Глобальное радиационное поле Земли, радиационный форсинг и супервычисления

Радиационное поле Земли - одна из определяющих компонент климата, экосистемы и жизнеобеспечения. Составной частью исследований опасных явлений и экологических последствий естественно-природных катастроф и техногенных чрезвычайных ситуаций является разработка информационно-математической системы и создание программного визуально-диагностического обеспечения для математического моделирования переноса излучения, аэрокосмического дистанционного зондирования и мониторинга, анализа и прогнозирования на основе "сценариев". Для решения таких проблем традиционно используются самые большие ЭВМ, в том числе суперкомпьютеры (2004 год – фирма IBM в США по заказу NASA; Япония, Германия и др).
Более 40 лет назад Т.А. Сушкевич разработала первую в мире модель переноса солнечного излучения в сферической атмосфере Земли в масштабах планеты (расчет одного варианта на БЭСМ-6 длился около 300 часов) [1, 2], на основе которой были получены пионерские результаты по дистанционному зондированию аэрозольных и озоновых слоев, а также решены многие прикладные задачи освоения космического пространства и становления космических исследований. Эта модель в последние годы приобрела актуальность в связи с исследованиями глобальной климатической системы и признанием существенной роли (вклад до 40%) радиационного форсинга на эту систему.
Предлагается оригинальный универсальный математический аппарат для моделирования переноса излучения в многослойных неоднородных гетерогенных природных средах с существенно различными радиационными режимами в отдельных областях 1D или 2D или 3D сферической системы. Гетерогенной является, например, система "свободная атмосфера – многоярусная облачность – приземный слой атмосферы – океан (суша)". Подход основан на построении обобщенных решений в форме матричных функционалов, ядрами которых являются векторы функций влияния отдельных слоев системы. При этом функции влияния слоев с различными аэрозольными и молекулярными характеристиками рассеяния и поглощения и радиационными режимами можно рассчитывать разными методами в разных приближениях теории переноса излучения.
Такая постановка задачи приобретает также актуальность в связи с проблемами фоторадиационной химии атмосферы (тропосферы, стратосферы и озоносферы в условиях сумерек, зари, терминатора, полярных регионов); информационного обеспечения томографии атмосферы Земли, в том числе рефрактометрическими методами и космическими системами, работающими в условиях наблюдений по горизонтальным трассам; дистанционного зондирования полярных регионов; созданием моделей спектрально-радиационного баланса Земли; фазовой яркости Земли для приборов космической навигации (возврат КА на Землю, навигация КА по Земле и т.п.); реализацией проектов дополнительных источников энергии на КА путем использования солнечного излучения, отраженного Землей и т.д.
Новые возможности предлагаемой модели связаны с верификацией инженерных прикладных методик и приближения плоских слоев, массово используемых для экспресс-анализа космических данных и в радиационных блоках для моделей климата, циркуляции, прогноза, фотохимической кинетики, динамики озоносферы, трансграничного переноса загрязнений воздушного бассейна и т.д.
Работа поддержана грантом РФФИ (проект 09-01-00071) и проектом ПФИ № 3 (3.5) ОМН РАН.

1. Сушкевич Т.А. Осесимметричная задача о распространении излучения в сферической атмосфере // Отчет № О-572-66. М.: ИПМ АН СССР, 1966. 180 с.
2. Сушкевич Т.А. Математические модели переноса излучения. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний. 2005. 600 с.