СПОСОБ ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ГАЗОВ В АТМОСФЕРНОМ ВОЗДУХЕ
METHOD OF REMOTE MEASUREMENT OF ATMOSPHERIC AIR GAS CONCENTRATION

Изобретение относится к дистанционным оптическим способам контроля газового состава атмосферного воздуха.
Существуют пассивные и активные оптические способы дистанционного контроля газового состава атмосферы, первые используют прямое или рассеянное солнечное излучение, вторые - автономные источники излучения. Преимуществами пассивных способов контроля является высокая чувствительность измерений и отсутствие необходимости использовать автономный источник излучения (1).
К недостаткам пассивных способов относятся трудности в определении концентрации искомых газов на ограниченных участках атмосферы, так как эти измерения требуют измерения спектра солнечного излучения до и после прохождения исследуемого участка атмосферы и определения длины этого участка.
Известен способ, при котором солнечное излучение направляется удаленным зеркальным отражателем на объектив спектрометра и сравниваются спектры поглощения искомого газа в солнечном излучении, падающем на зеркальный отражатель, и в солнечном излучении, приходящем на спектрометр от удаленного на известное расстояние зеркального отражателя (2). Вместо зеркального отражателя могут использоваться топографические объекты, обладающие высокими отражающими свойствами. Однако эти способы не обладают оперативностью и чувствительностью из-за необходимости установки отражателя или ограничений, обусловленных характеристиками отражения топографических объектов, и поэтому имеют ограниченные возможности применения.
Наиболее близким является способ дистанционного измерения газового состава атмосферного воздуха, предложенный в работе (3), в котором измерения производятся путем сравнения спектров рассеянного солнечного излучения, приходящего с горизонтального участка атмосферы, и солнечного излучения, освещающего этот участок атмосферы сверху.
В этом способе длина горизонтальной трассы определяется как величина, обратная коэффициенту ослабления солнечного излучения, прошедшего этот участок атмосферы. Поэтому применение этого способа осложняется необходимостью определения коэффициента ослабления солнечного излучения на соответствующем горизонтальном участке атмосферы, то есть необходимостью использования дополнительной измерительной аппаратуры, а сам метод ограничен возможностью применения для измерений только в горизонтальном направлении.
Спектр солнечного излучения, достигающего атмосферы земли, содержит так называемые Фраунгоферовы линии, которые обусловлены поглощением излучения в верхних слоях Солнца атомами металлов следующих элементов Na, Mg, Si, K, Ca и Fe (4).
В атмосфере Земли из-за рассеяния и перераспределения части солнечного излучения по спектру Фраунгоферовы линии уменьшают свою глубину (Ринг эффект).
Ринг эффект, в применении к дистанционному зондированию атмосферных газов, до сих пор учитывался как фактор, мешающий проведению таких измерений из-за его влияния на изменения спектра рассеянного солнечного излучения (5). Наибольший вклад в Рамановское рассеяние солнечного излучения вносится молекулами азота и кислорода, которые распределены, пропорциональны плотности атмосферного воздуха. Величина Ринг эффекта обусловлена, главным образом, неупругим Рамановским рассеянием света и, по результатам работы (6), пропорциональна толще атмосферы.
0
0
R
0
0
R
а
г
В настоящем способе измерения предлагается использовать Ринг эффект для дистанционного определения концентрации газов в атмосфере. Обозначим интенсивность спектра солнечного излучения на дне Фраунгоферовой линии как P', а среднюю интенсивность излучения по краям линии как P'', тогда ее спектральную глубину можно выразить как D=(Р''-P')/Р''. При прохождении атмосферы происходит изменение глубины Фраунгоферовой линии ΔD. Определение изменения глубины Фраунгоферовой линии на участке атмосферы с единичной толщей воздуха σR можно получить, измерив Ринг эффект ΔD в прямом солнечном излучении, прошедшем всю толщу атмосферы ΔТ, получим: σ=ΔD/ΔT /1/. Зная величину Ринг эффекта на участке атмосферы с единичной толщей σ и измерив его величину ΔD в принимаемом рассеянном солнечном излучении, можно определить толщу атмосферы, пройденную излучением на пути L:  здесь ρ - плотность атмосферы, a dL - приращение пути. Обозначим ρ и  концентрацию и толщу искомого газа на этом пути. Так как интенсивность Рамановского рассеяния света прямо пропорциональна плотности газа, а Рамановское рассеяние является определяющим фактором, вызывающим Ринг эффект (6), толща
R
определяется по изменению глубины присутствующей в солнечном излучении Фраунгоферовой линии ΔD и σ. Относительная концентрация искомого газа ρ' на участке атмосферы L равна:
01
1
1
02
2
2
Обозначим интенсивности спектра солнечного излучения P и P на длине волны поглощения газа λ до и после прохождения зондируемого участка атмосферы соответственно, а P и P - интенсивности спектра солнечного излучения вне линии поглощения искомого газа на длине волны λ соответственно до и после прохождения зондируемого участка атмосферы, тогда по закону Бугера, при слабом поглощении,
и следует:
1г
2г
1
2
г
1г
2г
σ и σ - сечения поглощения искомого газа на λ и λ, а Δσ=σ-σ.  тогда из /4/, /5/ и/8/
R
0
0
Таким образом, в предлагаемом способе, вместо определения длины пути солнечного излучения в атмосфере, который для рассеянного излучения точно не определяется, предлагается измерять величину Ринг эффекта. Для осуществления этого способа необходимо измерить величину  изменения спектра поглощения искомого газа в принимаемом солнечном излучении и в излучении, освещающем зондируемый участок атмосферы, и разделить ее на величину изменения на нем спектра Фраунгоферовой линии ΔD, обусловленного Ринг эффектом, а полученный результат умножить на известную величину, изменения спектра этих Фраунгоферовых линий Δσ=ΔD/ΔТ, обусловленного Ринг эффектом на участке атмосферы с единичной оптической толщей воздуха.
а
В частности для горизонтального участка атмосферы, ρ=const, следует  тогда
г
-
и получается средняя концентрация ρ  искомого газа в воздухе:
Повышение точности предлагаемого способа измерений обусловлено тем, что не требуется определения пути рассеянного излучения, а используемый Ринг эффект присутствует в видимой и ближней ультрафиолетовой области солнечного спектра, в непосредственной близости от линий поглощения газов, измерение содержания которых оптическими спектральными способами используется при исследовании атмосферы.
Литература
1. Назаров И.М., Николаев А.Н., Фридман Ш.Д. «Основы дистанционных методов мониторинга загрязнения природной среды». Ленинград. Гидрометеоиздат. 1983, с.142-170.
2. Габриэлян А.Г., Дианов-Клоков В.И. «Спектроскопические измерения распределения антропогенной окиси углерода над г.Ереваном». ФАО АН СССР, 1982, т.18, №12, с.1312-1317.
3. Шайков М.К. «Способ определения газового состава атмосферного воздуха». А.С. №1764014 A1, G01W 1/00 от 27.10.89, Бюл. №35 от 23.09.92.
4. К.Я.Кондратьев, П.П.Федченко «Влияние спектра солнечной радиации на эволюцию биосферы». ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2005, том 75, №6, с.522-532.
5. Poultney, Sherman К. US Patent 4433245 - «Fraunhofer line discriminator».
6. A.O.Langford, R.Schofield, J.S.Daniel, R.W.Portmann, М.L.Melamed, H.L.Miller, E.G.Dutton, and S.Solomon, 2007 «On the variability of the Ring effect in the near ultraviolet: understanding the role of aerosols and multiple scattering», Atmos. Chem. Phys., 7, 575-586.