Введение к работе
Актуальность работы
Успешное исследование процессов, происходящих в океане и атмосфере, а также процессов взаимодействия в системе океан-атмосфера, во многом определяется разработкой новых методов исследований. В последние годы наблюдается интенсивное развитие дистанционных методов измерения параметров океана и атмосферы, особенно это относится к лидарным методам зондирования. Круг задач, решаемых с использованием лидарных методов зондирования зависит от разнообразия механизмов взаимодействия лазерного излучения с веществом, которые используются в лидарах. Актуальность постановки данной работы определяется , с одной стороны, необходимостью расширения круга задач, решаемых с использованием методов лидарного зондирования океана и атмосферы, вевязи с чем проводилось исследование некоторых механизмов взаимодействия мощного лазерного излучения с жидкими средами и разработка, на основе этих исследований, новых методов измерения физических полей океана, атмосферы, и характеристик процессов взаимодействия в системе океан-атмосфера. С другой стороны, прогресс в решении ряда конкретных задач, связанных, например, с динамикой полей влажности в нижнем подстилающем слое атмосферы над океаном, с пространственно-временными структурами светорассеивающих слоев в океане, трансформацией элементного состава морской воды и т.д., связывается именно с разработкой дистанционных, лидарных методов зондирования.
Так, для решения задач энергетического обмена в системе океан-атмосфера, прогнозирования условий сверхдальнего распространения радиоволн УКВ и СВЧ диапазонов над морской поверхностью, необходима разработка методов и судовых лидарных систем, способных обеспечить оперативный контроль высотных распределений концентраций паров воды над морской поверхностью до высот в несколько километров и регистрацию жидкой фазы воды в нижнем слое атмосферы. Это в свою очередь, ставит
задачу исследования механизма комбинационного рассеяния мощного лазерного излучения в атмосфере, содержащей водный аэрозоль.
Определение элементного состава морской воды необходимо при решении широкого круга задач в исследовании океана; использование механизма лазерного диэлектрического пробоя жидкости в лидарных системах, может дать дистанционный метод измерения химического состава морской воды. Однако, механизм оптического пробоя в жидкости и формированїГе^змисссионного-спектра^іазерной искры в жидких средах не изучены к настоящему времени. Для исследования аналитических возможностей метода лазерной искровой спектроскопии при определении элементного состава водных сред и определения возможности использования данного метода в дистанционном лидарном зондировании океана, необходимо проведение экспериментальных исследований особенностей формирования эмиссионных спектров лазерной плазмы на поверхности жидкости.
Механизм взрывного вскипания жидкости под действием лазерного излучения является одним из наиболее эффективных механизмов генерации звука. Акустический сигнал, получаемый при таком виде взаимодействия обладает характеристиками, которые трудно реализовать, используя традиционные источники звука: широкая частотная полоса, при больших значениях давления, дистанционная генерация звука. Именно эти характеристики делают его перспективным в задачах зондирования параметров верхнего слоя океана - ВСО ( при определении частотной зависимости коэффициента затухания звука в морской воде или в измерениях распределения воздушных пузырьков, содержащихся в ВСО, по размерам) и в задачах связи с подводными объектами. В литературе представлены, в основном, теоретические исследования этого механизма и лабораторные эксперименты. Актуальность постановки задачи экспериментальных исследований характеристик акустических сигналов, генерируемых лазерным излучением в режиме взрывного вскипания жидкости в натурных условиях определяется необходимостью получения реальных характеристик акустических сигналов, генерируемых лазерным излучением с учетом влияния различных эффектов, связанных с потерями лазерного излучения при его распространении от источника до морской поверхности, с состоянием
5 морской поверхности и т.д. Именно такие исследования позволят определить
перспективы использования данного механизма генерации звука для решения
задач акустической океанографии.
Актуальность постановки задачи исследования вышеперечисленных
механизмов взаимодействия мощного лазерного излучения с жидкими
средами состоит не только в том, что подобные исследования значительно
расширяют возможности лидарного зондирования, но и в том, что они
значительно стимулируют развитие технических средств. Так, аппаратурные
разработки, проведенные для исследования механизмов взаимодействия
позволили, в рамках данной работы, разработать судовые лидарные
комплексы для зондирования полей влажности в нижнем подстилающем
слое атмосферы над океаном и для исследования пространственно-временной
структуры светорассеивающих слоев в океане.
Цели и задачи исследований.
В рамках диссертационной работы ставились следующие задачи:
-
Провести экспериментальные исследования процесса комбинационного рассеяния мощного лазерного излучения при его распространении в атмосфере, содержащей водный аэрозоль.
-
Исследовать механизм оптического пробоя в жидкости для разработки метода дистанционной лазерной искровой спектроскопии водных сред.
-
Исследовать пространственно-временные характеристики акустических сигналов, генерируемых на морской поверхности в режиме взрывного вскипания; определить в натурных условиях возможности опто-акустического источника для зондирования верхнего слоя океана.
Основываясь на результатах исследований провести:
4. Разработку методики и аппаратуры для исследования динамики полей
влажности в нижнем подстилающем слое атмосферы над океаном.
Использовать лидарное зондирование для исследования условий
формирования канального распространения радиоволн УКВ диапазона над
морской поверхностью и для регистрации процессов развития конвекции
паров воды над морской поверхностью.
5. Разработку судового лидарного комплекса для исследования пространственно-временного распределения светорассеиваюших слоев в океане. Исследовать возможность регистрации динамических процессов, модулирующих характеристики светорассеивающих слоев, с использованием судовых лидарных систем.
Научная новизна работы.
Научная~новизна—работы,—определяется теми экспериментальными результатами, которые получены при исследовании механизмов взаимодействия мощного лазерного излучения с жидкими средами и применении разработанных методик к задачам зондирования атмосферы и океана.
1. При исследовании комбинационного рассеяния мощного лазерного
излучения в атмосфере, содержащей жидко-капельный аэрозоль
зарегистрирован эффект усиления вынужденного комбинационного рассекия
на водном аэрозоле, ранее не описанный в литературе [101.
2. Впервые проведены исследования пространственно-временных
характеристик акустических полей, генерируемых лазерным излучением в
режиме взрывного вскипания на морской поверхности в натурных условиях,
при этом наблюдался эффект вторичной генерации акустического импульса
при облучении водной поверхности одиночным лазерным импульсом [3,6].
3. Предложено использование лазерной искровой спектроскопии для анализа
элементного состава морской воды, зарегистрировано смещение центра
эмиссионных линий элементов лазерной плазмы при сильных лазерных
накачках и аномальное поведение эффекта самопоглощения эмиссионных
линий плазменного факела, возбуждаемого лазерным излучением на
поверхности мишеней [26,5,2,45].
4. Лидарное зондирование применено для исследования условий
формирования канального распространения радиоволн УКВ и СВЧ
диапазонов над морской поверхностью и исследования динамики полей
влажности в нижнем подстилающем слое атмосферы над океаном [11,12).
5. Лидарное зондирование применено для регистрации динамических
процессов, протекающих в ВСО и модулирующих характеристики
светорассеивающих слоев [4,7).
6. Впервые проведено восстановление пространственно-временной структуры
светорассеивающих слоев в океане с использованием дистанционного
лидарного зондирования [1|.
Обоснованность полученных результатов.
Обоснованность экспериментальных результатов, приведенных в диссертации, подтверждена в работе путем многократного и тщательного проведения экспериментов при исследовании механизмов взаимодействия мощного лазерного излучения с жидкими средами и сравнения полученных результатов с литературными данными и теоретическими оценками. Результаты натурных измерений в большинстве случаев, сравниваются с другими, независимыми методами измерений.
Практическая значимость результатов.
Тема диссертации соответствует одному из направлений работ в Тихоокеанском Океанологическом Институте ДВО РАН по развитию методов и средств дистанционного зондирования океана и атмосферы, а научные результаты, изложенные в ней, получены при выполнении госпрограмм ТОЙ ДВО РАН: "Мировой Океан", "Вестпак", а также хоздоговорных тем "Треугольник АН", "Марганец","Росянка", "1/84". В процессе выполнения работы разработаны судовые лидарные комплексы для проведения зондирования нижнего слоя атмосферы и верхнего слоя океана. Данные комплексы устанавливались на борту научно-исследовательских судов "Академик Несмеянов", "Академик Виноградов", "Академик Лаврентьев", "Профессор Богоров" на которых проводились работы по исследованию океана и атмосферы в период 1982 г. - 1993 г. в различных районах Мирового Океана.
