Глобальный мониторинг водного и углеродного циклов в атмосфере – актуальная задача для современной климатологии. Репрезентативными трассерами водного и углеродного циклов является относительное содержание некоторых изотопологов воды и углеродсодержащих парниковых газов. Количественные данные по относительному содержанию таких изотопов как 13С и 12С в углекислом газе (CO2) и метане (CH4) в атмосфере позволяют разделить вклад от естественных и антропогенных источников эмиссии этих парниковых газов в атмосферу. Мониторинг относительного содержания изопологов водяного пара HDO и Н218О по отношению к основному изотопологу H216O в атмосфере является источником репрезентативных данных для выявления скрытых трендов в гидрологическом атмосферном цикле. Одной из важных задач, для которой используются эти данные, является верификация/валидация современных изотопических версий моделей общей циркуляции атмосферы, таких как ECHAM-wiso, LMDz-iso, NASA GISS GCM ModelE и других. Причем, для климатических приложений важно осуществлять анализ с оценками ошибок данных в δ-величинах, определяемых как δ=[R/Rстанд-1]×1000‰, где R и Rстанд это определяемое и стандартное, соответственно, отношения концентраций искомых изотопологов. Для глобального мониторинга атмосферы необходимо обеспечить максимальное покрытие искомыми данными по всему земному шару, что возможно только при спутниковом зондировании. Цель данного поискового исследования – разработка методов и их алгоритмическая реализация для решения обратных задач спутникового и наземного дистанционного зондирования атмосферы с целью мониторинга относительного содержания изотопологов углеродсодержащих парниковых газов (13СО2/12СО2, 13СН4/12СН4) и водяного пара (HDO/H216O, Н218О/H216O, Н217О/Н216О) в атмосфере. Предлагаемый проект представляет собой дальнейшее развитие и воплощение исследований, поддержанных грантами INTAS 03-51-6294, РФФИ № 09-01-00474-а и РФФИ № 12-01-00801. Планируемый прорывной результат данного проекта - пионерские методы и алгоритмы для решения обратных задач дистанционного зондирования атмосферы, позволяющие одновременное использование двух различных спектральных диапазонов (теплового и ближнего инфракрасного диапазонов). Проблема заключается в том, что перенос излучения теплового и ближнего инфракрасного диапазонов в атмосфере описывается существенно различающимися нелинейными уравнениями переноса. Одновременное использование обеих диапазонов с одной стороны позволяет сделать обратную задачу зондирования более определенной, но с другой стороны, предполагает сложный комбинированный алгоритм решения обратной задачи. Такая комплексная задача ставится впервые в данном проекте. Проект базируется на разрабатываемых известной научной школой Института математики и механики УрО РАН регулярных методах решения некорректных обратных задач с априорной информацией и оригинальном программном обеспечении FIRE-ARMS (Fine InfraRed Explorer for Atmospheric Radiations MeasurementS), разрабатываемом в лаборатории физики климата и окружающей среды Уральского федерального университета для решения прямых и обратных задач переноса инфракрасного излучения в безоблачной атмосфере. ПО FIRE-ARMS планируется дополнить модулями и процедурами известного ПО VLIDORT для учета многократного рассеяния света в ближнем ИК диапазоне в прямой задаче, а также оригинальными модулями для вычисления производных спектров по требуемым атмосферным параметрам (температура, концентрация оптически активных газов), что позволит реализовывать методы и алгоритмы обратных задач. Для достижения поставленной цели планируется решать следующие задачи:- моделирование переноса инфракрасного излучения теплового и ближнего инфракрасного диапазона в безоблачной атмосфере для различных широт, сезонов и типов подстилающей поверхности с использованием современных версий спектроскопических баз данных для атмосферных молекул, таких как HITRAN и GEISA. - поиск и выбор достаточно изолированных и сильных сигналов искомых изотопологов в модельных спектрах высокого разрешения и их идентификация в наблюдаемых спектрах атмосферы при спутниковом и наземном зондировании в различных широтах и различных сезонах и типах подстилающей поверхности;- разработка и апробация оригинальных высокоточных методов решения обратных задач по определению относительного содержания (в δ-величинах) искомых изотопологов в атмосфере из инфракрасных спектров атмосферы высокого разрешения спутникового и наземного зондирования с использованием априорной информации;- анализ ошибок обращения спектров и ядер усреднения различных методов, в том числе обусловленных неточностями в современных спектроскопических базах данных для атмосферных молекул, а также спектрального разрешения и отношения сигнал/шум в измеряемых атмосферных спектрах.В качестве исходных данных для решения обратных задач зондирования искомых изотопологов планируется использовать натурные спектры атмосферы в тепловом ИК диапазоне, регистрируемые сенсором IASI со спутников METOP-A и METOP-B Европейского космического агентства, а также спектры в тепловом и ближнем ИК диапазонах, одновременно регистрируемые сенсорами TANSO-FTS со спутника GOSAT Японского аэрокосмического агентства. Оригинальные данные дистанционного зондирования атмосферы ИК-Фурье спектрометром высокого разрешения BRUKER IFS125M наземного базирования на Уральской атмосферной станции УрФУ в Коуровке будут использованы для верификации разрабатываемых методов спутникового зондирования.Новизна предлагаемого проекта заключается в том, что задача спутникового зондирования относительного содержания изотопологов углеродсодержащих парниковых газов (δ13C в CO2 и CH4) с использованием ИК-Фурье спектрометров высокого разрешения ставиться впервые, как и разработка высокоточных методов восстановления искомых величин с учетом некорректности обратных задач. При этом впервые планируется разработать методологию совместного использования спектров как теплового, так и ближнего ИК диапазонов для решения обратных задач по определению концентрации искомых изотопологов с необходимой для климатических приложений точностью. Также пионерской является постановка обратной задачи дистанционного зондирования δ17O в Н2О в атмосфере ИК-Фурье спектрометрами высокого разрешения наземного базирования. В прикладном аспекте будет разработано оригинальное программное обеспечение, позволяющее учитывать эффекты многократного рассеяния при решении прямых и обратных задач переноса излучения ближнего ИК диапазона в безоблачной атмосфере. Все итерационные схемы методов обращения с расчетом якобианов, оценки апостериорных ковариационных матриц и ядер усреднения предполагается реализовывать непосредственно в терминах δ-величин, что в случае определения δ13C и δ17O является безусловно новым. Проект 2021-2022 гг. Новизна направления, предлагаемого Проекта 2021 для продолжения на период 2021-2022 гг., заключается в разработке методов и алгоритмов решения обратных задач гиперспектрального спутникового зондирования атмосферы для приложений в такой геометрии, как зондирование атмосферы в лимб. Этот подход предоставляет новые, еще неисследованные возможности, в частности для увеличения целевых объектов проекта, т.е. количества изотопических трассеров углеродного и водного циклов, чем при спутниковом зондировании атмосферы в надир и по наклонным трассам и наземном зондировании атмосферы в зенит и по наклонным трассам. Гиперспектральное зондирование атмосферы в лимб в тепловом и ближнем ИК диапазонах солнечного спектра предоставляет уникальную возможность для регистрации сигналов значительного числа парниковых и загрязняющих атмосферу газов (Ja-Ho Koo, Kaley A.Walker, Ashley Jones, Patrick E.Sheese, Chris D.Boone, Peter F.Bernath, Gloria L.Manney (2017): Global climatology based on the ACE-FTS version 3.5 dataset: Addition of mesospheric levels and carbon-containing species in the UTLS. // Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer, 186, (2017), 52–62.), https://ace.scisat.ca/publications/ и решения обратных задач из лимбовых спектров для нужд климатологии. В отличие от метода спутникового зондирования атмосферы в надир и по наклонным трассам, который позволяет получать информацию о тропосфере (0-15 км), спутниковое зондирование в лимб дает возможность исследовать верхние слои атмосферы, начиная от верхней границы облачности, т.е. от верхней границы тропосферы (около 15 км) до высот около 150 км. Новым качеством в таком подходе, является то, что в спектре пропускания в верхней тропосфере и стратосфере солнечного излучения теплового и ближнего ИК диапазонов линии атмосферных газов в несколько раз уже, чем в нижней и средней тропосфере. Это обстоятельство предоставляет возможность выделять хорошо изолированные сигналы различных изотопологов атмосферных газов в модельных спектрах и идентифицировать их в натурных спектрах атмосферы. Например, этот подход может позволить разработать метод решения обратной задачи для восстановления такого изотополога как СDH3 (дейтерированный метан), который участвует в процессах образования HDO в стратосфере. Такая задача ставится впервые в данном проекте. Также важно, что при зондировании атмосферы в лимб существенно повышается отношение сигнал/шум в наблюдаемом спектре солнечного излучения, проходящего по «горизонтальной» трассе из-за ее большой протяженности, что предоставляет возможность для повышения точности решения обратных задач. В рамках продолжения проекта планируется исследовать уникальные возможности, предоставляемые новыми отечественными разработками в области узкополосных инфракрасных лазерных спектрометров сверхвысокого разрешения с гетеродинным усилением (Rodin A. et al, High resolution heterodyne spectroscopy of the atmospheric methane NIR absorption // Optics Express. 2014. V. 22. № 11. P. 13825-13834.), перспективными для решения обратных задач наземного и спутникового зондирования атмосферы для восстановления искомых изотопологов. Из-за наличия сверхвысокого разрешения в измеряемом атмосферном спектре, в сочетании с достаточно высоким отношением сигнал/шум, такие перспективные разработки предоставляют потенциальные возможности для развития прецизионных методов решения некорректных обратных задач дистанционного зондирования атмосферы, для повышения точности восстановления изотопических трассеров водного и углеродного циклов. Использование таких спектрометров сверхвысокого разрешения для наземного зондирования атмосферы в зенит и спутникового зондирования в лимб, позволит свести нелинейную обратную задачу к решению переопределенной системы линейных уравнений. Что, в свою очередь, открывает перспективу для использования классических математических методов решения линейных некорректных обратных задач (Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. М. : Наука, 1979; Иванов В.К., Васин В.В., Танана В.П. Теория линейных некорректных задач и ее приложения. М.: Наука, 1979; Тихонов А.Н., Гончарский А.В. Степанов В.В., Ягола А.Г. Регуляризующие алгоритмы и априорная информация. М.: Наука, 1983; Васин В.В., Агеев А.Л. Некорректные задачи с априорной информацией. Екатеринбург: УИФ “Наука”, 1993.) для разработки алгоритмов и ПО к обратным задачам зондирования атмосферы, поставленным в Проекте 2021.В рамках Проекта 2021 планируется расширить международное сотрудничество с группой профессора Р. Имасу (R.Imasu) из Института исследований атмосферы и океана Университета Токио (Япония), работающей над задачами спутникового мониторинга углеродсодержащих газов в атмосфере по проекту GOSAT-2 (Greenhouse gases Observing SATellite-2), https://global.jaxa.jp/projects/sat/gosat2/index.html, а также сотрудничество с коллегами, работающими в области зондирования атмосферы в лимб по проекту ACE-FTS.