научная статья по теме ТРЕХЧАСТОТНЫЙ ЛИДАР ДЛЯ ЗОНДИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРАТОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ Физика

Текст научной статьи на тему «ТРЕХЧАСТОТНЫЙ ЛИДАР ДЛЯ ЗОНДИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРАТОСФЕРНОГО АЭРОЗОЛЯ»

ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2010, № 6, с. 125-130

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ

УДК 551.501.793

ТРЕХЧАСТОТНЫЙ ЛИДАР ДЛЯ ЗОНДИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУРНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК СТРАТОСФЕРНОГО

АЭРОЗОЛЯ

© 2010 г. В. Д. Бурлаков, С. И. Долгий, А. В. Невзоров

Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН Россия, 634021, Томск, пл. Академика Зуева, 1 Поступила в редакцию 26.05.2010 г.

Представлено описание трехчастотного лидара, разработанного на Сибирской лидарной станции Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН в Томске (56.5° с.ш., 85.0° в.д.). Лидар предназначен для зондирования микроструктурных характеристик стратосферного аэрозоля на длинах волн 355, 532 и 683 нм, соответственно 3-я и 2-я гармоники излучения М±УАО-лазера и 1-я стоксовая компонента преобразования лазерного излучения на длине волны 532 нм в водороде на основе вынужденного комбинационного рассеяния. Знание микроструктурных характеристик стратосферного аэрозоля необходимо для изучения его влияния на радиационно-температурный и химический баланс всей атмосферы. Приводятся некоторые результаты натурных лидарных измерений.

ВВЕДЕНИЕ

Стратосферный аэрозоль (с.а.) играет значительную роль в ряде процессов, воздействующих на радиационно-температурный и химический баланс всей атмосферы. Рассеивая коротковолновое солнечное излучение, частицы с.а. уменьшают приток солнечной радиации к Земле. Эффект выхолаживания (альбедо-эффект) считается определяющим при увеличении содержания с.а. С другой стороны, с.а. поглощает длинноволновое тепловое излучение Земли, приводя к усилению тепличного эффекта. При изменениях содержания с.а. изменяется приток солнечной радиации к тропосфере, что ведет к изменениям ее температуры, концентрации водяного пара, облачности и, в конечном итоге, к изменениям всего теплового баланса.

Радиационно-температурные изменения зависят в большей степени от размеров аэрозольных частиц и в меньшей степени от их состава и высоты локализации [1, 2]. Для численного моделирования и прогноза эффектов, вызываемых с.а., необходимо знать микроструктурные характеристики с.а.: распределение частиц по размерам, эффективный радиус, площадь поверхности частиц и др.

Площадь поверхности аэрозольных частиц является ключевым параметром, определяющим эффективность гетерогенных химических реакций на поверхности сернокислотного с.а., в том числе озоноразрушающих реакций. Она может увеличиваться в десятки раз после мощных взрывных вулканических извержений. После извержения вулкана Пинатубо (июнь 1991 г.) удельная площадь

поверхности аэрозольных частиц в течение примерно трех лет после извержения находилась в пределах 10—30 мм2 м-3, тогда как для фоновых условий состояния стратосферного аэрозольного слоя типичные значения <1 мм2 м-3 [3, 4].

Данные о микроструктурных характеристиках с.а. получают различными методами наземных, шар-зондовых, самолетных и спутниковых измерений [5, 6]. Информацию о рассеивающих свойствах с.а. на различных длинах волн дает также дистанционный метод многочастотного лазерного зондирования [7]. Последующее применение методов решения обратной задачи [8] позволяет определять микроструктурные характеристики рассеивающих частиц.

Лидарные системы по многочастотному зондированию с.а. применяются сравнительно редко, что связано с определенными техническими трудностями проведения подобных измерений. Требуется одновременная работа нескольких лазерных источников на различных длинах волн, последующая спектральная селекция и регистрация нескольких лидарных сигналов. Тем не менее наземные лидарные наблюдения дополняют данные космических измерений, которые имеют недостаточную чувствительность по измерениям многих значимых атмосферных параметров, недостаточное вертикальное разрешение измерений, неудовлетворительную точность и стабильность, а также пространственные и временные пробелы в наблюдениях.

Рис. 1. Структурная схема трехволнового лидара для зондирования стратосферного аэрозоля: ^:УАО — твердотельный лазер; Н2 — ячейка в.к.р.-преобразования с водородом; ПЗ — автоматизированное поворотное зеркало; ПД — полевая диафрагма; КСС — кювета спектральной селекции с ф.э.у.; Л — линзы; СпД — спектроделители; ИФ — интерференционные фильтры; УД — усилители-дискриминаторы; БП — блоки питания; ВБП — высоковольтные блоки питания; ФТ — фототранзистор запуска счетчика фотонов.

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ЛИДАРА

В ИОА СО РАН первые эксперименты по трех-частотному зондированию микроструктуры с.а. были поставлены в 1975 г. [9]. Зондирование осуществлялось с использованием двух лазерных источников на длинах волн 532, 1064 нм (№:УАО-лазер) и 694 нм (лазер на рубине).

К настоящему времени на Сибирской лидар-ной станции ИОА СО РАН разработана трехча-стотная схема зондирования, работающая на длинах волн 355, 532 и 683 нм, соответственно 3-я и 2-я гармоники №:УАО-лазера и 1-я стоксовая компонента преобразования излучения на длине волны 532 нм в водороде на основе вынужденного комбинационного рассеяния (в.к.р.). Указанные длины волн реализуются в одном соосном пучке излучения с использованием одного лазерного источника. Это значительно упрощает процесс настройки и работы трехчастотного лидара, что позволяет вести измерения в режиме регулярных наблюдений.

Структурная схема разработанного лидара приведена на рис. 1. Базовым лазером системы является Ш:УАО-лазер (модель LS-2132T-LBO Минской фирмы LOTIS TII), работающий на длинах волн 532 и 355 нм с частотой следования импуль-

сов генерации 20 Гц при энергии импульсов 100 и 40 мДж, соответственно.

Лазерное излучение на длинах волн 355 и 532 нм направляется в в.к.р.-ячейку. Ячейка изготовлена из трубы (нержавеющая сталь) 0внут 3 см х 1 м. Необходимая для в.к.р.-преобразования плотность энергии накачки обеспечивается линзой, которая устанавливается перед ячейкой и фокусирует излучение накачки на ее центр. После ячейки конфокально устанавливается коллими-рующая линза. Фокусные расстояния линз 80 см.

Зондирующий пучок излучения на трех длинах волн направляется в атмосферу поворотным зеркалом, установленным на юстировочном узле (на основе шаговых двигателей с управлением от компьютера). Оптические лидарные сигналы регистрируются приемным телескопом (разработан по схеме Ньютона на основе зеркала 00.3 м), затем они поступают в кювету спектральной селекции, которая выделяет оптические сигналы на отдельных длинах волн зондирования. Для регистрации лидарных сигналов используются ф.э.у. Я7206-01 (Иашаша18и) на длинах волн 532 и 683 нм, Я7207-01 — на длине волны 355 нм.

Регистрация осуществляется в режиме счета импульсов фототока. Импульсы тока с ф.э.у. поступают на широкополосный усилитель и дифференци-

Рис. 2. Зависимость относительных интенсивностей излучения на длинах волн 355, 532 и 683 нм от давления водорода.

альный амплитудный дискриминатор. Дискриминатор позволяет регулировать нижний и верхний пороги дискриминации темновых импульсов конкретного образца ф.э.у. в условиях реальной фоновой засветки, т.е. выбирать оптимальные пороги дискриминации для повышения отношения сигнал/шум.

Сформированные в дискриминаторе импульсы поступают на счетчики фотонов, запускаемые фототранзистором синхронно с лазерным импульсом. Используются двухканальные счетчики с накоплением импульсов в 1024 стробах длиной по 100 м каждый, т.е. обеспечивается регистрация сигналов до высот 102.4 км с пространственным разрешением 100 м. При обработке результатов измерений применяется процедура линейного сглаживания. В результате типичное вертикальное разрешение составляет 400 м до высот 20 км и 1100 м до высот 30 км. Для устранения насыщения ф.э.у. мощным сигналом от ближней зоны зондирования и сокращения динамического диапазона регистрируемых лидарных сигналов применяется электронное управление коэффициентом усиления ф.э.у. [10].

Определены режимы в.к.р.-преобразования, обеспечивающие оптимальное соотношение энергий на трех длинах волн. На рис. 2 показана зависимость относительных интенсивностей излучения накачки (532 нм), первой стоксовой компоненты в.к.р.-преобразования (683 нм) и линии 355 нм от давления водорода в в.к.р.-ячейке. Видно, что для получения оптимального соотношения энергий на трех длинах волн необходимо рабочее давление водорода в в.к.р.-ячейке >12 атм.

Технические характеристики лидарного передатчика: энергия импульсов излучения 70 мДж — 532 нм, 40 мДж — 355 нм, 25 мДж — 683 нм; частота

15 10

5 0

10° 101 102 103 104

Число фотонов

Рис. 3. Лидарные сигналы на трех длинах волн зондирования. Включение ф.э.у. в рабочий режим с высоты 10 км.

следования импульсов 20 Гц; расходимость излучения ~0.8 мрад.

Рис. 3 показывает, что разработанная система позволяет регистрировать лидарные сигналы до высот верхней границы стратосферного аэрозольного слоя ~30 км.

НЕКОТОРЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ НАТУРНЫХ ЛИДАРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

Из данных одночастотного зондирования восстанавливаются оптические характеристики стратосферного аэрозольного слоя (с.а.с.) в определенном интервале высот Н: вертикальный профиль коэффициента обратного аэрозольного рассеяния

в П (Н) и отношение рассеяния Я(И) — отношение суммы коэффициентов обратного аэрозольного и молекулярного рассеяния к последнему. Используется метод калибровки лидарных сигналов по коэффициентам обратного молекулярного рассеяния, подробно описанный в ряде монографий, например, [11, 12]. Ошибка лидарных измерений растет с увеличением высоты зондирования в со-

Н, км 30.0

27.5 р

25.0

22.5 -

20.0

17.5

15.0

12.5

(а)

10.10.2008 г.

355/ ;,532 ) 683 нм г / I /'

ч' (

1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0

Рех, 10-2 км-1

(б)

13 км 16

0.6 0.7

X, мкм

Рис. 4. Высотные профили отношения рассеяния (а) и спектральная зависимость коэффициентов аэрозольного ослабления на различных высотах (б) по данным измерений 10 октября 2008 г.

ответствии с уменьшением отношения сигнал/шум на больших высотах. При наших измерениях в интервале высот 10-20 км ошибка измерений

вП(Н) и Я(И) изменяется от 3 до 4%, а на высотах 30 км увеличивается до 6.5%.

Из данных трехчастотного зондирования уже может быть определе

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Физика»