Лидары и надиры в изучении атмосферы

Курсовая работа

лидары и надиры в изучении атмосферы




Содержание



	Введение

	1. Спонтанное комбинационное рассеяние

	1.1 Общие сведения

	1.2 Методы дистанционного обнаружения атомов и молекул, измерения их концентрации и температуры, основанные на использовании СКР света

	1.2 Теория комбинационного рассеяния света

	2. Принцип работы лидара и характеристики лидарного метода с использованием спонтанного комбинационного рассеяния

	2.1 Преимущества и недостатки схемы лазерных локаторов, основанных на КР

	2.2 Измерение концентрации и температуры газов

	2.3 Применение комбинационных лидаров для исследования атмосферы и ее загрязнений

	Литература






Введение



За последние сто лет засорение окружающей среды усилилось разными выбросами. За это время в атмосферу Земли попало, по подсчетам ученых, более миллиона тонн кремния, полтора миллиона мышьяка, около миллиона тонн кобальта. Еще более было выброшено пыли, сажи, копоти, оксидов азота, углерода и серы. Причем большинство выбрасываемых и вредных веществ – ценное промышленное сырье. 

Надо иметь в виду то, что где бы на земле ни происходили выбросы пыли, сажи, газов, поднимаясь в атмосферу и тропосферу, они распространяются затем по всей оболочке земного шара. Их влияние двояко и имеет глобальные последствия.

Во-первых, солнечному свету труднее всего пробиться сквозь загрязненную атмосферу. Следовательно, человечество смотрит на свою звезду – Солнце – как бы сквозь грязное окно. Кроме того, пыль в воздухе и избыток газов задерживают ультрафиолетовые лучи. Все это вместе ведет к уменьшению температуры на освещенной Солнцем стороне планеты. В конечном счете, это влияет на тепловой баланс Земли. Во-вторых, если пыль в атмосфере задерживает ультрафиолетовые лучи, то вода и особенно углекислый газ препятствуют уходу в космическое пространство теплового излучения. Оно накапливается у поверхности Земли. В итоге наша планета недополучает солнечного света и не может избавиться от избытка теплоты, и природное тепловое равновесие оказывается под угрозой.

Важную роль в концентрации загрязняющих веществ и их перемещении играют ветры. Сильный ветер уносит загрязняющие вещества из городов, рассеивает их в больших объемах воздуха. В результате концентрации загрязнения уменьшаются. При определенных физико-географических условиях сильный ветер, наоборот, в ряде случаев приводит к увеличению концентрации пыли в воздухе. Например, в странах аридного климата нарушение почвенно-растительного покрова способствует возникновению пыльных бурь, при которых в воздух поднимаются колоссальные массы твердых частиц почвы. Следует оговориться, что при сильных ветрах проблема загрязнения может не исчезнуть, а как бы переместиться в пространстве. Например, при сильных ветрах пыль и газы промышленного происхождения из районов Британских островов достигают Средней Швеции, образуя там загрязнения опасных концентраций.

Сернистый газ с водой воздуха образует капельки серной кислоты. Растворы серной кислоты могут долго держаться в воздухе в виде плавающих капелек тумана или выпадать вместе с дождем на землю. Эти растворы разъедают металлы, краски, синтетические соединения, ткани, губительно действуют на растения и животных. Попадая на землю, серная кислота подкисляет почвы. В результате этого сокращается почвенная фауна. 

Распыляются в воздухе асфальт и бетон дорог, резина покрышек автомобилей. Химизация сельского хозяйства сопровождается попаданием в атмосферу все большего количества химических веществ.

В настоящее время наиболее распространенный способ борьбы с загрязнениями воздуха заключается в удалении загрязняющих веществ как можно дальше от места выброса. Это осуществляется строительством высоких труб на заводах и тепловых станциях. Трубы выбрасывают сажу, золу и газы в струйные потоки воздуха, которые выносят грязь на большие расстояния от мест выброса и рассеивают ее в больших объемах воздуха. Во все более широких масштабах проводится строительство разного рода очистных сооружений, уменьшающих выбросы в атмосферу. Но все самые совершенные очистные установки не могут полностью уловить загрязняющие вещества, и какая-то их часть всегда поступает в воздух. В охране воздуха городов и населенных пунктов важная роль принадлежит зеленым насаждениям и зеленым зонам.

Однако все выше названные способы не могут полностью решить проблему охраны атмосферы. Фильтры, газо- и пылеуловители приводят к скоплению огромных масс вредных веществ, которые куда-то надо складировать. При этом происходит загрязнение почвы, поверхностных и грунтовых вод. Часть загрязняющих веществ не улавливается на фильтрах.

В этой связи особенно актуальна проблема исследования уровня загрязнения атмосферы, что и осуществляется, в частности, дистанционными методами. 

Данилов-Данильян В.И. «Экология, охрана природы и экологическая безопасность» М.: МНЭПУ, 1997 г.

Протасов В.Ф. «Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России», М.: Финансы и статистика, 1999 г.


1. Спонтанное комбинационное рассеяние 



1.1 Общие сведения



Для получения комплексных сведений о параметрах потока одновременно с ОДЛ, дающим информацию о скорости потока, применяются бесконтактные методы лазерной дистанционной спектроскопии, основанные, в частности, на спонтанном комбинационном рассеянии, резонансном поглощении и рассеянии, которые позволяют определить плотность и температуру газа (жидкости). Однако круг задач, поддающихся решению с помощью указанных методов, не ограничивается только аэродинамическими процессами. Лазерная дистанционная спектроскопия позволяет исследовать вопросы физики и состава (естественных компонент) атмосферы в связи с проблемами метеорологии и аэродинамики, а также с борьбой за чистоту окружающей среды (обнаружение выбрасываемых в атмосферу продуктов, образующихся при сгорании топлива на промышленных предприятиях и бензина в автомашинах и т. д.), измерения температуры атмосферы, океана, качественного и количественного анализа плазмы, пламени, слежения за ходом химических реакций до известной степени для управления ими в производственных условиях и др. 

При дистанционном лазерном зондировании атмосферы проводится не только индикация компонент, но и фиксация высоты, на которой выполняются определения. Информации о концентрации исследуемых компонент извлекается из наблюдения взаимодействия лазерного излучения (рассеяния, поглощения и флуоресценции) с атмосферой. Соответствующие приборы по начальному слогу и буквам английских слов Light Detection and Ranging по аналогии с радарами названы лидарами.


1.2 Методы дистанционного обнаружения атомов и молекул, измерения их концентрации и температуры, основанные на использовании СКР света 



В табл. 1 приведены типичные характеристики основных видов взаимодействия лазерного излучения с атмосферными компонентами. Рассеивание оптических волн в зависимости от типа рассеивателей и соотношения их размеров с длиной волны обычно подразделяется на три вида: рассеяние Ми, рэлеевское и КР света. 



Таблица 1. Сравнение процессов оптического взаимодействия, применяемых в методах дистанционного лазерного зондирования атмосферы

Вид взаимодействия 

Соотношение частот

d / d, см3/ср

Выявленные компоненты

Рассеяние Ми

р = 0

10-26– 10-8 (аэрозоля)

Частицы аэрозоля

Рэлеевское рассеяние

р = 0

10-26 (вне резонанса) 

10-23 (в резонансе)

Атомы и молекулы

Комбинационное рассеяние

р  0

10-29 (вне резонанса) 

10-26 (в резонансе)

То же

Испускание (флуоресценция)

р = 0

р  0

10-29 (потушенная) 

10-26 (потушенная)

То же 

Поглощение 

р = 0

10-20

То же 



Рассеяние Ми – это классическое упругое рассеяние, происходящее на длине волны падающего излучения, когда размеры рассеивающих частиц сравнимы с длиной волны оптического излучения или больше ее. При этом рассеиваемый свет сконцентрирован в основном в направлении «вперед» и имеет значительно меньшую интенсивность в направлении «назад». Хотя сечение этого вида рассеяния обычно не очень велико, что обеспечивает высокую чувствительность при зондировании таких частиц вещества, как пыль, водяные капли, рассеяние Ми в то же время не позволяет проводить количественный анализ атомного и молекулярного состава атмосферы. 

Рэлеевское рассеяние также когерентно и происходит без сколько-нибудь значительного обмена энергией с внутренними состояниями молекул и атомов, как показано на рис. 1, а, где 0 обозначают частоту (волновое число) падающего, а р – рассеянного излучения. На рисунке представлены основное и возбужденное электронные состояния и их отдельные уровни. В случае атомов отдельные уровни образуются вследствие взаимодействий, определяющих тонкую и сверхтонкую структуру, а в случае молекул они соответствуют колебательно-вращательным состояниям. Энергия рэлеевского рассеяния сосредоточена вблизи направления распространения пучка с равными интенсивностями рассеяния «вперед» и «назад». Поскольку центральная длина волны рэлеевской компоненты рассеяния совпадает с длиной волны рассеяния Ми и зависимость ее интенсивности от  является гладкой функцией ( -4), то различить эти два вида можно только по индикатрисе рассеяния. Контур линии рэлеевского рассеяния содержит информацию о температуре (вследствие эффекта Допплера). 

		Рэлеевское рассеяние используется для исследования турбулентности атмосферы, флуктуации плотности в диффузионных пламенах и определения видов молекул в турбулентном потоке, рассеяние Ми – для определения размеров, концентраций и скоростей частиц. На рис. 1 изображены и другие возможные механизмы, связанные с атомными и молекулярными процессами, в которых фотон рассеивается неупруго. Процесс СКР включает обмен значительным количеством энергии между рассеянным фотоном и рассеивающей молекулой. Вследствие этого спектральные компоненты КР сдвинуты относительно частоты падающего излучения на частотные интервалы, равными интервалам между уровнями энергии рассеивающих атомов или молекул. Сечение КР обычно меньше сечения рэлеевского рассеяния примерно на три порядка. Тем не менее методы лазерного зондирования с использованием КР весьма перспективны, так как дают возможность проводить идентификацию и контроль атмосферных составляющих из одного пункта, а при использовании нерезонансного КР сам эффект не зависит от длины волны падающего излучения. Интенсивность линий КР пропорциональна числу молекул в начальных состояниях, переходы из которых порождают данную линию или полосу, КР используется не только для получения информации о молекулярной структуре, но и для измерений плотности, температуры и концентрации загрязнений в воздухе. Достигнуты значительные успехи в преодолении трудностей, обусловленных чрезвычайно малым эффективным сечением КР.

		

 

			Ряс. 1. Диаграмма энергетических уровней атома или молекулы и процессов взаимодействия, связанных с рассеянием и флуоресценцией: а — рэлеевское рассеяние; б — стоксово комбинационное рассеяние; в — резонансное комбинационное рассеяние; г — резонансная флуоресценция; д — широкополосная нерезонансная флуоресценция; е — резонансное рассеяние; m1, т2 и m3 — начальный, промежуточный и конечный уровни.



Когда частота возбуждающего излучения близка к резонансной частоте атома или молекулы, свечение КР существенно увеличивается вследствие резонансного роста значения тензора поляризуемости. Данный процесс называется резонансным КР, и в это понятие включается не только чисто резонансное, но и происходящее вблизи резонанса взаимодействие. Хотя этот аффект был открыт давно, обсуждался в течение многих лет, количественные измерения стали возможны только после создания перестраиваемых во частоте лазеров. Увеличение сечения от трех до шести порядков величины по сравнению с сечением обычного КР на молекулах N2 наблюдалось при переходе к резонансу для таких молекул, как I2, NO2, О3. Это позволяет дистанционно обнаруживать весьма низкие концентраций атмосферных составляющих, если поглощение не приведет к значительному ослаблению зондирующего излучения. 

Флуоресценция представляет собой спонтанное испускание фотона атомом или молекулой после перехода их в возбужденное состояние при поглощении падающего излучения с частотой v0, лежащей в пределах отдельной линии или полосы поглощения. На рис. 1, е схематически показан процесс излучения из возбужденного уровня атома или молекулы при переходах на первоначальный уровень. Этот процесс испускания дает дискретный спектр, обычно его называют резонансной флуоресценцией. Если возбужденные атомы и молекулы испытывают соударения, приводящие к перераспределению по другим возбужденным уровням в результате безизлучательных переходов (рис. 1, д), то наблюдается широкополосная флуоресценция, имеющая почти непрерывный спектр. Возбуждение флуоресценции всегда требует перестраиваемого источника когерентного оптического излучения (перестраиваемые лазеры и оптические параметрические устройства) для настройки частоты возбуждения на резонансную частоту исследуемых молекул и ли атомов. Так как спектр флуоресценции является характеристикой данного сорта атомов или молекул, то с его помощью удается отождествить компоненты атмосферы. 





Рис. 2.Диаграмма трехмерного распределения интенсивности комбинационного рассеяния как функции угла: лазерное излучение направлено вдоль оси y и поляризовано в направлении оси х; телесные углы, под которыми собирается рассеянный свет, расположены вдоль осей x и z. 



	Все виды флуоресценции в атмосфере обычно подвержены тушению, вызванному неупругими соударениями с молекулами воздуха, что снижает ее интенсивность на несколько порядков по сравнению с интенсивностью при низком давлении (условия в верхней атмосфере или в лаборатории). Процессы соударений приводят также к спектральному уширению флуоресценции, увеличению деполяризации и уменьшению анизотропии вследствие «потери памяти» о направлении распространения и поляризации возбуждающего излучения. Флуоресценция является последовательностью двух однофотонных процессов, т. е. двухступенчатым взаимодействием, состоящим в поглощении отдельного фотона частоты v0 с последующим спонтанным испусканием фотонов частотой vp. Интенсивность флуоресценции при высоких давлениях затухает экспоненциально. Рассеяние света на отдельном атоме или молекуле является двухфотонным процессом, описываемом одноступенчатым взаимодействием, которое приводит одновременно к исчезновению фотона с частотой v0 и появлению другого фотона с частотой vp. На рис. 1, е изображен случай, когда возбуждение в области сильного поглощения приводит одновременно к испусканию фотонов с частотой, равной или очень близкой к частоте v0. Такое резонансное рассеяние реализуется для паров атомов, имеющих большое сечение резонансного рассеяния и находящихся на больших высотах.

	Трехмерно-угловое распределение интенсивности КР приведено на рис. 2. Минимальные и максимальные радиальные размеры тороида характеризуют процесс рассеяния и определяют поперечное сечение рассеянна и деполяризации рассеянного излучения. Поперечное сечение рассеяния определяется максимальным радиальным размером тороида, деполяризация — отношением минимального размера к максимальному. 


1.2 Теория комбинационного рассеяния света



В процессе рассеяния кванта света с энергией hv0 на молекуле, находящейся в переходном состоянии с энергией Е, молекула претерпевает двойной переход, поглощая и испуская фотон. При поглощении фотона энергия молекулы возрастает до уровня Е + hv0 и, если этот уровень энергии не окажется стационарным, молекула возвращается на какой-то другой уровень ЕI с испусканием кванта света. Если ЕI > E, то энергия фотона уменьшается до hv0 -(EI — Е), тогда как внутренняя энергия молекулы увеличивается на(EI - Е). Последний процесс возможен только в случае, когдапереходный энергетический уровень Е не соответствует основному энергетическому состоянию. Рассеянное излучение, возникающее при этом, отличается по частоте от возбуждающего, излучения. При ЕI > Е излучается стоксова, а при ЕI < Е — антистоксова компонента КР. На рис. 3 показана диаграмма энергетических уровней и переходов в молекуле при КР. 

Законы КР следующие: 

спутники сопровождают каждую линию первичного света: 

различие v в частотах возбуждающей первичной линии v0 и линий каждого из спутников vI, vII, vIII… является характеристикой рассеивающего вещества и равно частотам собственных колебаний vi его молекул; 

спутники представляют собой две системы линий, расположенных по обе стороны от возбуждающей линии; 

с повышением температуры интенсивность «фиолетовых» спутников быстро возрастает.




Рис. 3. Диаграмма энергетических уровней и переходов в молекуле при рэлеевском и комбинационном рассеянии слота: — — реальные энергетические уровни; - - - виртуальные энергетические уровни.



Возможны также обероны, равные 2vi, 3vi, и т.д., а также составные колебания. На рис. 4 изображены сдвиги колебательно-вращательных линий КР типичных молекул, содержащихся в атмосфере, по отношению к линии возбуждающего излучения. На рисунке приведены также линии молекул азота, кислорода и водяных паров, присутствующих в атмосфере в больших количествах. Оценку абсолютной концентрации каждой молекулярной компоненты можно получить, сравнивая интенсивность КР «назад» от этой компоненты с интенсивностью сигнала на линии молекул N2, находящихся в том же объеме.




Рис. 4. Частотные сдвиги Q-ветвей колебательно-вращательных спектров КР относительно частоты возбуждающего лазерного излучения для молекул



	Правила отбора переходов КР для двухатомных линейных молекул имеют вид v = 0,  1 и j = 0, ± 2, где v и j – колебательное и вращательное квантовое числа. Переходы с v = 0, j = ± 2 соответствуют вращательному спектру КР, переходы с v =  1 и j = ± 2 - колебательно-вращательному спектру КР, переходы с v = 0, j = 0 – рэлеевскому рассеянию. 




2. Принцип работы лидара и характеристики лидарного метода с использованием спонтанного комбинационного рассеяния



Принцип работы лидаров состоит в следующем: и атмосферу посылается, как правило, дополнительно коллимированный лазерный пучок и ведется наблюдение за светом, рассеянным в обратном направлении. При этом спектральное смещение сигнала СКР обеспечивает избирательность метода и делает, результаты определений независимыми от состояния атмосферы (наличия в ней частиц аэрозоля, флуктуации температуры). В этом заключается решающее достоинство лидара, основанного на явлении СКР (комбинационного лидара).

Типичный прибор состоит из импульсного лазера, способного генерировать мощные моноимпульсы или последовательность импульсов (что важно для осуществления непрерывного слежения за атмосферой и повышения чувствительности метода); телескопа, расширяющего возбуждающий световой пучок, а значит, и уменьшающего его расходимость; телескопа, собирающего рассеянное излучение на входной щели спектрального аппарата или на блоке подобранных узкополосных и отсекающих интерференционных фильтров; системы приема, регистрации и обработки информации. Установка монтируется стационарно в помещении либо в кузове автомашины.

Различают моностатические и бистатические лидарные системы. Моностатические системы основаны преимущественно на использовании рассеяния (лидар на КР, резонансных эффектах, дифференциальном поглощений рассеянного излучения), их лазерный источник и приемный телескоп расположены рядом. Бистатические (разнесенные) системы характеризуются тем, что имеют либо раздольно расположенные лазерный передатчик и приемный телескоп, либо лазер и телескоп, расположенные в одном месте, но разнесенные на некоторое расстояние. Схема бистатического комбинационного лидара показана на рис. 5. Основное уравнение комбинационного лидара для мощности возвращенного сигнала записывается следующим образом:







где Рл — мощность возбуждающего излучения лазера; и — длительность импульса; пк — число рабочих импульсов; k1 — общий коэффициент пропускания оптики; Т0 и Тс коэффициенты потерь излучения при его однократном прохождении через атмосферу в области возбуждающей и смещенной линии соответственно; Апу — коэффициент, суммарно учитывающий параметры приемно-усилительной системы; Афп — эффективная площадь приемника; k2 —коэффициент, учитывающий перекрывание возбуждающего и возвращенного пучков; N (R) — плотность атмосферы; с — сечение рассеяния в обратном направлении; R — расстояние (высота). 

Одним из основных требований к исследованию спектров КР является возможность измерения отношений J / J0 и (J / J0)0. Относительная интенсивность рэлеевского рассеяния составляет 10-3 – 10-4 от интенсивности возбуждающего излучения, в то время как интенсивность спектров КР в 10-3—10-4 раз слабее. Следовательно, по сравнению с ЛДА для излучения спектров КР требуются более интенсивные лазерные источники света преимущественно с длиной волны излучения в видимой и ультрафиолетовой области спектра, так как интенсивность линии КР пропорциональна -4. Для выделения в спектре КР нужных линий используется монохроматор с очень высокой избирательностью, чтобы максимально ослабить сигнал от сравнительно интенсивной линии, обусловленной рэлэевским рассеянием, и паразитного рассеяния внутри прибора. Простой монохроматор ослабляет этот свет до уровня 10-4, а двойной – до уровня 10-10 – 10-12. Возможно также использование интерференционных фильтров с узкой полосой пропускания. 







Рис. 5. Схема (а) и внешний вид (б) типичного лидара: 1 – импульсный рубиновый лазер; 2 – кристалл — удвоитель частоты; 3 – фотодиод для измерения импульса; 4 – полупрозрачное зеркало; 5 – зеркало приемного телескопа; 6 – диафрагма; 7 – осветительная оптика; 8 – двойной монохроматор с ФЭУ, усилительной и регистрирующей системами.



2.1 Преимущества и недостатки схемы лазерных локаторов, основанных на КР



1. В отличие от методов резонансного рассеяния не требуется применения определенной частоты лазерного излучения. Поэтому можно работать на частоте, слабо поглощаемой в атмосферных газах, хотя для повышения чувствительности предпочтительнее работать на более коротких длинах волн. 

2. Обеспечивается исследование газовых компонент атмосферы с высоким разрешением по дальности. Длина волны может перестраиваться для наблюдений изолированных комбинационных спектров отдельных молекулярных соединений. Это обусловлено правилами отбора, которые существенно отличаются от правил отбора для обычных спектров излучения и поглощения. 

3. Схема не ограничена определенными типами молекул. Она может применяться для обнаружения почти всех химических соединений, содержащихся в атмосфере, Для изучения соединений, спектр которых заранее неизвестен, желательно, чтобы детектирование всех частот комбинационного спектра осуществлялось одновременно либо как можно быстрее. 

4. Полностью устраняется неопределенность в данных обратного рассеяния, в случае, когда частота рассеянного сигнала равна частоте излучения лазера. Схема позволяет установить вид рассеяния; принимаемого сигнала (рэлеевское или рассеяние на частицах). В результате обеспечиваются независимые измерения профиля аэрозоля и профилей плотности газовых компонент атмосферы. 

5. Рассеянные сигналы всегда содержат комбинационное эхо от основных атмосферных газов (N2 и О2), поэтому абсолютною молекулярную плотность любого соединения легко получить, сравнивая интенсивности рассеянных сигналов, принятых из одной и той же области атмосферы.

Недостатки схемы

Основным недостатком является невысокая чувствительность при больших дальностях. Это обусловлено тем, что поперечное сечение КР на три порядка меньше рэлеевского. Следовательно, необходимы лазеры с высокой'мощностью излучения в более коротковолновом диапазоне длин воли.

2.2 Измерение концентрации и температуры газов 



С помощью СКР исследовано несколько газов промышленной чистоты. Давление, а следовательно, и плотность (Tconst) изменялись по величине на три порядка. В качестве источника возбуждающего излучения использовался рубиновый лазер типа TRG модели 104А с модулированной добротностью ( = 694,3 нм). Энергия импульса излучения была 1 кДж при длительности около 10 нс (по полуширине), что соответствовало пиковой мощности 100 МВт. Излучение было линейно поляризовано в вертикальной плоскости. В экспериментах использовался спектрограф модели М-401. Регистрация спектров КР на выходе спектрографа осуществлялась с помощью высокочувствительного ФЭУ (модель RCA № 031000) и высокоскоростного осциллографа. Ширина входной щели спектрографа регулировалась в пределах 25 – 100 мкм.

На рис. 6 приведены результаты измерения интенсивностей линии КР в чистых газах. Для выделения комбинационных линий в спектре рассеянного света использовались два узкополосных фильтра. Для СО2, имеющего четыре стоксовы компоненты, спектрограф регистрирует общую интенсивность колебательно-вращательных полос на длинах волн 768,3 и 769,6 нм. Проводились также раздельные измерения интенсивности на полосах 710,2 и 762,3 нм, которая составляла 8,1  10-8 Вт при интенсивности возбуждающего излучения 75 МВт. Измеренная и расчетная интенсивности линий в диапазоне изменения плотности газа на 2,5 порядка хорошо согласуются. Погрешность измерений понижается при более высоких давлениях газа и увеличивается до 15—20 % при низких. Нижний предел измеренного давления для N2 составил 1,3 кПa, что выше, чем для О2 и СО2 (0,4 - 0,53 кПа). Это объясняется тем, что эффективное сечение света для N2 меньше, чем для О2 и СО2. При низком давлении интенсивность рассеянного света находится в пределах шума ФЭУ и не может быть измерена. Графики, приведенные на рис. 6, можно рассматривать как калибровочные и использовать их для определения парциальных концентраций веществ в различных газовых смесях, состав которых заранее известен.

Параметры КР молекул многих веществ либо не известны, либо измерены неточно. Типичным примером является вода, содержание которой в атмосфере и профиль ее распределения являются важнейшими параметрами формирования погодных условий. В связи с важностью константы (Н2О) проведен цикл измерений поперечного сечения колебания молекулы воды в жидкой и газообразной фазах с максимальным учетом возможных погрешностей. В качестве эталонных линий использовались линии КР газообразного азота 2331 см-1 и жидкого бензола 992 см-1, сечения которых определены точно. Спектр КР возбуждался аргоновым лазером (Рп = 1 Вт). В результате многократных записей интегральной интенсивности полосы 3400 см-1 жидкой воды и линии 992 см-1 бензола получено Ж(Н2О) = (9 ± 2)  10-30 см2  ср-1 мол-1. В туманах и спектре КР в области полосы v1 из-за сильной водородной связи наблюдается широкая полоса со сравнительно острым пиком на частоте 3652 см-1. При соответствующей обработке такой полосы можно определить содержание воды в жидкой и парообразной фазах. При измерении сечения КР линии 3052см-1 парообразной воды использовались те же эталонные линии. Поперечное сечение уменьшается почти в шесть раз при переходе из жидкой фазы в газообразную. Аналогичная картина наблюдается и для многих органических веществ, но их поперечное сечение при переходе в пар уменьшается в 2—3 раза.




Рис. 6. Интенсивность стоксовой компоненты КР О2 (1), N2 (2) и СО2 (3), измеренная в воздухе, при комнатной температуре с помощью спектрографа, фильтрами, Р = 0,21; 28 кПа, Р = 13,3 – 106, 4 кПа;



Проведены лабораторные измерения количественных характеристик КР от границы раздела воздух — вода с целью изучения загрязненности воды и выяснения возможностей исследования больших по площади водных акваторий с помощью лидара, устанавливаемого на борту самолета или спутника. КР паров воды зависит от энергии падающего фотона (в качестве эталона использовался N2). 

На рис. 7 приведены поперечные сечения для смеси паров улеводородов, входящих в состав нефти, которые в 115 раз больше поперечного сечения КР для азота.




Рис. 7. Спектр КР смеси паров углеводородов, входящих в состав нефти ( = 532 нм)



На границе раздела спектр КР очень близок к спектру от объема жидкости. Исследовано тепловое «загрязнение» (тепловая страфикация) искусственного образца морской воды. Интенсивность, положение и форма основного максимума в спектре КР в морской воде являются функцией температуры. Этот результат аналогичен измерениям в чистой воде. Наличие ионов растворенного вещества в воде не изменяет температурной зависимости спектра. Спектры рассеяния на границе раздела воздух — вода (чистая) и воздух — нефть на поверхности воды приведены на рис. 8. Проведено дистанционное определение концентрации примесей в воде методом лазерной спектроскопии с калибровкой по КР





Рис. 8. Спектр КР (v0 = 17 500 см-1): 

1 — от границы раздела воздух — нефтяная пленка на поверхности воды; 2 — от границы раздела воздух — чистая вода; возб = 532 нм.



2.3 Применение комбинационных лидаров для исследования атмосферы и ее загрязнений



При исследовании с помощью комбинационного лидара паров воды ( = 347,1 нм) спектральным прибором является двойной монохроматор. найдено распределение паров воды в атмосфере на высоте до 2 км. Тенденция к возбуждению спектров коротковолновым излучением получила дальнейшее развитие. Так, с помощью лидара на второй гармоники излучения рубинового лазера с пространственным разрешением около 100 м измерено распределение водяных паров в атмосфере. 

Использование для возбуждения четвертой гармоники лазера на неодимовом стекле или на кристалле иттрий-алюминиевого гранита ( = 266,0 нм) позволяет применить резонансные методики, так как излучение с такой  не очень сильно поглощается низкими слоями атмосферы и попадает в спектральную область с ничтожно малой светимостью неба. Поэтому становятся доступными круглосуточные наблюдения, что чрезвычайно важно на практике. Создана соответствующая аппаратура, пороговая концентрационная чувствительность которой на высоте 2, 3 км равна 0,005 и 0,05 млн-1 соответственно, что определяется почти резонансными условиями возбуждения спектров. Наибольшего успеха удалось достичь в индикации O2 и SO2. Однако лидар оказался гораздо менее чувствительным по отношению к другим компонентам (таким, как пары воды и углекислота). 

Исследовала проблема качественной и количественной диагностики загрязнений в атмосфере. Ряд экспериментов проведен и условиях, моделирующих реальные, что позволило осуществить практический вариант лидара, предназначенного для индикации продуктов сгорания топлива. Установка была оснащена рубиновым лазером с удвоителем частоты.

В дальнейшем источниками возбуждения служили излучение с азотного лазера и второй гармоники лазера на кристалле Nd3+YAG ( = 532,0 нм). Последняя система положена в основу промышленного образца прибора. Разработанные лидары были использованы для проведения физических исследований атмосферы и, в частности, для измерения концентрации посторонних веществ. Удалось отождествить в дыму и выхлопных газах автомобиля повышенное содержание СО2, и СО (0,11 и 0,43 %), а также SО2, С2Н4, Н2СО, NО, Н2, С3Н4, СН4, паров воды (рис. 9).









Рис. 9. Спектры СКР чистой атмосферы (а), дыма, образующегося при сгорании масла (б), и выхлопных газов автомобиля (в): возб = 337 нм.



Исследована проблема дистанционного определения загрязняющих веществ в атмосфере. Изучено около 200 веществ в жидком и газообразном состояниях с целью получения отправных данных, необходимых для конструирования полевого экземпляра аппаратуры. Объекты исследования выносились на расстояние примерно от 100 м до 1 км. Свет собирался небольшим конденсором. В некоторых случаях вещества распылялись в атмосфере в виде облака. Весь комплекс предварительных исследований положен в основу разработки варианта лидара для проведения дистанционных измерений в дневное время в чистой и загрязненной атмосфере в условиях хорошей видимости и в тумане. Измерялось содержание в атмосфере Н2О, СО2, SO2 и паров углеводородов на высоте до 800 метров (разрешение 10 м), время накопления 50 с. Для первых трех компонент концентрационная чувствительность равна 300 млн-1, а для паров углеводородов — 17 млн-1. Комбинационный лидар по чувствительности превосходит приборы такого назначения более чем на 2 порядка. 

На рис. 10, а показан спектр обратного рассеяния для нефтяных дымов, измеренный с помощью комбинационного лазерного локатора. Нефтяное топливо сжигалось в камере. Дым, проходящий через вытяжную трубу в атмосферу, был настолько разрежен, что едва различался глазом. Интенсивные пики наблюдались на длинах волн, соответствующих молекулам SO2, С2Н2, Н2СО, NО, СО, Н2, СН4, а также молекулам основных компонент атмосферы СО2, О2, N2. Последние три молекулы представляют удобные опорные точки для методов комбинационной лазерной локации. Довольно широкая спектральная полоса с центром на длине волны 38000 нм может быть отнесена к молекуле жидкой воды, что соответствует лабораторным измерениям. На рис.10, б представлен комбинационный спектр выхлопных автомобильных газов. Выхлопные газы отводились через трубу в атмосферу. Кроме полос, соответствующих обычным, в газах присутствуют молекулы С2Н4, NO, CO. Поскольку спектры Н2СО, H2S и СН4 перекрываются, наличие их в газах нельзя считать доказанным. В указанных экспериментах время интегрирования составляет 5 с. Время наблюдений, необходимое для того, чтобы выполнить полное сканирование в интервале длины волны 500 нм, равно 40 мин. Для измерений центрального пика комбинационной полосы любой молекулы достаточно 10 с.


 

Рис. 10. Экспериментально найденный спектр КР нефтяного дыма (а) и выхлопных газов автомобиля (б)





2