Решение лидарного уравнения для контроля углеводородов в атмосфере

Физика атмосферы

УДК 504.064.3+621.373.826

Э.К. Аблязов, В.Г. Шеманин

РЕШЕНИЕ ЛИДАРНОГО УРАВНЕНИЯ ДЛЯ КОНТРОЛЯ УГЛЕВОДОРОДОВ В АТМОСФЕРЕ

Лидарная система обладает высокой селективностью для дистанционного измерения концентрации загрязняющих веществ в атмосфере и большой скоростью получения результатов измерений. Именно это позволяет разрабатывать на основе лидаров системы контроля аварийных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу над промышленными предприятиями [1-3].

Для практического осуществления такой лидарной системы необходимо решение проблемы отсутствия ее обобщенного физического описания в условиях реального натурного эксперимента. Для каждого газообразного загрязняющего вещества и в каждой экспериментальной ситуации необходим детальный анализ всех параметров лидарной системы для построения ее модели.

В настоящей работе предпринята попытка исследования проблемы физики лидарных измерений концентрации молекул ароматических углеводородов в газовом потоке. В качестве объектов исследования выбраны молекулы бензола и толуола, отличающиеся высокой степенью экологической опасности и имеющие очень низкие значения предельно допустимой концентрации (ПДК): бензол — 0,1 и толуол — 0,6 мг/м3 [4].

Целью работы является оценка потенциальных возможностей лидарной системы, предназначенной для контроля концентрации этих молекул в атмосфере над предприятием. Согласно [3,5—7], в такой системе могут быть реализованы несколько лидарных методов — рассеяние Ми, комбинационное рассеяние света, дифференциальное рассеяние и поглощение, флуоресценция, а выбор метода определяется типом загрязняющих веществ и особенностями наблюдаемого промышленного

района. По оценке потенциальных возможностей лидаров, которые предназначены для мониторинга атмосферы, загрязненной молекулами водорода и фторводорода [8,9], для оперативного зондирования заданной области пространства и измерения распределения в ней концентраций молекул ароматических углеводородов особенно перспективным представляется применение лидара комбинационного рассеяния света (КРС).

КРС молекулами загрязняющих веществ имеет следующие преимущества для использования в такой системе:

молекулы каждого газа имеют свои собственные полосы КРС;

интенсивность полосы КРС прямо пропорциональна концентрации рассеивающих молекул и не зависит от присутствия молекул других газов, поэтому можно проводить прямые измерения концентрации молекул загрязняющих веществ относительно концентрации молекул азота без дополнительной калибровки;

узкая спектральная ширина и смещение сигнала КРС в направлении назад позволяет выделить его на фоне солнечной засветки и упруго рассеянного в атмосфере лазерного излучения за счет спектральной селекции сигнала;

для одновременного получения спектров КРС молекулами различных газообразных загрязняющих веществ, находящихся в зондируемой области, можно обойтись одним лазером и одной длиной волны зондирования.

Экспериментальный лидар

Принцип лидарного зондирования методом КРС заключается в регистрации излучения, комбинационно рассеянного молекулами ароматических углеводородов в направлении назад с частотным сдвигом, характерным именно для

этих молекул и определяемым их колебательными полосами [3]. Оптическая схема такого динара представлена на рис. 1. Оптический модуль системы состоит из лазера /ÖHaYAG: Nd3+, фотодиода 9 для контроля энергии лазерного импульса и синхронизации работы всего устройства (сигнал Uq), приемного телескопа типа Ньютона со сферическим зеркалом / диаметром 0,4 м и фотоприемного устройства, включающего линзовый объектив 4, интерференционный светофильтр 3 с максимумом пропускания на длине волны КРС (полуширина полосы 5 нм) и ФЭУ-79 2, амплитуда сигнала U{ с которого пропорциональна мощности КРС молекулами ароматических углеводородов.

Импульс лазера на YAG: Nd3+, имеющего рабочие длины волн на второй, третьей и четвертой гармониках (532, 355 и 266 нм), направляется в исследуемую область пространства над промышленной зоной. Часть лазерного излучения используется для создания опорного сигнала: его подача задает начало отсчета времени, а его амплитуда — энергию лазерного импульса. Рас-

сеянное назад излучение КРС молекулами собирается телескопом типа Ньютона на фотокатод ФЭУ-79. Импульс напряжения с фотоумножителя подается на вход специальной микропроцессорной измерительной системы, которая обрабатывает полученные сигналы.

Численное решение лидарного уравнения

Для решения поставленной задачи необходим выбор оптимальной длины волны лазерного излучения для получения на фотоприемнике такого лидара максимальной мощности КРС молекулами выбранных ароматических углеводородов (бензол, толуол) в условиях дневного зондирования.

Мощность Р(X,R) регистрируемого сигнала КРС, приходящего с расстояния R, в общем случае связана с измеряемой энергией Е(^R) на длине волны X, принимаемой фотоприемником за время измерения %L , следующей зависимостью:

P

В нашей экспериментальной ситуации мощность регистрируемого излучения КРС молеку-

Рис. 1. Оптическая схема лидара комбинационного рассеяния света:

/— сферическое зеркало, 2 — ФЭУ, 3— интерференционный фильтр, 4— линзовый объектив, 5— блок призм, б — стеклянная пластина, 7— мишень, 8— нейтральный светофильтр, 9— фотодиод, 10— лазер

4

Физика атмосферы.

лами углеводородов можно описать лидарным уравнением для КРС [8]:

Р(КЛ) =

= PLK,AM0T

—\NJR\ (2) dX) а

где — мощность лазерного излучения, Х1 — его длина волны; А'/— постоянная лидара [9];

AR

ст,

— шаг по расстоянию; с — скорость

чения колебательного КРС исследуемыми молекулами в направлении назад были рассчитаны, как и в [8], по экспериментальным значениям сечений для длины волны излучения азотного лазера Х0 = 337,1 нм и выбранных полос КРС исследуемыми молекулами из [3]. Пропускание атмосферы на разных длинах волн было рассчитано в следующем виде [3]:

света; xL — время одного измерения (его минимальное значение определяется длительностью импульса лазерного излучения); А0 — площадь приемного телескопа; Т( y L,R), Т( y ,R) — пропускание атмосферы соответственно на длинах волн лазерного излучения и сигнала КРС; (с/а/dX) — дифференциальное сечение КРС исследуемой молекулой на длине волны лазерного излучения; Na — концентрация молекул.

Для оценки потенциальных возможностей такого лидара было выполнено численное решение лидарного уравнения для колебательного КРС молекулами бензола QH,, и толуола С7Н8 для значения концентрации 101 см-"' в направлении назад в диапазоне расстояний зондирования от 0,1 до 5 км. Для зондирования, как и ранее в [9], были выбраны длины волн излучения лазера 532, 355 и 266 нм, и для них были рассчитаны значения длин волн полос КРС для валентных С—С колебаний бензола 992 см-1, толуола 1031 см-1, валентных С—Н колебаний бензола 3062 см-1 и толуола 3067 см-1. Значения этих волновых чисел взяты из [3, 11], а длины волн представлены в таблице. Дифференциальные се-

и

T{XL,R ) = ехр

Т(Х ,Ä) = exp

-jk(XL,R)dR

-¡k(X,R)dR

с коэффициентами ослабления в атмосфере к(к1,К) и к(Х на лазерных и детектируемых длинах волн, взятых из [12]. Значения Х^, Л) для лазерных длин волн 532,355 и 266 нм составляют соответственно 0,16, 0,78 и 0,34 км-1; значения Х,) приведены в таблице. С использованием этих данных были выполнены численные расчеты мощности КРС для значений концентрации 1019 см--' в выбранном диапазоне расстояний зондирования для всех значений длин волн излучения лазеров с пиковыми мощностями до 1 МВт. Значения остальных параметров в лидар-ном уравнении (2), как и в [8, 9], были следующими: шаг по расстоянию АЛ = 7,5 м для времени измерения 50 не, постоянная лидара К1 = = 0,495 на длине волны 532 нм, площадь приемного телескопа А{) =0,125 м2.

По значениям спектральной яркости ^¿(Х) солнечного излучения [8,9] для длин волн полос КРС исследуемыми молекулами (см. таблицу),

Значения коэффициента ослабления, относительных величин спектральной чувствительности фотокатодов ФЭУ и спектральной яркости солнечного излучения для исследуемых молекул бензола и толуола

Валентное колебание Набор длин волн X, нм fc

562 0,18 0,57 1600

С-С 368 0,28 0,69 10,1

273 0,65 0,12 0,033

635,5 0,15 0,48 1320

с-н 398 0,24 0,88 10,6

289,5 0,60 0,29 0,04

были рассчитаны значения фоновой мощности Рь(к,Я) для нашего случая по уравнению [8]:

где — телесный угол поля зрения приемного телескопа, причем Х(Я) =А(/Я2; А0 — площадь приемного телескопа; 9У — спектральная ширина приемного тракта.

Обсуждение результатов

Результаты расчетов по лидарному уравнению (2) для расстояния 1 км представлены для трех выбранных длин волн лазерного излучения на рис. 2. Для полос колебаний С—С и С—Н исследуемых молекул оптимальным по критерию

/

" " - —» ч _ _ -"-с .!

200 300 400 500 Х^нм

Рис. 2. Зависимости логарифма мощности КРС молекулами бензола (1,2) и толуола (3, 4) от длины волны зондирующего лазерного излучения. Расчет выполнен для валентных колебаний СС (1, 4) и СН (2, 3) бензола и толуола с концентрацией в атмосфере Ntl = 1019 см 3 для расстояния зондирования 1 км

\\ 5-8

V

1,2 !

4

О 1 2 3 4 5 е Л, КМ

Рис. 4. Те же зависимости (см. рис. 3), но длина волны зондирующего излучения 355 нм

максимального значения мощности комбинационного рассеяния света является использование в такой системе лазерного излучения с длиной волны 355 нм (см. рис. 2). Далее результаты расчетов по лидарному уравнению (2) для полос колебаний С—С и С—Н исследуемых молекул (рис. 3—5) показывают, что оптимальным по критерию превышения над фоном является использование в такой лидарной системе излучения лазера с длиной волны 266 нм; данная система позволяет получить максимальное значение мощности комбинационного рассеяния света и превышение полезного сигнала над фоном для бензола и толуола на расстояниях до 1,7 км. Использование излучения с длиной

- — -. - -. — - -. - ------ - -. — ------ 5-8

\

V V \-„

1 2

4 Л

О 1 2 3 4 5 6 Д, км

Рис. 3. Зависимости логарифма мощности КРС молекулами бензола

и СН (2, 3) бензола и толуола с концентрацией в атмосфере Ntl = 1019 см Для сравнения приведен уровень фоновой мощности (5—8) для кривых 1—4

5,6

--- 7,8

1

2 Л

О 1 2 3 4 5 6 Я км

Рис. 5. Те же зависимости (см. рис. 3, 4), но длина волны зондирующего излучения 266 нм

î

волны 355 нм эффективно только на близких расстояниях — примерно до 0,5 км, так как сигнал КРС уменьшается с расстоянием довольно резко; например, для длины волны 266 нм — с каждым километром более чем на порядок. Более плавное снижение сигнала комбинационного рассеяния с расстоянием наблюдается для длины волны 532 нм, но зондирование на этой длине волны возможно лишь в ночное время, так какднем мощность фонового излучения на 4—5 порядков превышает мощность КРС.

Далее на длине волны лазерного излучения 266 нм были рассчитаны значения мощности КРС для значений концентраций исследуемых молекул, равных их ПД К, и определены расстоя-

СПИСОК J

1. Воронина Э.И., Привалов В.Е., Шеманин В.Г.

Лидарная система управления качеством воздуха над промышленным районом // Экологические системы и приборы. 2002. N° 4. С. 13—15.

2. Воронина Э.И., Привалов В.Е., Шеманин В.Г. Лидарная система определения аварийных выбросов углеводородов в атмосферу // Безопасность жизнедеятельности. 2003. N° 9, С. 30—33.

3. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. М.: Мир, 1987. 550 с.

4. Перечень и коды веществ, загрязняющих атмосферный воздух. СПб.: НИИ Охраны атмосферного воздуха, 1998. 161 с.

5. Privalov V.E., Shemanin V.G., Voronina ЕЛ. Low concentration iodine molecules lidar sensing // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). 2008. Vol. 17. P. 138-146.

6. Привалов В.E., Шеманин В.Г. Оптимизация лидара дифференциального поглощения и рассеяния для зондирования молекулярного водорода в атмосфере // Журнал технической физики. 1999. Т. 69. С. 65-68.

Физика атмосферы

ния, на которых можно зарегистрировать концентрацию этих молекул на уровне предельно допустимой. Получены следующие результаты: для бензола (ПДК=7,7-10И см"3) - 70 м и для толуола (ПДК=3,9-1012 см"3) - 154 м.

Таким образом, полученные результаты показывают возможность оптимального выбора длины волны лазерного излучения для лидара КРС исследуемыми молекулами бензола и толуола в атмосфере в различных экспериментальных условиях. На длине волны лазерного излучения 266 нм можно зарегистрировать концентрацию этих молекул на уровне предельно допустимой на рассто-янияхдо 70 м для бензола и до 154 м — для толуола.

7. Привалов В.Е., Шеманин В.Г. Параметры флуоресцентного лидара для зондирования молекулярного йода в атмосфере // Оптика атмосферы и океана. 1998. Т. 11. С. 237-239.

8. Privalov V.E., Shemanin V.G. Hydrogen and iodine molecules lidar monitoring in atmosphere // Proc. of SP1E. 2000. Vol. 4064. P. 2-11.

9. Лактюшкин Г.В., Привалов B.E., Шеманин В.Г. Расчет оптимальных параметров лидара с лазером на парах меди при дистанционном зондировании Н2 // Письма в Журн. техн. физики. 1998. Т. 24. С. 32-35.

10. Privalov V.E., Voronina E.I., Shemanin V.G.

HF molecules laser sensing in gaseous flows // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). 2008. Vol. 17. P. 43-51.

11. Свердлов Л.M., Ковнер M.A., Крайнов Е.П. Колебательные спектры многоатомных молекул. М.: Наука. 1970. 560 с.

12. Справочник по лазерам / Под ред. А.М. Прохорова. Т. 11. М.: Советское радио. 1978. 512 с.

УДК 539.1 72.8/539.163

Д.А. Тихомиров

ОБРАЗОВАНИЕ ХЛОРА-36 В АТМОСФЕРЕ И ЛИТОСФЕРЕ ЗЕМЛИ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ДАТИРОВАНИЯ ВЕЧНОЙ МЕРЗЛОТЫ

Долгоживущие космогенные радионуклиды, присутствующие в окружающей среде, широко используются для датирования в геологии и археологии. Образуясь в ядерных реакциях под

действием космических лучей преимущественно в атмосфере, такие радионуклиды как |4С, |0Ве и др. включаются в геохимические процессы и распределяются в различных системах литосфе-