海岸地帯管理ジャーナル

概要

気候変動 2019: 空の偏光測定による地球の成層圏エアロゾルパラメータの修復 - O Zbrutskyi - Igor Sikorsky キエフ工科大学、ウクライナ

P. ネヴォドフスキー、A. ヴィドマチェンコ、O. オブサク、O. ズブルツキー、Ðœ. ゲライムチュク、О. イヴァヒフ

地球の気候変化は、太陽放射のエネルギーバランスの自然な変化と、オゾン層の厚さと成層圏エアロゾル量の変動に対する人為的要因の影響の結果です。太陽光スペクトルの紫外線領域での衛星偏光実験用の小型紫外線偏光計が開発されました。この装置の主な役割は、空の光偏光測定の結果としてエアロゾルの物理的特性に関する情報を取得することです。この装置は、当社が特別に設計および製造したベンチでテストされました。AZT-2望遠鏡（ウクライナ、キエフの中央天文台）で行われた雲のない空のスペクトル偏光測定データを分析するための特別なコンピュータプログラムセットが開発されました。これにより、地球の大気によって散乱された太陽放射の直線偏光度のスペクトル位相依存性を計算することができます。エアロゾル粒子の特性とサイズ分布関数のパラメータが変化する場合は、均質ガスエアロゾル媒体モデルが使用されます。つまり、雲のない空の地上偏光観測により、地球の対流圏と底成層圏におけるエアロゾルの物理的特性の多くを研究することが可能になります。

紫外線偏光計 (UVP) 操作の使用に基づく成層圏エアロゾル研究の方法が提案されました。日中および日没直後の雲のない空の偏光地上測定データの近似分析により、地球の大気の対流圏および成層圏におけるエアロゾル粒子の微物理的特性を決定する可能性が確認されました。

3 つの機関の努力が結集し、宇宙船から成層圏エアロゾルの物理的特性を研究する実験を準備しました。その結果、モックアップ UAV が作られました。このデバイスにより、宇宙船から地球の成層圏の偏光測定が可能になります。

光電子増倍管 R1893 は光子計数モードで動作します。温度センサーは媒体と受信機の両方の温度をチェックします。特別に設計された中空ローター圧電モーターが偏光素子を回転させます。温度センサー (受信機、エンジンなど) からの必要なデータは、処理とさらなる分析のためにコンピューター インターフェイスに転送されます。対応する素子の位置制御の偏光面をそれぞれターゲットに合わせて制御するための特別なソフトウェアが開発されています。

A special bench to set up and study the current prototype of the UVP, its individual blocks and their combination, was been developed. It can be divided into the separate interchangeable parts, units and blocks.Such a design makes it possible to change research tasks easily and quickly as well as constantly improve the bench itself. The UVP studies performed at the test bench made it possible to determine its technical parameters and performance characteristics.

With this equipment, that was thoroughly investigated the operation of the light emission receiver (R1893 photomultiplier) to determine its noise threshold at supply voltages in the 1050-1500V range (dark pulses are 2-4 pulses/sec) and the device operating voltage was selected. Reading stability of device output signals has been investigated extensively. It was determined during long hours of dark and useful signals measurements. To verify the methodology for conducting polarization observations of the cloudless sky, there was used a modification of current prototype the onboard ultraviolet polarimeter UVP. It was mounted on the AZT-2 telescope (70 cm mirror and 15 m focal length) . We have realized the polarimetric observations with improved prototype of ultraviolet polarimeter on 26-th and 27-th of September 2017. Remark, that from the 24-th till 29-th of September all days and nights were cloudless above Kyiv, Ukraine. We oriented the telescope at a part of the sky with the Sun declination equal to zero degree for an angle equal to 1h from the central meridian. Operation began by turning off the clockwork mechanism of the telescope at 14:00 UTC+2 and observations were completed at 20:00. We used for observations the λ = 362 nm filter located between the visible and ultraviolet light spectral regions and also have cut a portion of the sky using a diaphragm with a diameter of 0.5 mm. The piezoelectric motor rotates the modulator unit with the polarization element (Glan prism) at a 45° the same angle. Thus, one rotation through 360° the modulator carried out in 8 steps. Exposure was selected in 2 seconds. At the beginning of operation, the useful signal stream was about 300 k pulses per second with a dark stream of no more than 20 pulses per second. The results of obtained observations, as well as the additional results were used for analysis and subsequent processing.

真の吸収が低い小さな等方性粒子によって散乱される光の DLP 位相依存性は、レイリー散乱に近い。しかし、それらの粒子の複素屈折率の虚数部が大幅に増加すると、位相角からの DLP の最大値は、それぞれ 60°/300° に等しい値にシフトします。エアロゾルの物理的パラメータが変化しない場合、粒子によって散乱される光の DLP は、波長が短くなるにつれて減少します。最も単純な非球形 (たとえば、細長い楕円体、円筒) を持つ、均一でランダムに配向された粒子の静的集団による光散乱の特性がモデル化されました。このような研究の結果、粒子の形状が散乱される放射特性に大きな影響を与えることが示されました。しかし、自然界に実際に存在する複雑な形状のエアロゾル粒子 (結晶、雪片、すす、ほこりなど) の散乱特性をシミュレートしようとすると、解析的記述が不可能であり、このような問題のアルゴリズム化が複雑になります。観測データ処理の結果は、スペクトル偏光測定のデータ分析に対する当社の方法論とプログラム コードの有効性を示しており、昼光と薄明の天頂空の直線偏光度値の位相依存性を示しています。広範囲の波長における測定データと計算モデル依存性の形状と絶対値の一致は、再構築されたモデル エアロゾル パラメータの値と実際のデータの間に対応関係がある可能性を示しています。

提案された技術により、太陽の天頂距離によって高さが決まる大気柱全体にわたって平均化されたガスエアロゾル媒体の推定パラメータを決定できることを強調しておく必要があります。個々のエアロゾルモードの高度と特性を決定する作業には、さらなる研究が必要です。