ИЗВЕСТИЯ РАИ. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2009, том 45, № 6, с. 823-832
УДК 551.508.952
ОЦЕНКА НЕОБХОДИМОЙ КОНТРАСТНОСТИ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ СВЕТОФИЛЬТРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ
ОЗОНА В АТМОСФЕРЕ
© 2009 г. Л. Г. Большакова
НИИ физики им. В.А. Фока, Санкт-Петербургский государственный университет 198504 Санкт-Петербург, ул. Ульяновская, 1 Поступила в редакцию 09.09.2008 г., после доработки 14.05.2009 г.
Проанализированы требования, накладываемые на спектральные характеристики светофильтров для переносных оптических озонометров, при удовлетворении которых общее содержание озона в атмосфере можно определять с точностью, не уступающей точности, достигаемой сложными спектральными щелевыми приборами. Для измеряемого с помощью двух светофильтров немонохроматического излучения рассмотрен эффект зависимости рассчитываемых коэффициентов поглощения озона от спектральных характеристик фильтров и общего содержания озона в атмосфере. Проведены оценки роли контрастности и допустимых величин фонового пропускания фильтров в диапазоне 294.8-400 нм. С учетом этих оценок в двухфильтровых озонометрах рекомендуется использовать интерференционные фильтры с максимумами пропускания в областях 305.5-307 и 326-330 нм при спектральной ширине их полос на половине высоты максимального пропускания, равной 2-5 нм.
ВВЕДЕНИЕ
Атмосферный озон защищает все живое на земле от губительного ультрафиолетового излучения солнца в области 200-300 нм, полностью поглощая его. Количество озона в атмосфере очень невелико и к тому же подвержено колебаниям по разным причинам. В основном это естественные причины, связанные с изменением солнечного освещения или другими природными явлениями [1], но оно может зависеть и от антропогенных факторов, приводящих к его опасному уменьшению. Поэтому во всем мире за состоянием атмосферного озона ведутся систематические наблюдения. Оптические фильтровые озонометры, основанные на измерении поглощения озоном ультрафиолетового солнечного излучения на двух длинах волн, широко используются на сетевых озонометрических станциях [2]. Возможные систематические ошибки и правильность интерпретации получаемых экспериментальных данных были впервые рассмотрены в [3] и с тех пор обсуждаются в литературе.
В последнее время в связи с возросшим вниманием к проблемам атмосферного озона наблюдается дальнейшее возрастание интереса к фильтровым озонометрам, благодаря их простоте, компактности, дешевизне и ряду других полезных качеств. Известно, что определение содержания озона оптическим методом в ультрафиолетовой области спектра является наиболее точным абсолютным методом, для которого градуировка приборов по известному количеству озона не требуется. Это, в принципе, относится не только к щелевым спектрофотометрам, но и к фильтровым приборам, если правильно учи-
тывается их немонохроматичность. Важным преимуществом фильтровых приборов по сравнению с щелевыми спектрофотометрами является их большой выигрыш в освещении оптического входа прибора. Это дает возможность с их помощью проводить надежные измерения озона при значительно более низких высотах солнца, чем со спектрофотометром Добсона (или Брюера), что может быть важным для измерений на высоких широтах. Подробнее недостатки указанных спектрофотометров рассмотрены в [4].
Современные фильтровые озонометры используются во всем мире [5-7], в том числе на морских [8] и космических кораблях [9]. В США фильтровые измерения солнечного ультрафиолета проводятся на 25 фотометрических станциях, и предполагается эти измерения использовать для оценки общего содержания озона [10].
Одним из существенных источников погрешностей при измерениях фильтровыми озонометрами может явиться недостаточно точный учет оптических характеристик самих светофильтров. В частности, даже при узких полосах пропускания фильтров возможны систематические ошибки определения озона, связанные с неподходящей контрастностью и неоправданным пренебрежением фоновым пропусканием вдали от основной полосы, как с ее длинноволновой, так и с коротковолновой сторон. Непосредственная оценка этих ошибок довольно сложна, так как они зависят от многих факторов, к тому же меняющихся в процессе измерений.
Решить эту задачу с возможностью практического применения удалось с помощью строгого
аналитического расчета коэффициентов поглощения озона для всего немонохроматического пучка света, выделяемого светофильтром, с последующим анализом их численных значений (далее мы называем их "усредненными" коэффициентами). Для нас было важно оценить, какими должны быть спектральные характеристики светофильтров, чтобы обеспечить высокую точность измерения озона. Трудностью данной задачи явилось то, что эти коэффициенты оказались существенно зависимыми от количества озона на пути солнечного луча, которое, вообще говоря, является неизвестным и подлежит определению. Несмотря на наличие этого эффекта, решение оказалось возможным благодаря тому, что средние количества озона в атмосфере и пределы его изменения в природе известны. Поэтому можно было решать задачу, используя эти сведения.
В данной статье мы анализируем условия, при которых общее содержание озона в атмосфере может быть определено фильтровым озонометром с высокой точностью, не уступающей измерениям на спектрофотометре типа Добсона, и также без необходимости предварительной градуировки, то есть абсолютным методом. Результаты настоящей работы дали возможность более полно описать необходимые требования к параметрам светофильтров, предназначенных для этой цели.
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ И ФОРМУЛЫ, ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ В РАСЧЕТАХ
Наиболее важными характеристиками интерференционных светофильтров являются: а) длина волны в максимуме полосы пропускания ^шах и величина этого пропускания Г?1шах; б) спектральная ширина полосы пропускания ДХо.5 на полувысоте контура пропускания 0.5Г?1шах; в) контрастность, характеризующая резкость убывания пропускания фильтра в области "крыльев" за пределами его ширины ДХ05; г) уровень сплошного фонового пропускания вдали от основной полосы. Фоновое пропускание фильтра всегда существует в той или иной степени и обычно незначительно меняется по спектру в довольно широкой области.
Настоящее исследование по существу является непосредственным продолжением работы [11], в которой была изучена роль значений ^шах и ДЯ0.5, определяющих основную полосу пропускания фильтров. Здесь будет показано, что наряду с первыми двумя характеристиками а) и б) большое значение для обеспечения высокой точности измерений атмосферного озона имеют также характеристики в) и г), и будет дана необходимая для этого их количественная оценка.
В работах [11, 12] с помощью модельных расчетов было установлено, что при определенных значениях ^шах и ДХ0.5 можно оценить общее содержа-
ние озона в атмосфере с большой точностью. В этих расчетах для упрощения была использована модель контрастных фильтров, имеющих только основную полосу без фонового пропускания. Было показано, что для каждого момента измерений содержание озона О можно оценить из выражения (1), выведенного строго для случая немонохроматического излучения в ограниченном спектральном интервале:
(Рх — Р2)т - (§! - 52)т'
О = ----. (1)
(а1 - а2 )|
Здесь /1, /2 - сигналы прибора от двух фильтров 1 и 2, пропорциональные интенсивности солнечного излучения в спектральных участках, выделенных
фильтрами. При этом всегда ^ тах < тах. Тт, /02 -сигналы этого же прибора за пределами атмосферы, определяющиеся с учетом немонохроматичности по наземным данным [12]; 2 и 5Х, 2 - спектральные коэффициенты релеевского рассеяния и аэрозольного ослабления соответственно на длинах волн тах и тах (см. [11]); т, т и | - соответственно воздушная, аэрозольная и озонная "массы" в относительных единицах, зависящие от высоты солнца над горизонтом; а1; а2 - усредненные коэффициенты поглощения озона для каждого из светофильтров по всему спектру их пропускания ( в работе [11] они называются "средними" коэффициентами). Именно в этих величинах заключена главная особенность формулы (1). В соответствии с ее математическим выводом коэффициенты аь а2 имеют вполне определенное аналитическое выражение (см. далее формулу (2)), и несут в себе явную зависимость от ширины спектрального интервала, выделенного фильтром, от формы его полосы пропускания, а также от других параметров, в том числе, как уже говорилось выше, и от количества озона на пути солнечного луча в момент измерения. Поэтому они не являются константами, непрерывно изменяясь в соответствии с изменением высоты солнца. В этом состоит и главное отличие формулы (1) от соответствующего выражения для монохроматического излучения [13, 14]. Как показано в [11], задача нахождения О по (1) с коэффициентами а, рассчитанными по (2), если они имеют необходимое численное значение, решается с высокой точностью при полном учете всех особенностей спектрального пропускания фильтров. Ниже будет показано, что коэффициенты а весьма чувствительны к контрастности и уровню фонового пропускания фильтра.
В данной работе нам необходимо было определить требования к этим двум характеристикам светофильтра так, чтобы его действие оставалось оптимальным, то есть определялось бы его основной
полосой и, таким образом, к нему были бы применимы результаты [11, 12]. Согласно [11], усредненный коэффициент поглощения озона для каждого фильтра определяется следующим выражением:
1
а = ТГ х
11 „(Х) 10-
в(Х)т - 8(Х)т1
Т(Х)а(Х)йХ
(2)
х
110 (Х) 10-
а(Х)Пц - в(Х)т - 8(Х)т1
Т(Х)ст(Х)йХ
Здесь О| - количество озона на пути солнечного луча, /0(А) - спектральное распределение интенсивности солнечного излучения вне атмосферы, Т(А) -полная спектральная характеристика фильтра, Ха и Хь - границы его пропускания с учетом фонового пропускания, <(Х) - спектральная чувствительность приемника излучения, а(А) - спектральный десятичный коэффициент поглощения озона, Р(А) и 8(А) -спектральные десятичные коэффициенты релеев-ского и аэрозольного ослабления как функции длины волны. Отметим, что аэрозольное ослабление в наших расчетах не учитывалось, так как предполагалось, что 8(А) в рассматриваемом учас
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.