ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2010, № 6, с. 121-124
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ
УДК 551.510.4
ЛИДАР ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ ДЛЯ ЗОНДИРОВАНИЯ ОЗОНА В ВЕРХНЕЙ ТРОПОСФЕРЕ-НИЖНЕЙ СТРАТОСФЕРЕ
© 2010 г. В. Д. Бурлаков, С. И. Долгий, А. П. Макеев, А. В. Невзоров, О. А. Романовский, О. В. Харченко
Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН Россия, 634021, Томск, пл. Академика Зуева, 1 Поступила в редакцию 06.05.2010 г.
На Сибирской лидарной станции Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН в Томске (56.5° с.ш., 85.0° в.д.) для исследования динамики озона в районе тропопаузы и изучения страто-сферно-тропосферного обмена разработан лидар для измерения вертикального распределения озона в верхней тропосфере—нижней стратосфере. При зондировании, осуществляемом по методу дифференциального поглощения и рассеяния, используется пара длин волн 299/341 нм, которые соответствуют первой и второй стоксовым компонентам преобразования излучения четвертой гармоники излучения накачки Nd:YAG-лазера (266 нм) на основе эффекта вынужденного комбинационного рассеяния в водороде.
ВВЕДЕНИЕ
Для исследования атмосферы и контроля ее состояния широко применяются методы дистанционного лазерного зондирования с использованием лидарной техники — лидара или лазерного локатора (lidar — аббревиатура от light detection and ranging). Одним из методов, используемых для определения интегрального и пространственного распределения концентрации какого-либо газа атмосферы, является метод дифференциального поглощения и рассеяния [1]. В атмосферу одновременно посылается излучение на двух длинах волн: одна из них (A,on) совпадает с линией или полосой сильного поглощения исследуемого газа, другая (^of) — с более слабой, либо не поглощается совсем. Концентрация исследуемого газа по соответствующим алгоритмам определяется из отношения лидарных сигналов на ^on/^of. Для определения вертикального распределения озона (в.р.о.) обычно используют длины волн, расположенные в полосах его поглощения Хартли и Хюг-генса (длины волн 240—360 нм) [2]. Более 85% всего озона находится в стратосфере. Для измерений малых концентраций озона в тропосфере, с целью увеличения концентрационной чувствительности метода, при выборе длин волн зондирования необходимо смещаться ближе к центру полосы поглощения озона в более коротковолновую часть. В этой части спектра его сечение поглощения а в разы выше, чем для длин волн, используемых при стратосферных измерениях (например, для длины волны ^on = 299 нм — а299 = 4.4 • 10-19 см2, а для ^on = 308 нм — а308 = 1.4 • 10-19 см2).
В Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН в составе Сибирской лидарной станции
разработан лидар для определения в.р.о. в верхней тропосфере—нижней стратосфере. На этих высотах озон подвержен влиянию динамического фактора. Эта часть полностью определяет изменчивость общего содержания озона в атмосферном столбе. Здесь же разыгрываются слабо изученные сценарии стратосферно-тропосферного обмена, деформации озоносферы струйными течениями, происходит формирование тонкой "языковой" структуры озонового слоя.
ВЫБОР ДЛИН ВОЛН ДЛЯ ЗОНДИРОВАНИЯ ОЗОНА В ВЕРХНЕЙ ТРОПОСФЕРЕ-НИЖНЕЙ СТРАТОСФЕРЕ
Лидарные измерения профилей в.р.о. по методу дифференциального поглощения и рассеяния в различных высотных диапазонах атмосферы с разным содержанием озона осуществляются на различных комбинациях длин волн в ультрафиолетовой полосе поглощения озона.
Для тропосферных измерений озона обычно используется излучение эксимерного КГ-лазера (248 нм) или 4-я гармоника №:^С-лазера (266 нм) в сочетании с техникой, основанной на эффекте вынужденного комбинационного рассеяния (в.к.р.) в Н2, D2, СО2 и других газах [3-6]. Наиболее распространенными являются водород и дейтерий. Возможный набор длин волн, соответствующих 1-ым, 2-ым, 3-им стоксовым (С) частотам в.к.р.-преобразования в Н2, D2 и С02, представлен в таблице.
В различных высотных диапазонах тропосферы и нижней стратосферы используются различные комбинации длин волн. Так, пары длин волн
Излучение накачки Длины волн (нм), соответствующие стоксовым частотам (С) в.к.р.-преобразования
в H2 С1 С2 в D2 С1 С2 С3 в CO2 С2 С3
Nd:YAG, 266 нм 299 341 289 316 287 299
KrF, 248 нм 277 313 268 291 319
289/316 и 287/299 нм позволяют получать профиль вертикального распределения озона до высот ~10 км [3, 4]; пара 292/319 нм до высот 14—16 км [3]; пары 277/313 и 292/313 нм до высот 8—12 и 15 км, соответственно [6].
Нами проведены численные оценки возможностей зондирования в.р.о. в верхней тропосфере— нижней стратосфере на паре длин волн 299/341 нм. При расчетах закладывались реальные параметры лидара: энергия излучения на обеих длинах волн 20 мДж; частота повторения лазерных импульсов 15 Гц; диаметр приемного зеркала 0.5 м; время накопления сигнала 1.5 ч. Для определения эффективности приемопередатчика использовались реальные значения пропускания оптических элементов спектральной селекции и эффективности фотоэлектронных умножителей (ф.э.у.), шумы брались из реальных измерений. Расчеты показали, что при применении этих длин волн максимальная высота потолка зондирования составля-
Рис. 1. Блок-схема лидара. 1 — полевая диафрагма; 2 — кювета спектральной селекции с ф.э.у.; 3 — механический обтюратор; 4 — автоматизированный юсти-ровочный узел выходного поворотного зеркала; 5 — система синхронизации времени срабатывания обтюратора и посылки лазерных импульсов; ПЗ — поворотные зеркала; Nd:YAG — твердотельный лазер; Н2 — ячейка в.к.р.-преобразования с Н2; У-Д — усилители-дискриминаторы; ВБП — высоковольтные блоки питания ф.э.у.; Л^ и Л2 — линзы.
ет ~22 км (озоновый максимум в Томске расположен в высотном интервале 19—21 км), но при этом появилась возможность измерений озона в тропосфере. Ошибка определения концентрации озона находится в пределах 4—10% до высот ~20 км.
Максимальная высота зондирования определяется прежде всего дальностью регистрации сигнала на ^оп, которая всегда меньше, чем дальность регистрации сигнала на ХоЬ вследствие большего поглощения озоном. С этой стороны ^оп = 299 нм предпочтительнее, чем 277 или 292 нм. Кроме того, длины волн 299 и 341 реализуются в одном пучке зондирования (от одного лазерного источника в одной в.к.р.-ячейке), в отличие, например, от пары 292/313 нм (см. таблицу). При этом система на основе в.к.р.-ячейки с водородом дешевле, чем на дейтерии.
ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЛИДАРА
На рис. 1 приведена блок-схема описываемого лидара. В качестве источника лазерного излучения используется 4-я гармоника (266 нм) основной частоты излучения NdiYAG-лазера (модель LS-2134UT фирмы LOTIS TII, Минск) с последующим ее преобразованием на основе эффекта вынужденного комбинационного рассеяния (в.к.р.) в водороде в первую (299 нм) и вторую (341 нм) стоксовые компоненты.
Излучение лазера проходит через в.к.р.-ячейку — трубу из нержавеющей стали 0внут 3 см х 1 м. Входное и выходное окна изготовлены из кварца КУ. Энергия импульса накачки на длине волны 266 нм составляет 60 мДж. Необходимая для получения эффекта в.к.р.-преобразования плотность мощности накачки обеспечивается линзой Л1 с фокусным расстоянием 1 м, которая устанавливается перед в.к.р.-ячейкой и фокусирует излучение на ее центр. После ячейки конфокально с фокусирующей линзой устанавливается коллимиру-ющая линза Л2. Далее излучение через выходное зеркало направляется в атмосферу. Автоматизированный юстировочный узел выходного зеркала разработан на основе шаговых двигателей с управлением от компьютера.
Оптический лидарный сигнал обратного рассеяния из атмосферы собирается приемным телескопом, разработанным по схеме Ньютона с главным приемным зеркалом 00.5 м с фокусным расстоянием 1.5 м. Далее сигнал поступает в кювету спектральной селекции и регистрируется ф.э.у. В регистрирующем тракте лидара используются фотоумножители R7207-01 и усилители-дискриминаторы C3866 фирмы HAMAMATSU. Регистрация лидарных сигналов ведется в режиме счета импульсов фототока. Для обеспечения линейных режимов работы ф.э.у. используется механический
ЛИДАР ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ ДЛЯ ЗОНДИРОВАНИЯ ОЗОНА
Интенсивность, отн. ед.
100 г
90 - N341 нм
80 -70605040 -
30 _I_I_I_I_I_I_I_I_I_I
0123456789 10
Давление Н2, атм
Рис. 2. Зависимость относительных интенсивностей излучения накачки (266 нм), первой (299 нм) и второй (341 нм) стоксовых компонент в.к.р.-преобразования от давления водорода.
обтюратор, отсекающий мощный оптический сигнал от ближней зоны зондирования.
Была определена эффективность в.к.р.-преобразования в зависимости от давления водорода в ячейке, которое в процессе эксперимента изменялось от 1 до 9 атм. Полученная на выходе из в.к.р.-ячейки зависимость относительных интен-
123
сивностей излучения накачки (266 нм), первой (299 нм) и второй (341 нм) стоксовых компонент в.к.р.-преобразования от давления водорода представлена на рис. 2. При давлении водорода 2 атм интенсивности линий 299 и 341 нм сравниваются, что дает возможность зондирования озона при равных значениях мощности зондирующего излучения на длинах волн ^оп и Однако для увеличения потолка зондирования более эффективно использовать давление 1 атм, при котором энергия преобразования перераспределяется в пользу линии 299 нм, сильнее поглощаемой озоном, чем линия 341 нм. При этом энергия импульсов зондирующего излучения на линии 299 нм составляет ~25 мДж, а на линии 341 нм--15 мДж.
ПЕРВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Вид лидарных сигналов и восстановленный профиль концентрации озона представлены на рис. 3. Сигналы регистрировались в режиме счета импульсов фототока по 25000 выстрелов (время накопления ~30 мин). Достигнутый потолок регистрации сигналов на длине волны 299 нм составил >20 км (рис. 3а).
Процедура восстановления профилей озона из лидарных данных выполнялась в два этапа. На первом этапе полученные лидарные сигналы подвергались процедуре сглаживания с использованием ап-
_ \ 341 нм
J_I_I_I_I_I_I_I_I
Н, км 30
25
20
15
10
Н, км 18 г
16
14
12
10
6
т .......I....................
10° 101 102 103 104 105 0 Число фото
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.