Способ измерения концентрации аэрозольных частиц в атмосфере
METHOD OF MEASURING CONCENTRATION OF AEROSOL PARTICLES IN THE ATMOSPHERE

Изобретение относится к области метеорологии, а более конкретно, к способам определения характеристик загрязнения атмосферы, и может использоваться, например, для измерения прозрачности атмосферы при определении аэрозольного загрязнения воздуха.
Известен способ дистанционного оптического зондирования неоднородной атмосферы, при котором осуществляют посылку в атмосферу светового импульса и регистрацию рассеянного в обратном направлении света, преобразованного в электрические сигналы (см.SU №1597815, G01W 1/00,1990). В этом способе осуществляют посылку в атмосферу световых импульсов из точек, разнесенных в пространстве, по трассам, пересекающимся в заданной точке, и по дополнительным трассам, пересекающим эти трассы с образованием областей зондирования, ограниченных отрезками между точками их пересечения, приема сигналов, рассеянных в обратном направлении, определения характеристик неоднородной атмосферы по мощностям сигналов, принятых и накопленных, с использованием расчетных формул, уменьшения областей зондирования и повторения процедуры измерений до задаваемого уровня совпадения двух последовательно полученных результатов определения характеристик атмосферы.
Этот способ обладает недостаточной точностью, поскольку он основан на предположении о существовании связи коэффициента обратного рассеяния и коэффициента ослабления на исследуемой трассе зондирования. Это предположение не выполняется в условиях реальной неоднородной атмосферы.
Известен способ определения прозрачности атмосферы включающий измерения на различных высотах через атмосферу по горизонтальной трассе, яркости объекта наблюдения при изменении расстояния между ним и точкой наблюдения при одном угле визирования на объект, и по отношению полученных значений судят об искомой прозрачности атмосферы (см.SU № 1 314 806, G01N 21/47, 1994). Способ обеспечивает возможность определения характеристик прозрачности атмосферы на различных высотах.
Недостаток этого решения – трудоемкость и неоперативность его реализации.
Известен способ измерения концентрации аэрозольных частиц в атмосфере, включающий регистрацию светового потока, рассеиваемого на этих частицах (см.SU № 486251, G01N 15/00, 1975, и SU №739375, G01N 15/00, 1980).
К недостаткам данного способа следует отнести недостаточную достоверность результатов измерений из-за сильной зависимости процессов рассеяния и поглощения света от размера и оптических характеристик пылинок, сказывающуюся на точности и воспроизводимости измерений. Кроме того способ не обеспечивает возможность оперативного определения оптических характеристик атмосферы на различных высотах без использования сложных технических средств – носителей измерительного оборудования.
Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение – повышение достоверности результатов измерений аэрозольного загрязнения воздуха и обеспечение возможности оперативного его определения на различных высотах без использования дополнительных сложных технических средств.
Технический результат - высокая достоверность результатов измерений концентрации аэрозольных частиц в атмосфере и обеспечение возможности оперативного ее определения на различных высотах без использования сложных технических средств.
Для решения поставленной задачи способ измерения концентрации аэрозольных частиц в атмосфере, включающий регистрацию светового потока, рассеиваемого на этих частицах, отличается тем, что предварительно, на базе эффекта Умова, формируют калибровочную зависимость между максимальным значением степени линейной поляризации солнечного излучения рассеянного на частицах аэрозоля и их отражательной способностью, в виде
max
log(P) ∝ log(A),
max
где P - максимальное значение степени линейной поляризации солнечного излучения рассеянного на частицах аэрозоля,
–n
A - отражательная способность частиц аэрозоля, при этом, измерения проводят в вечерних или утренних сумерках, непрерывно, когда солнца не видно из-за горизонта и земля отбрасывает тень на атмосферу над точкой размещения измерительного прибора, в качестве которого используют поляриметр, который в процессе измерений ориентируют в зенит, причем, синхронно с измерениями степени линейной поляризации солнечного излучения фиксируют углы между горизонтом и направлением на верхний край солнца, по которым вычисляют высоту тени, соответствующую конкретному измерению и выявляют зависимость степени линейной поляризации рассеянного солнечного излучения от высоты, которую с использованием калибровочной зависимости интерпретируют как зависимость отражательной способности частиц аэрозоля от высоты, с помощью которой проводят оценку объемной концентрации частиц пыли в атмосфере, для чего, после измерений степени линейной поляризации рассеянного солнечного излучения проводят высокоточные лидарные измерения потока отраженного лазерного излучения от атмосферных аэрозолей на тех же высотах, где были выполнены измерения с помощью поляриметра, после чего, оценку объемной концентрации частиц пыли в слоях атмосферы получают как отношение измеренного потока отраженного лидарного излучения к геометрическому альбедо, выведенному из поляриметрических измерений. Кроме того, калибровочную зависимость формируют методом численного моделирования, для частиц неправильной формы, морфологически сходных с атмосферными аэрозолями и усредненных по размеру со степенным законом r, при значениях показателя степени, как минимум, n = 2.5 и 3. Кроме того, измерения проводят на закате до достижения тенью высоты 10-15 км над точкой измерений или на восходе начиная с высоты тени 10-15 км над точкой измерений. Кроме того, в пределах одного слоя атмосферы, последовательно с измерениями степени линейной поляризации рассеянного солнечного излучения и соответствующих им углов между горизонтом и направлением на верхний край солнца проводят высокоточные лидарные измерения потока отраженного лазерного излучения от атмосферных аэрозолей на тех же высотах, где были выполнены измерения с помощью поляриметра. Кроме того, поляриметрические измерения выполняют при отключенном лидаре.
Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».
Совокупность признаков формулы изобретения обеспечивает повышение достоверности результатов измерений концентрации аэрозольных частиц в атмосфере и возможность оперативного их определения на различных высотах без использования сложных технических средств – носителей измерительного оборудования, при этом признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.
max
Признаки «…предварительно, на базе эффекта Умова, формируют калибровочную зависимость между максимальным значением степени линейной поляризации солнечного излучения рассеянного на частицах аэрозоля и их отражательной способностью, в виде log(P) ∝ log(A),
max
где P - максимальное значение степени линейной поляризации солнечного излучения, рассеяного на частицах аэрозоля;
А - отражательная способность частиц аэрозоля», обеспечивают возможность определения отражательной способности частиц аэрозоля.
Признаки «…измерения проводят в вечерних или утренних сумерках, непрерывно, когда солнца не видно из-за горизонта и земля отбрасывает тень на атмосферу над точкой размещения измерительного прибора…» обеспечивают возможность оперативного определения отражательной способности частиц аэрозоля на различных высотах измерениями непосредственно с земли, за счет естественного перемещения солнца относительно земли и, соответствующего перемещения тени, отбрасываемой землей по высоте над точкой установки измерительного прибора (что исключает необходимость использования сложных технических средств – носителей измерительного оборудования).
Признак указывающий, что в качестве измерительного прибора «используют поляриметр» позволяет проводить работу в пассивном режиме, с использованием солнечного света последовательно освещающего разные слои атмосферы и поляризующегося на частицах аэрозоля, находящегося в атмосфере.
max
Признак указывающий, что поляриметр «в процессе измерений ориентируют в зенит» обеспечивает возможность фиксации максимального значения степени линейной поляризации P, наблюдаемого в диапазоне углов рассеяния θ = 70 – 110°, которому соответствуют значения углов между горизонтом и направлением на верхний край солнца, используемых при измерениях.
Признаки указывающие, что «синхронно с измерениями степени линейной поляризации солнечного излучения фиксируют углы между горизонтом и направлением на верхний край солнца, по которым вычисляют высоту тени, соответствующую конкретному измерению» позволяют «привязать» измеренные значения степени линейной поляризации солнечного излучения к высоте слоя атмосферы над точкой наблюдения.
Признаки указывающие, что «выявляют зависимость степени линейной поляризации рассеянного солнечного излучения от высоты, которую с использованием калибровочной зависимости интерпретируют как зависимость отражательной способности частиц аэрозоля от высоты» обеспечивают получение зависимости отражательной способности частиц аэрозоля от высоты положения соответствующего слоя атмосферы.
Признаки указывающие, что зависимость отражательной способности частиц аэрозоля от высоты используют для «оценки объемной концентрации частиц пыли в атмосфере» обеспечивают оценку объемной концентрации частиц пыли в атмосфере по высоте.
Признаки указывающие, что «после измерений степени линейной поляризации рассеянного солнечного излучения проводят высокоточные лидарные измерения потока отраженного лазерного излучения от атмосферных аэрозолей на тех же высотах, где были выполнены измерения с помощью поляриметра» обеспечивают оценку объемной концентрации частиц пыли в атмосфере по высоте на основе лидарных измерений, поскольку позволяют учесть значения отражательной способности частиц аэрозоля в соответствующем слое атмосферы и исключить влияние лидарного излучения на измерения степени линейной поляризации рассеянного солнечного излучения.
Признаки указывающие, что «оценку объемной концентрации частиц пыли в слоях атмосферы получают как отношение измеренного потока отраженного лидарного излучения к геометрическому альбедо, выведенному из поляриметрических измерений» позволяют получить значения объемной концентрации частиц пыли в слоях атмосферы.
Признаки второго пункта формулы изобретения раскрывают процедуру получения калибровочной зависимости для наиболее распространенной размерности частиц аэрозоля.
Признаки третьего пункта формулы изобретения раскрывают высотные параметры проведения измерений на закате и на восходе солнца.
Признаки четвертого пункта формулы изобретения обеспечивают оценку объемной концентрации частиц пыли в атмосфере по высоте на основе лидарных измерений, поскольку позволяют учесть значения отражательной способности частиц аэрозоля в соответствующем слое атмосферы.
Признаки пятого пункта формулы изобретения позволяют исключить влияние лидарного излучения на измерения степени линейной поляризации рассеянного солнечного излучения.
max
max
–n
–n
Сущность изобретения пояснена на чертежах, при этом, на фиг. 1 показаны примеры частиц неправильной формы, представляющих из себя агломераты обломков; на фиг. 2 показаны примеры частиц неправильной формы, представляющих из себя слабо-связанные кластеры обломков; на фиг. 3 показаны диаграммы log(P) – log(A) у данных частиц, усредненных по размеру со степенным законом r при значении показателя степени n = 2.5; на фиг. 4 показаны диаграммы log(P) – log(A) у данных частиц, усредненных по размеру со степенным законом r при значении показателя степени n = 3; на фиг.5 - схема измерения объемной концентрации частиц пыли в слоях атмосферы, включающая измерения максимума линейной поляризации частиц аэрозоля атмосферной пыли в сумерках и синхронные с ними лидарные измерения потока отраженного лазерного излучения от атмосферных аэрозолей на тех же высотах.
На фиг.5 показаны солнечный свет 1, граница 2 тени, поверхность земли 3, горизонт 4, направление ориентирования 5 (луч зрения) поляриметра 6, направление на верхний край Солнечного диска 7, высота 8 (h) границы тени 2 земли 3, лидар 9, его излучение 10 и отраженное лазерное излучение 11.
Отражательная способность – одна из важнейших характеристик пылевых частиц. Отражательная способность непосредственно влияет на точность оценок объемной концентрации пыли. Основным параметром, измеряемым в пассивном и активном методах дистанционного зондирования, является поток электромагнитного излучения (света), рассеянного частицами пыли в направлении детектора. Данная характеристика допускает двоякую интерпретацию – измеренный поток в равной степени может быть обусловлен рассеиванием света от большого числа слабо-отражающих частиц, так и от малого числа сильно-отражающих частиц. При этом, разница в отражательной способности пылевых частиц, взвешенных в атмосфере, может превышать порядок величины. Такая неопределенность обуславливает соответствующие ошибки измерений объемной концентрации пылевых частиц.
Пассивные методы дистанционного зондирования основаны на изучении характеристик солнечного света, рассеянного частицами пыли. Отличительной особенностью исходного солнечного излучения является отсутствие у него какой бы то ни было поляризации. Однако после взаимодействия с частицами пыли, свет приобретает частичную линейную поляризацию. Состояние поляризации принято описывать с помощью параметра степень линейной поляризации P, при этом, поляризация зависит лишь от рассеивающих свойств частиц, но не от их количества.
max
max
max
Другой важной особенностью степени линейной поляризации является ее зависимость от геометрии наблюдения/облучения, которую можно описать с помощью угла рассеяния θ: дополнительный угол к углу «источник света – частица – детектор». Заметим также, что угол θ лежит в плоскости рассеяния. Объекты различной природы показывают качественно сходные зависимости P от θ. Например, в диапазоне углов θ = 70 – 110°, степень линейной поляризации у многих объектов достигает максимального значения P, хотя амплитуда поляризации и угол рассеяния на котором достигается максимальное значение зависят от природы объекта и его физических и химических свойств. В 1905 г. Николай Умов обнаружил экспериментальным путем обратную корреляцию между максимумом поляризации у объекта (P) и его отражательной способностью A. В литературе этот феномен известен как эффект или закон Умова, согласно которому log(P) линейно изменяется с log(A). Нами обобщен закон Умова на случай малых, субмикронных и микронных частиц (см. цикл работ: (1) Zubko et al., 2017: Reflectance of micron-sized dust particles retrieved with the Umov law. J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer, 190, 1–6. (2) Zubko et al., 2017: Umov effect in single-scattering dust particles: Effect of irregular shape. Opt. Lett., 42, 1962–1965).
Сразу после заката (незадолго до рассвета), Солнце продолжает освещать воздушное пространство над местом измерений, а следовательно, и аэрозоли его заполняющие. По мере того, как Солнце опускается под горизонт, граница тени смещается выше. Таким образом, измерения в сумерках позволяют стратифицировать поляризацию пылевых частиц по их высоте. Отметим, что при измерениях в дневное время подобная стратификация невозможна, поскольку происходит интеграция сигнала по всему лучу зрения.
Высота 8 верхней границы тени определяется из выражения
h=R(1–cosγ)/cosγ,
где h - высота верхней границы тени;
R ≈ 6371 км - радиус Земли;
γ - угол между горизонтом и направлением на верхний край Солнечного диска.
max
Важно подчеркнуть, что высота тени h = 10 км соответствует относительно небольшому погружению Солнца под горизонт, γ ≈ 3.2°. Однако, почти весь аэрозоль сосредоточен в этом атмосферном слое. Одновременно, угол рассеяния увеличивается всего лишь до θ ≈ 93.2°, т.е., остается весьма близким к прямому углу, а значит, данная геометрия позволяет проводить надежную оценку P.
Заявленный способ реализуют следующими этапами.
–n
1. Методом численного моделирования изучают эффект Умова у частиц неправильной формы, имеющих морфологию сходную с атмосферными аэрозолями и усредненных по размеру со степенным законом r , при значениях показателя степени, как минимум, n = 2.5 и 3. Данная калибровка может быть проведена на основе строгого решения задачи светорассеяния на модельных частицах, воспроизводящих микрофизические свойства частиц пыли их распределение по размеру. В области субмикронных и микронных размеров, распределение пылевых частиц хорошо аппроксимируется степенным законом
–n
r, при значениях показателя степени n = 2.5 и 3.
По результатам этого формируют калибровочную зависимость между максимальным значением степени линейной поляризации солнечного излучения рассеянного на частицах аэрозоля и их отражательной способностью, в виде
max
log(P) ∝ log(A),
max
где P - максимальное значение степени линейной поляризации солнечного излучения, рассеянного на частицах аэрозоля;
А - отражательная способность частиц аэрозоля.
2. Поляриметр ориентируют вертикально вверх (в зенит).
max
3. Измерения проводят в вечерних или утренних сумерках, непрерывно, когда солнца не видно из-за горизонта и земля отбрасывает тень на небосклон над точкой размещения измерительного прибора, начиная с момента заката Солнца до момента достижения границей тени высоты 10–15 км. В утренних сумерках измерения проводят в обратном порядке, начиная с высоты тени 10-15 км над точкой измерений. Полученные значения поляризации принимаются примерно равными максимальному значению поляризации P.
Результатом измерений является высотная зависимость степени линейной поляризации. Причем, синхронно с измерениями степени линейной поляризации солнечного излучения фиксируют, соответствующие им углы между горизонтом 4 и направлением на верхний край солнца 7, по которым, с использованием вышеупомянутого выражения вычисляют высоту 8 верхней границы тени, соответствующую конкретному измерению степени линейной поляризации солнечного излучения, что позволяет выявить зависимость степени линейной поляризации от высоты. Которую, в свою очередь, с использованием калибровочной зависимости между степенью линейной поляризации исходного солнечного излучения на частицах аэрозоля и их отражательной способностью интерпретируют как зависимость отражательной способности частиц аэрозоля от высоты его местоположения в атмосфере. Из поляриметрических измерений выводят геометрическое альбедо, частиц аэрозоля, на соответствующих высотах в атмосфере.
Зная зависимость отражательной способности частиц аэрозоля от высоты его местоположения в атмосфере, проводят оценку объемной концентрации частиц пыли в атмосфере. Для этого используют лидар 9 известной конструкции, который монтируют рядом с поляриметром 6 и ориентируют вдоль направления ориентирования 5 (луча зрения) поляриметра 6.
Далее, последовательно с измерениями степени линейной поляризации рассеянного солнечного излучения проводят высокоточные лидарные измерения, для чего направляют излучение 10 лидара 9 вдоль направления ориентирования 5 поляриметра 6 и фиксируют соответствующие потоки отраженного лазерного излучения 11 от атмосферных аэрозолей на тех же высотах, где перед этим выполняли измерения с помощью поляриметра 6.
Для этого, после краткого отключения поляриметра 6, направляют излучение 10 лидара 9 вдоль направления ориентирования 5 поляриметра 6 и фиксируют соответствующие потоки отраженного лазерного излучения 11 от атмосферных аэрозолей на тех же высотах, где были перед этим выполнены измерения с помощью поляриметра 6 (на практике импульс, испускаемый лидаром, очень короткий; так же как и отклик - это всего лишь доли секунды).
При измерениях в каждом последующем слое атмосферы порядок работы повторяется – вначале проводят поляриметрические измерения, а затем лидарные.
Возможна и несколько отличающаяся схема работы, при которой вначале в непрерывном режиме выполняют только поляриметрические измерения, по всем слоям, по всей контролируемой высоте измерений в атмосфере, после чего выполняют комплекс лидарных измерений по всем слоям, по всей контролируемой высоте измерений в атмосфере.
Способ обеспечивает оценку объемной концентрации частиц пыли в атмосфере по высоте на основе лидарных измерений, поскольку позволяют учесть значения отражательной способности частиц аэрозоля в соответствующем слое атмосферы и исключить влияние лидарного излучения на измерения степени линейной поляризации рассеянного солнечного излучения.
Далее, оценку объемной концентрации частиц пыли в слоях атмосферы получают как отношение измеренного потока отраженного лидарного излучения к геометрическому альбедо, выведенному из поляриметрических измерений.