèÿ äëÿ êîíòðîëÿ ñêîðîñòè ïåðåìåùåíèÿ àýðîçîëüíûõ îáðàçîâàíèé â àòìîñôåðå ñ èñïîëüçîâàíèåì âèäåîèíôîðìàöèè .................................................................................... 20 Ñòàðèêîâà Å.Í., Ìèõàéëåíêî Ñ.Í. Èññëåäîâàíèå ýìèññèîííîãî ñïåêòðà ìîëåêóëû D2

16O â äèàïàçîíå 1750–4330 ñì–1 ................................................................................................ 25 Õîðîøàåâ Ä.Â. Îöåíêà ýôôåêòèâíîñòè ëàçåðíîé ñèñòåìû âèäåíèÿ ïðè íàáëþäåíèÿõ ÷åðåç äûìîâîé àýðîçîëü . .......................................................................................................... 27 Êèì À.Ã., Ãðîçîâ Â.Ï., Ðàòîâñêèé Ê.Ã., Ìåäâåäåâ À.Â., Ïîòåõèí À.Ï., Øïûíåâ Á.Ã. Îñîáåííîñòè ïîâåäåíèÿ ïàðàìåòðîâ F-ñëîÿ èîíîñôåðû íàä Èðêóòñêîì âî âðåìÿ ìàãíèòíîé áóðè 29–31.10.2003 ã. ïî äàííûì ÂÇ è ðàäàðà ÍÐ . ............................................................ 30 Ðåñåëüñ È.Ï. Îöåíêà çàïàñà óãëåðîäà è îáùåé ìàññû ñãîðàþùèõ ìàòåðèàëîâ â çàâèñèìîñòè îò òèïîâ ïðåîáëàäàþùèõ ëåñîíàñàæäåíèé ïî äàííûì äèñòàíöèîííîãî ñïóòíèêîâîãî çîíäèðîâàíèÿ ................................................................................................................. 33 Ñåìåíîâ Ñ.Ì., Òàòàðíèêîâ À.Â., Ðåñåëüñ È.Ï. Ïðèìåíåíèå òåîðèè ðàñïîçíàâàíèÿ îáðàçîâ äëÿ âûäåëåíèÿ îáúåêòîâ ïî ñïóòíèêîâûì äàííûì NOAA . ................................................... 36 Àðòàìîíîâà Þ.Â. Î âîçìîæíîñòè èñïîëüçîâàíèÿ Ðîññèéñêîé êîñìè÷åñêîé ñèñòåìû ãëîáàëüíîãî íàáëþäåíèÿ äëÿ îïåðàòèâíîãî îáíàðóæåíèÿ ëåñíûõ ïîæàðîâ . ............................ 40 Èâàíîâà Ì.Ï. Àíàëèç âçàèìîñâÿçè õàðàêòåðèñòèê ÿðêîñòè è ìèêðîôèçè÷åñêèõ õàðàêòåðèñòèê îáëà÷íîñòè ïðè íàáëþäåíèè èç êîñìîñà ............................................................................. 42 Êîëÿäà Ì.Í. Âçàèìîñâÿçü èçìåíåíèé îáùåãî ñîäåðæàíèÿ îçîíà â Ñåâåðíîì ïîëóøàðèè ñî ñêîðîñòüþ ñòðàòîñôåðíîãî öèðêóìïîëÿðíîãî âèõðÿ ............................................................ 45 Ñåìåíîâ Ì.Þ., Ñïîëíèê Ç., Âàí-Ãðèêåí Ð., Õîäæåð Ò.Â. Èñïîëüçîâàíèå ìåòîäà ðåíòãåíîñïåêòðàëüíîãî ýëåêòðîííî-çîíäîâîãî ìèêðîàíàëèçà ñ óëüòðàòîíêèì îêíîì äëÿ êîìïëåêñíîãî èññëåäîâàíèÿ àýðîçîëÿ ................................................................................ 50 Áîÿðøèíîâà Ý.À. ×èñëåííîå ìîäåëèðîâàíèå ïåðåíîñà ïðèìåñè â êàíüîíå . ............................ 53 ×åðíîâà À.Â. Îñíîâíûå ïàðàìåòðû ãàçîâûõ è àýðîçîëüíûõ âûáðîñîâ îò âóëêàíîâ â àòìîñôåðó 55 Òàðàñîâ Ï.À., Ñåìüÿíîâ Ê.À. Èññëåäîâàíèå ðàñïðåäåëåíèÿ ýðèòðîöèòîâ ïî ãåìàòîëîãè÷åñêèì èíäåêñàì ........................................................................................................................ 58 Àðòàìîíîâà È.Â., Ïóäîâêèí Ì.È. Ñâÿçü èíäåêñà Ñåâåðî-Àòëàíòè÷åñêèõ Êîëåáàíèé ñ ñîëíå÷íîé àêòèâíîñòüþ ................................................................................................... 61 Äîëãîâà Î.Â., Ñâåòëè÷íàÿ Í.Í. Èçó÷åíèå ëàçåðíî-àêòèâíûõ ñðåä äëÿ îïòè÷åñêîãî çîíäèðîâàíèÿ íà îñíîâå áðîìçàìåùåííûõ ñòèëüáåíà ìåòîäàìè êâàíòîâîé õèìèè .................... 64 Ìàêàðîâ À.Â. Îïðåäåëåíèå ïîêàçàòåëÿ ïðåëîìëåíèÿ íåïîãëîùàþùèõ ìèêðî÷àñòèö ïðîèçâîëüíîé ôîðìû ãîëîãðàôè÷åñêèìè ìåòîäàìè ............................................................. 67 Îëüøóêîâ À.Ñ., Ìàêàðîâ À.Â., Ìàçóð Â.À. Ìåòîäû öèôðîâîé ãîëîãðàôèè äëÿ ðåãèñòðàöèè ìèêðîîáúåêòîâ ............................................................................................................... 69 Øóëüãèíà Ë.À., Ôàòååâà Í.Ë. Èçìåíåíèå ëàçåðíî-èíäóöèðîâàííîé ôëóîðåñöåíöèè õëîðîôèëëà â óñëîâèÿõ âîäíîãî ñòðåññà. ............................................................................ 73

Page 103: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

103

Àþðæàíàåâ À.À., Öûäûïîâ Â.Â. Ïðîãðàììíûé êîìïëåêñ ðàñ÷åòà ðàñïðîñòðàíåíèÿ àòìîñôåðíûõ çàãðÿçíåíèé . .............................................................................................. 75 Äåðåâÿííûõ À.À., Êîëìàêîâ À.À. Èññëåäîâàíèå ïîÿâëåíèÿ ÊÍ×-ñèãíàëîâ â ïîëîñå ÷àñòîò 26–36 Ãö ........................................................................................................................ 79 Êîëìàêîâ À.À. Èññëåäîâàíèå ñïåêòðàëüíûõ õàðàêòåðèñòèê ÊÍ×-ìîäóëÿöèè Â×-ñèãíàëîâ....... 81 Êîñòþêåâè÷ Ñ.Ì., Öûáèêîâ Á.Á. Ìåòîäèêà àíàëèçà ñåçîííî-ñóòî÷íûõ âàðèàöèé ñïåêòðàëüíîãî ñîñòàâà f0F2 ïî äàííûì Òîìñêîé èîíîñôåðíîé ñòàíöèè çà ïåðèîä 1937–2003 ãã. ................................................................................................................. 84 Ñîëîâüåâ À.Â. Îöåíêà ìèíèìàëüíîé îøèáêè ïåëåíãà ìàëîðàçìåðíûõ ïîæàðîâ ïðè èíôðàçâóêîìåòðèè........................................................................................................... 86 Àõìåòøèí Ð.Í. Òîïîëîãè÷åñêîå ðàñïðåäåëåíèå õàðàêòåðèñòèê ÝÝÃ-àêòèâíîñòè ìîçãà ÷åëîâåêà â ÷àñòîòíûõ äèàïàçîíàõ îñíîâíûõ ìîä øóìàíîâñêîãî ðåçîíàíñà .......................................... 89 Ïèêàëîâ Ì.Â. Âëèÿíèå àòìîñôåðíîãî äàâëåíèÿ íà ñïåêòðàëüíûå õàðàêòåðèñòèêè ýëåêòðîìàãíèòíîãî ïîëÿ â êðàéíå íèçêî÷àñòîòíîì äèàïàçîíå ............................................... 92 Ïðîòàñåâè÷ Å.Ñ., ×åðåïàíîâà Ò.Â., Æóðàâëåâà Ì.Ñ., Êèáèòêèí Ï.Ï., Êàáàíîâ À.Ì., Ìå-øàëêèí Þ.Ï., Çåìëÿíîâ À.À. Ýêñïåðèìåíòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ âçàèìîäåéñòâèÿ ëàçåðíûõ èìïóëüñîâ ôåìòîñåêóíäíîé è íàíîñåêóíäíîé äëèòåëüíîñòè ñ àýðîçîëåì è êàïëÿìè ................. 96 ×àâêèí À.Ñ. Ðàçðàáîòêà àâòîìàòèçèðîâàííîé òðåõêîìïîíåíòíîé ñòàíöèè äëÿ èçìåðåíèÿ ïîñòîÿííîãî ãåîìàãíèòíîãî ïîëÿ ....................................................................................... 99 Èìåííîé óêàçàòåëü ........................................................................................................101

Page 104: Физика окружающей среды: Материалы IV Международной школы молодых ученых и специалистов (2004 г.)

104

Íàó÷íîå èçäàíèå

ÔÈÇÈÊÀ ÎÊÐÓÆÀÞÙÅÉ ÑÐÅÄÛ

Ìàòåðèàëû IV Ìåæäóíàðîäíîé øêîëû ìîëîäûõ ó÷åíûõ è ñïåöèàëèñòîâ

Êîððåêòîð – Ã.Ã. Èâàíîâà Âåðñòêà îðèãèíàë-ìàêåòà Ë.Ê. Áîëîòîâîé, Ì.À. ßíêîâîé

Äèçàéí îáëîæêè È.Ã. Ãîëèêîâîé

Ëèöåíçèÿ ÈÄ ¹ 03420 îò 05.12.2000 ã. Ñäàíî íà âåðñòêó 21.02.2005. Ïîäïèñàíî ê ïå÷àòè 23.03.2005. Ôîðìàò 60×841/8.

Ïå÷àòü îôñåòíàÿ. Áóìàãà îôñåòíàÿ. Ãàðíèòóðà «Kudrashov». Óñë. ïå÷. ë. 12,09. Ó÷.-èçä. ë. 10,5.

Òèðàæ 100 ýêç. Çàêàç ¹ 5.

Èçäàòåëüñòâî Èíñòèòóòà îïòèêè àòìîñôåðû ÑÎ ÐÀÍ 634055, ã. Òîìñê, ïð. Àêàäåìè÷åñêèé, 1. Òåë. (382-2) 49-24-31; 49-19-28.

Òèðàæ îòïå÷àòàí â òèïîãðàôèè Èçäàòåëüñòâà ÈÎÀ ÑÎ ÐÀÍ 634055, ã. Òîìñê, ïð. Àêàäåìè÷åñêèé, 1. Òåë. (382-2) 49-10-93


Recommended