Разработка спутникового спектрометра для мониторинга общего содержания озона в атмосфере Земли

Одной из важнейших составляющих атмосферы Земли является озоносфера – слой озона О3, располагающийся в основном на высотах от 12 до 50 км и предохраняющий живые организмы на земной поверхности от вредного влияния ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца. Человеческая деятельность, направленная на развитие промышленности и транспорта (включая реактивную авиацию), а также интенсивное использование ракетно-космической техники ведет ко всё более возрастающему загрязнению атмосферы и как следствие – к увеличению доли распада стратосферного озона. Обеднение озонового слоя и связанное с этим увеличение дозы вредного УФ-излучения приводит к ослаблению иммунной системы человека, наносит вред животным и растениям. Контроль состояния атмосферы в масштабах от регионального до планетарного является необходимой предпосылкой для прогнозирования климатических изменений и решения проблем экологической безопасности населения отдельных регионов и человечества в целом.
Одним из основных методов дистанционного изучения состава атмосферы является спектральный анализ проходящего через неё солнечного излучения. По наличию в спектре тех или иных линий (полос) поглощения можно судить о присутствии в атмосфере тех или иных веществ, а по глубине этих линий – о концентрации этих веществ. Наиболее важные полосы поглощения озона лежат в диапазоне длин волн 200 – 400 нм. Это, прежде всего, полоса Хартли с максимумом в районе 250 нм и полоса Хаггинса (набор полос с максимумами в интервале от 300 до 400 нм). Для мониторинга общего содержания озона (ОСО) используется в основном полоса Хаггинса. В настоящее время мониторинг ОСО является одной из приоритетных задач научного сообщества и осуществляется многими орбитальными приборами1-3. Разрабатываемый в рамках настоящей работы спектрометр, получивший название «озонометр», также предназначен для мониторинга озона и других газов (например оксида азота NO2), в спектральном диапазоне 300-800 нм.
Разработка прибора ведётся в рамках проекта «Ионозонд», предусматривающего развертывание орбитальной группировки из пяти космических аппаратов (КА) – 4 КА «Ионосфера» и 1 КА «Зонд». Озонометры предполагается установить на все 5 аппаратов. Прибор разрабатываются в двух модификациях:
1. «Озонометр-ТМ»
Прибор «Озонометр-ТМ» представляет собой облегчённую модификацию прибора – это одноканальный трассовый спектрометр со спектральным диапазоном 0,3 – 0,5 мкм и разрешением (расчётным) 0,3 нм. Пространственное разрешение (точка на карте) составляет около 10 км. Прибор «Озонометр-ТМ» планируется установить на каждый 4 КА «Ионосфера», имеющими круговые солнечносинхронные орбиты высотой 820 км. Запуск первой пары аппаратов «Ионосфера» намечен на 2014-й год, второй пары – на 2015-й год.
2. «Озонометр-З»
Прибор «Озонометр-З» представляет собой более полную конфигурацию прибора – это двухканальный сканирующий спектрометр со спектральным диапазоном 0,3 – 0,8 мкм (2 канала с поддиапазонами 0,3 – 0,5 мкм и 0,5 – 0,8 мкм). Спектральное разрешение составляет 0,3 – 0,5 нм, пространственное – также около 10 км. Наличие сканирующего зеркала в этой модификации прибора обеспечивает поворот поля зрения в направлении, перпендикулярном направлению движения космического аппарата, на угол ±30°, что увеличивает ширину подспутникового следа до 800 км. Прибор «Озонометр-З» предполагается установить на КА «Зонд», имеющий круговую солнечносинхронную орбиту высотой 600 – 650 км. Запуск намечен на 2015-й год.

1. J.P. Burrows, M. Weber, M. Buchwitz, V.V. Rozanov, A. Ladstätter-Weißsenmayer, A. Richter, R. DeBeek, R. Hoogen, K. Bramstedt, K.-U. Eichmann, M. Eisinger, D. Perner, Journal of the atmospheric sciences, 56, 151-175, (1999).
2. H. Bovensmann, J.P. Burrows, M. Buchwitz, J. Frerick, S. Noёl, V.V. Rozanov, K.V. Chance, A.P.H. Goede, Journal of the atmospheric sciences, 56, №2, 127-150, (1999).
3. P.F. Levelt, G.H.J. van der Oord, M.R. Dobber, A. Mälkki, H. Visser, J. de Vries, P. Stammes, J.O.V. Lundell, H. Saari, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 44, №.5, 1093-110, (2006).