Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Особенности распространения ультрафиолетового излучения в горных условиях 12
1.1 Основные факторы, определяющие особенности распространения ультрафиолетового излучение в горах 12
1.1.1 Поглощение озоном, находящемся в атмосфере 12
1.1.2 Поглощение аэрозольными образованиями, находящимися в атмосфере. 16
1.2 Физические модели пропускания атмосферы в ультрафиолетовом диапазоне спектра 23
1.2.1 Вычисление минимального уровня сигнала Wc min 25
1.3 Коэффициент ослабления ультрафиолетового излучения атмосферой 28
Выводы к главе 1 51
ГЛАВА 2 Опенка спектральной прозрачности атмосферы в ультрафиолетовом диапазоне в горных условиях 53
2.1 Климатические особенности горной местности 53
2.2 Геофизические модели атмосферы для заданного региона 54
2.3 Особенности оценки спектральной прозрачности атмосферы в ультрафиолетовом диапазоне длин волн 58
2.4 Оценка прозрачности атмосферы в ультрафиолетовом диапазоне 65
Выводы к главе 2 76
ГЛАВА 3. Проведение экспериментальных исследований и их результаты 77
3.1 Актуальность выполнения работ 77
3.2 Условия проведения экспериментальных работ 78
3.3 Состав и характеристики используемой аппаратуры 80
3.4 Программа-методика проведения экспериментальных работ 85
3.4.1 Назначение 85
3.4.2 Цели и место проведения экспериментальных работ 85
3.4.3 Методы проведение экспериментальных работ 85
3.4.4 Представление и обработка данных 87
3.4.5 Оцениваемые показатели и расчетные соотношения 87
3.4.6 Требования к квалификации обслуживающего персонала 90
3.5 Проведение испытаний 91
3.6 Изучение интенсивности УФ излучения от эталонных источников излучения сквозь облачный покров и при чистой атмосфере с различных позиций в горной местности 91
3.7 Анализ результатов испытаний 98
3.8 Исследование фоново-целевой обстановки в ультрафиолетовом диапазоне электромагнитных волн в горных условиях 109
3.9 Проведение экспериментальных работ по выявлению общих закономерностей и особенностей распространения УФ излучения в горной местности 113
3.10 Анализ проведенных измерений в облаке 128
Выводы к главе 3 130
Заключение 132
Список литературы 135
- Физические модели пропускания атмосферы в ультрафиолетовом диапазоне спектра
- Коэффициент ослабления ультрафиолетового излучения атмосферой
- Особенности оценки спектральной прозрачности атмосферы в ультрафиолетовом диапазоне длин волн
- Изучение интенсивности УФ излучения от эталонных источников излучения сквозь облачный покров и при чистой атмосфере с различных позиций в горной местности
Введение к работе
Актуальность проблемы
Проблема прозрачности атмосферы является, по-существу, основной проблемой оптики атмосферы. Историческое развитие этой проблемы выдвинуло ряд вопросов, превратившихся затем в кардинальные области физики, как, например, молекулярное рассеяние света.
Практическая важность исследования прозрачности атмосферы общеизвестна и связана с возникшей необходимостью практического использования ультрафиолетового (УФ) спектрального диапазона. Нужды авиации, метеорологии, астрономии, космической физики и ряда других областей науки и техники неразрывно связаны с этой проблемой. В последнее время появились отдельные образцы военной техники, например пеленгаторы ракет, работающие в солнечно слепой части спектра.
Однако, несмотря на почти двухсотлетнюю историю исследований прозрачности атмосферы, вопрос еще далек от полного разрешения. Ультрафиолетовый диапазон ранее был исследован поверхностно и первые же практические работы в нем показали, что принятая официально в настоящее время модель поглощения не соответствует полученным экспериментальным результатам.
Одной из причин, тормозящих развитие этого раздела атмосферной оптики, является преждевременное низведение его в силу необходимости до уровня прикладной области, вьшолняющей узкослужебную роль, и порою из-за несовершенства методики, вьшолняющей ее весьма неудовлетворительно. В ультрафиолетовой области наиболее резко выявляются многие оптические свойства различных компонент атмосферы (рассеяние и собственно поглощение).
Выбор солнечно-слепого ультрафиолетового диапазона спектра имеет ряд преимуществ, в частности, он позволяет обеспечить работу против Солнца, что недоступно никакой другой оптической системе. Наиболее перспективен данный диапазон для создания информационных систем на воздушных носителях всех типов. В частности, вследствие фильтрации солнечного излучения озоновым слоем возможно построение смотрящих, а не сканирующих систем, что важно для построения информационной системы в ближней зоне, где времени для сканирования нет.
Есть основания использовать уникальные возможности ультрафиолетового диапазона для работы в условиях повышенной влажности, в тумане и даже внутри облаков.
Атмосфера над горами характеризуется экстремальными величинами параметров, происходящими из самих физических условий в горной местности: значительный контраст освещенности склонов, различия в солнечной экспозиции склонов, температурный градиент, влияние орографии местности на прилежащий слой атмосферы, особенности поведения атмосферно-электрических параметров.
Важным параметром атмосферы горной местности является величина солнечной радиации. Известно, что большая часть аэрозолей и пыли приходится на нижний слой атмосферы толщиной 1-2 км. Кроме того, с высотой убывает оптическая плотность атмосферы. Все это приводит к тому, что поверхности горных склонов достигает больше солнечной энергии; в свою очередь это ведет к большим температурным контрастам между освещенными и неосвещенными участками поверхности склонов.
Особенности атмосферы в горной местности приводят к тому, что прозрачность атмосферы может меняться быстро и в значительных пределах. Кроме того, орографические особенности могут приводить к возникновению устойчивых аэрозольных облаков, тогда как термическая неустойчивость может вызвать быстрое рассеяние искусственных аэрозольных образований.
В силу недостаточной исследованности прозрачности атмосферы в горных условиях в ультрафиолетовом диапазоне электромагнитных волн, отметим необходимость этих исследований при создании систем различного назначения, в том числе и активно работающих в ультрафиолетовом диапазоне спектра, так как их воздействие оказывает прямое влияние на тактико-технические характеристики создаваемых образцов техники и может создать ситуацию, сводящую их эффективность к нулю.
Цель работы
Целью настоящей работы является проведение теоретических и экспериментальньк исследований прозрачности атмосферы в горных условиях в ультрафиолетовом диапазоне электромагнитных волн:
- изучение влияния характеристик трасс (наличие облачного покрова,
изменение зенитного угла, длины волны и т.д.) на пропускание атмосферы
горной местности;
- исследование фоново-целевой обстановки в ультрафиолетовом
диапазоне электромагнитных волн в горных условиях;
- выявление общих закономерностей и особенностей распространения
ультрафиолетового излучения в горах, а также через облака.
Для достижения цели работы были поставлены и решены следующие задачи:
1. Экспериментально изучена тонкая структура коэффициента
ослабления ультрафиолетового излучения приземными слоями атмосферы.
Выполнены расчетные оценки прозрачности атмосферы для горной местности (высота 2100 м над уровнем моря) при различных характеристиках трассы.
Собран комплекс аппаратуры для исследования прозрачности атмосферы в горных условиях в ультрафиолетовом диапазоне электромагнитных волн.
Разработана программа-методика проведения экспериментов и измерений и проведены испытания по изучению интенсивности УФ излучения от эталонных источников излучения сквозь облачный покров и
при чистой атмосфере.
5. Исследована фоново-целевая обстановка в ультрафиолетовом
диапазоне электромагнитных волн в горных условиях.
6. Выявлены общие закономерности особенностей распространения
ультрафиолетового излучения в горах, а также через облака.
Научная новизна
В работе впервые получены следующие результаты:
1. Подтвержден факт отсутствия существенного поглощения
ультрафиолетового излучения на водяных парах и показана возможность
обеспечения работы оптических систем в данном спектральном диапазоне в
условиях тумана и облачности (на дальностях до нескольких км).
2. Экспериментально доказана возможность осуществления
ультрафиолетовой связи не только в тумане и в условиях осадков типа снег и
дождь, но и внутри облака.
Экспериментально показана возможность определения направления на источник ультрафиолетового излучения в облаке с точностью до единиц градусов.
Подтверждена возможность проведения ультрафиолетовой локации в сложных метеоусловиях, в частности, для решения проблемы посадки летательных аппаратов при низкой облачности.
Практическая ценность
В работе представлен широкий комплекс теоретических и экспериментальных исследований прозрачности атмосферы в горных условиях в ультрафиолетовом диапазоне электромагнитных волн. Полученные данные представляют научный и практический интерес и могут быть использованы для решения задач, связанных с проблемами распространения оптического излучения в атмосфере, позволяющих повысить эффективность работы оптико-электронных систем с учетом пропускания оптического излучения в ультрафиолетовой области электромагнитных волн при их использовании в горной местности.
Результаты исследования распространения ультрафиолетового излучения в жидкокапельных образованиях (туманы, облака) в высокогорных условиях внедрены в ФГУП "Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений" (ФГУП "ВНИИОФИ") (г. Москва) и используются для учета особенностей оптических характеристик атмосферы в горной местности:
- при создании методов и средств обеспечения единства прецизионных
измерений подстилающей поверхности земли при съемках из космоса;
- при использовании Государственного первичного эталона единиц
спектральной плотности энергетической яркости, спектральной плотности
силы излучения, спектральной плотности энергетической освещенности в
диапазоне длин волн 0,25-25,0 мкм; силы излучения и энергетической
освещенности в диапазоне длин волн 0,2-25,0 мкм.
Положения, выносимые на защиту
1. Результаты расчетных оценок прозрачности атмосферы для горной местности (высота 2100 м над уровнем моря) при различных характеристиках трассы.
2. Данные экспериментальных исследований прохождения в горной
местности УФ излучения от эталонных источников через облачный покров и
при чистой атмосфере с различных позиций.
3. Данные экспериментальных исследований фоново-целевой
обстановки в ультрафиолетовом диапазоне электромагнитных волн в горных
условиях.
4. Результаты исследований по выявлению общих закономерностей и
особенностей распространения ультрафиолетового излучения в атмосфере в
горах, а также через облака.
Апробация полученных результатов
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-практических конференциях и семинарах:
1. XXIII Международной конференции «Уравнения состояния
вещества», Эльбрус, 2008 г.
XXIV Международной конференции «Interaction of intense energy fluxes with matter», Эльбрус, 2009 г.
IV Всероссийской научной конференции «Наука и устойчивое развитие», Нальчик, 2010 г
Научных геофизических семинарах ВГИ.
Личный вклад автора
Автором работы лично:
проведены теоретические расчеты;
принято участие в постановке и проведении экспериментов;
выполнен анализ результатов экспериментальных измерений.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы. Общий объем работы составляет 145 страниц машинописного текста, включая 82 рисунка, 7 таблиц. Список литературы содержит 109 наименований.
Физические модели пропускания атмосферы в ультрафиолетовом диапазоне спектра
Как видно из рисунка 4, для более низкого атмосферного слоя на высоте 3-3,2 км максимум селективной прозрачности сдвинут в сторону длинных волн (Лтах — 4700А) и коэффициент ослабления меньше, чем на высоте 3-5,5 км; кроме того, существенно больше компонента нейтрального ослабления d.
Наиболее существенным результатом описанных исследований является обнаруженный дневной ход величины аэрозольного ослабления 8 над Эльбрусом. В часы, близкие к полудню (9-15 часов), неизменно наблюдается полное отсутствие полос селективного поглощения аэрозолей: точки, представляющие величину к, хорошо ложатся на кривую релеевского рассеяния, где к - f(k), измеренное в полдень. Таким образом, в полдень максимального значения аэрозольное ослабление 5 достигает в ранние утренние и вечерние часы, за исключением немногих дней, когда 5 в течение всего дня было равно нулю.
Как видно из приведенных данных, селективное поглощение неизменно присутствует в слоях атмосферы выше 2 км. Естественно, что эта компонента может быть приписана только аэрозолям. Размеры частиц, из которых они состоят, убывают с высотой, о чем свидетельствует сдвиг максимума поглощения в сторону малых длин волн с ростом высоты над уровнем моря.
Составить представление о величине этих частиц аэрозоля возможно, если считать для аэрозоля справедливой теорию Хоутона для капель воды в атмосфере. Теория Хоутона дает для А = 3800 А величину радиуса частицы г = 0,39 мкм.
Спектральная кривая величины к(Х) Хоутона, рассчитанная по формуле Страттона-Хоутона для г = 0,39 мкм, нанесена пунктиром (в относительных единицах) на рисунок 2. Как видно из рисунка, ширина наблюдаемой кривой значительно меньше теоретической. Обратное явление было бы легко объяснимо вследствие неоднородности размеров частиц. Большая же теоретическая ширина полосы говорит не в пользу теории Страттона-Хоутона. Меньшую ширину теоретической кривой можно получить, если учесть спектральные изменения показателя преломления, при учете которых кривые резко сужаются, приобретая характер узких полос.
Неоднократно наблюдавшаяся корреляция поглощения с влажностью подводит вплотную к вопросу о природе рассматриваемого слоя аэрозолей. Частицы, из которых он состоит, не могут быть частицами почвы, обусловливающими вследствие своих больших размеров нейтральную компоненту прозрачности в самых нижних слоях атмосферы.
В измерениях слоя на высоте от 3 до 5,5 км этот фактор исключен, что ясно видно, например, из данных 17 июля 1940 г.[60]. Весь этот день в ущелье наблюдалась устойчивая, густая желтовато-серая дымка, однако величины 5, измеренные на станции Старый Кругозор, оказались близкими к нулю вместо роста селективной прозрачности, который имел бы место в случае, если бы причиной ее были частицы, составляющие дымку, т.е. частицы почвы. Наоборот, селективная прозрачность 17 июля 1940 г. отсутствовала вследствие крайне малой влажности, наблюдавшейся целый день.
Таким образом, частицы исследованного слоя аэрозолей это или водяные капли, или частицы льда.
В пользу первого предположения говорит тот факт, что аналогичные полосы поглощения были обнаружены в составе капельножидких облаков верхнего яруса. С другой стороны, за лед говорит тот факт, что температура воздуха над фирновыми полями Эльбруса рано утром и поздно вечером обычно ниже нуля. В этих условиях луч проходит /з пути. Кроме того, как показал Гетц, кривая Страттона-Хоутона, пересчитанная для льда, дает более узкие полосы.
Вероятно, правильным является допущение существования одновременно двух фаз - капель воды и частиц льда. Присутствие обеих фаз вместе с распределением частиц по радиусам определяет наблюдаемую форму полос поглощения.
Слой мелкодисперсных аэрозолей следует рассматривать как постоянную компоненту тропосферы, а не как загрязняющий фактор местного значения. Верхняя граница слоя находится значительно выше 6 км. Этот слой можно увидеть в горах при благоприятных условиях в рассеянном свете на высоте более 3 км в виде темно-синей полосы дымки у горизонта перед восходом Солнца и сразу после заката. Цвет полосы определяется формой кривой б, возрастающей в видимой области вплоть до ее конца {X = 4000 А). Эта синяя полоса дымки неизменно отсутствует при малой влажности воздуха, что, по-видимому, свидетельствует о справедливости идентификации этой дымки со слоем селективного поглощения.
На основании изложенного цикла исследований школы С.Ф.Родионова, можно считать установленным следующее: 1) наличие селективного поглощения в нижних слоях атмосферы с максимумом в ближнем УФ, которое может быть приписано слою мелкодисперсных аэрозолей, состоящих из водяных капель, радиусом порядка 0,4 мкм; 2) длина волны максимума поглощения смещается в коротковолновую часть с увеличением высоты над уровнем моря, что указывает на уменьшение радиуса частиц с высотой; 3) нейтральная компонента поглощения с ростом высоты уменьшается; 4) дневной ход аэрозольного поглощения коррелирует с ходом влажности, что указывает на водную природу аэрозолей; 5) селективно поглощающие аэрозоли следует рассматривать как постоянную компоненту атмосферы, присутствующую и на высотах, больших 2 км, а не как случайный фактор местного значения. Обратим внимание, что данные факты противоречат сложившейся точки зрения о монотонном ухудшении прохождения излучения с уменьшением длины волны. Приведенные результаты ранее проведенных экспериментальных исследований показывают сложный механизм поглощения УФ излучения при прохождении через аэрозольные образования.
В данном случае изучалось в первую очередь прохождение излучения через водную аэрозоль. Измерения проводились для X 3000 А, однако с точки зрения практического использования большой интерес представляет более короткий спектральный диапазон (X 3000 А), так как он является солнечно слепым. При работе оптико-электронных приборов в нем отсутствует излучение Солнца, вследствие поглощения озоновым слоем Земли, и, следовательно, отсутствуют помехи вызванные им [61-63].
Следует также отметить, что в УФ диапазоне спектра, особенно в его коротковолновой части, наблюдается явление практически отсутствия поглощения в туманах малой плотности и определяющим фактором становится рассеяние на частицах воды без существенного поглощения. Поэтому для оценок при достаточно большой МДВ можно выбрать модель, в которой имеются только два фактора: релеевское рассеяние и озоновое поглощение.
Коэффициент ослабления ультрафиолетового излучения атмосферой
Концентрация молекул кислорода 02 вблизи поверхности Земли практически постоянна [73]. Поэтому потери энергии излучения за счет поглощения 02, также как и потери за счет релеевского рассеяния не зависят от метеорологических условий. В отличие от кислорода О0 концентрация озона N03 вблизи поверхности Земли изменяется в зависимости от метеоусловий, широты, времени года. Так, в полярной зоне N03 составляет 5-10 см г а в тропической зоне — 10 см . Концентрация озона увеличивается во время грозы, а также при увеличении количества метана (болотистая местность) и окиси азота. Состоянием атмосферы (влажность, запыленностью и другими характеристиками) определяется коэффициент аэрозольного рассеяния s p ), который связан также с природой, размерами и концентрацией рассеивающих частиц [74-76]. На рисунке 6 представлены усредненные значения коэффициентов ослабления s(X) для туманов, дымок и слабо затуманенной атмосферы, полученные в Калифорнии [77]. На рисунке 7 (а, б) приведены результаты измерений коэффициентов ослабления на трассе в районе Карельского перешейка [78]. Для сравнения, на этом же рисунке 7(6) приведены кривые, полученные в Калифорнии, для аналогичных метеоусловий. Здесь под видимостью Sm понимается величина. Экспериментальные данные обеих работ хорошо согласуются. Заметное расхождение наблюдается лишь при малых значениях видимости Sm = 4-5 км. Это можно объяснить тем, что измерения в [77] проводились во время дождя (сплошные кривые), а не при дымке, как это имело место в [78]. При переходе в коротковолновую часть спектра величина s(A-) резко возрастает, особенно для хорошей прозрачности атмосферы (Sm —100 км). В области около 230 нм кривые s(A-) почти совсем сходятся. Здесь ослабление мало зависит от дальности видимости Sm, т.к. основную роль играет поглощение излучения, а не рассеяние.
Действительно, это видно из рисунка 7 (а, б), где представлены кривые отдельных составляющих показателя ослабления атмосферы, а также суммарные кривые показателя ослабления s(A-) при трех часто наблюдаемых значениях концентрации озона в воздухе. Из сравнения расчетных и экспериментальных кривых видно, что в области спектра 250-300 нм основную роль в поглощении играет озон. Кислород начинает заметно поглощать в области длин волн с 250 нм в сторону более коротких. Поэтому ослабление в области X 250 нм слабо зависит от дальности видимости Sm, чем и объясняется сходимость различных кривых s(l).
Для области 250-290 нм потери энергии излучения за счет поглощения могут быть одного порядка с потерями за счет рассеяния.
Аэрозольное рассеяние в области спектра 250-300 нм вносит сравнительно небольшой вклад в общее ослабление. В длинноволновой области УФ диапазона (к 300 нм) преимущественную роль в ослаблении играет рэлеевское и аэрозольное рассеяния. Поэтому изменчивость характеристик аэрозоля, связанная с метеоусловиями, при X 300 нм сказывается наиболее сильно, что и проявляется в заметном расхождении экспериментальных кривых s(A,) при различных Sm.
Вкратце остановимся на оптических свойствах аэрозолей. Под аэрозолем понимаются твердые частицы или капельки жидкости, всегда содержащиеся в атмосфере. Диапазон их размеров от гя 10 3 мкм до г « 10 2 мм. Высотное распределение аэрозолей представлено на рисунке 8.
Из рисунка 8 видно, что максимальное значение концентрации аэрозолей Ыаэр не превышает 500-700 в кубическом сантиметре. Обычное значение Naap вблизи поверхности Земли составляет 500-100 см"3 [79]. Такого количества аэрозолей оказывается достаточно, чтобы изменить оптические свойства атмосферы. Например, в тумане число водяных капель составляет порядка 400 см"3, а такое количество, как видно из рисунка 8, увеличивает коэффициент ослабления s(A,) в видимом диапазоне спектра почти на два порядка. Характерный радиус капель тумана примерно 5-7 мкм. Рассеяние на частицах большого размера описывается теорией Ми [80, 81]. Отметим самое основное в этой теории.
Вводится фактор эффективности рассеяния К(а); он показывает, во сколько раз эффективное сечение рассеяния одной частицей больше ее геометрического сечения. Показатель ослабления имеет вид
Кроме размеров частиц, К(а) зависит от показателя преломления вещества п(А,), формы частицы и некоторых других причин. Зависимость К(А,) для сферических частиц с показателями преломления п = 1,33 (водяные капли) и 1,5 показана на рисунке 9.
График функции К(а) проходит через начало координат: при а = 0, т.е. г = 0, частиц нет, ослабление не происходит. Затем быстрый рост К(а) в области малых а (г А.) соответствует области применимости закона Рэлея: Ipac(a) "4-Далее рост К(А,) замедляется и К(а) достигает первого максимума. В случае воды с п = 1,33 максимум имеет место при а 4,1, т.е. тогда, когда г А.. Т.е. при фиксированной концентрации аэрозолей ослабление максимально для частиц, радиус которых г X.
Особенности оценки спектральной прозрачности атмосферы в ультрафиолетовом диапазоне длин волн
Имеются три основных фактора, определяющих ослабление оптического излучения при распространении в атмосфере [52, 57, 106]: 1) молекулярное рассеяние (MP); 2) молекулярное поглощение (МП); 3) аэрозольное ослабление (АО). Первый фактор, воздействие которого сильно возрастает с уменьшением длины волны, особенно заметен в УФ диапазоне. Причем MP, вызываемое флуктуациями молекул воздуха в элементарном объеме, поддается довольно точному количественному описанию и потому не вызывает больших трудностей в прогнозах прозрачности во всей толще атмосферы. МП определяется вращательно-колебатательными (инфракрасный диапазон) и электронными (УФ диапазон) переходами в полосах поглощения молекул, из которых состоит воздух (Н20, С02, 03 и т д). При распространении УФ излучения в атмосфере основными факторами, приводящими к ослаблению излучения, являются молекулярное поглощение и ослабление (поглощение и рассеяние) излучения дисперсной фазой атмосферного аэрозоля [19, 107]. Солнечное излучение в средней атмосфере может ионизировать и диссоциировать молекулы газов, образуя реакционноспособные ионы и радикалы. Радиационные процессы в атмосфере в основном определяются поглощением излучения озоном в стратосфере и мезосфере (Н = 20...70 км) и молекулярным кислородом. То есть, основными поглощающими компонентами в УФ области спектра являются кислород и озон. При этом существуют следующие спектральные диапазоны поглощения этими газами [1, 108]: LB диапазоне 0,175...0,2 мкм — полосы поглощения Шумана-Рунге для кислорода 02. Коэффициент поглощения на одну молекулу находится в пределах 10-23... 10-22 см2. 2. В диапазоне 0,2...0,242 мкм - континуум Герцберга 02. Коэффициент поглощения на одну молекулу находится в пределах 10Г24..ЛОГ23 см2. До 0,26 мкм расположены слабые полосы поглощения Герцберга для кислорода Ог с коэффициентом поглощения 10"24.. .5- Ю-23 см2. 3. В диапазоне 0,242...0,31 мкм - мощная полоса поглощения Хартли для озона Оз с центром 0,255 мкм. Максимальный коэффициент поглощения в этой полосе составляет 1,08-Ю-17 см2.
При прохождении через всю атмосферу на поглощение УФ излучения значимое влияние оказывает озоновый слой, располагающийся в стратосфере и мезосфере, определяя так называемый «солнечно-слепой» спектральный диапазон [39, 63, 19].
На рисунке 17 приведены спектральная зависимость прозрачности вертикального столба атмосферы и ее составляющие, обусловленные поглощением излучения озоном и молекулярным кислородом. На рисунке 18 приведены такие же зависимости спектральной прозрачности для приземной трассы визирования.
Как видно из графиков, прозрачность атмосферы левее 0,24 мкм в основном определяется поглощением излучения кислородом. Слабый коэффициент поглощения Ог в континууме Герцберга (10 24...10-23 см2) компенсируется высокой концентрацией молекул кислорода у поверхности Земли ( 5-10 см ), а мощная полоса поглощения озона Хартли с коэффициентом поглощения 10 см из-за низкой концентрации молекул Оз оказывает существенно меньшее влияние на общую прозрачность по сравнению с кислородом.
Инженерная методика расчета прозрачности атмосферы в диапазоне 0,22... 14 мкм, являющаяся отечественным нормативным документом по оценке прозрачности атмосферы, разрабатывалась ГОИ им. С.И.Вавилова совместно с кооперацией предприятий под эгидой Межведомственного научно-технического координационного совета по целям и фонам. Разработка велась в интересах отработки информационного тракта космического эшелона системы предупреждения о ракетном нападении, и область ее применения, прежде всего, распространялась на условия наблюдения из космоса. При этом не требовалось особой детализации условий наблюдения в приземном слое, что существенно упростило подход к описанию особенностей пропускания излучения в наиболее оптически изменчивом слое - нижней тропосфере (особенно до высот облаков нижнего яруса — 2 км). Этим обстоятельством объясняются некоторые особенности учета поглощения излучения атмосферными газами в УФ области спектра. В частности, методика не учитывает поглощения УФ излучения молекулами Ог, хотя влияние этого газа для приземных трасс наблюдения в УФ области спектра, как показано выше, может быть существенным.
В связи с указанными недостатками, нами была разработана методика расчета прозрачности атмосферы, учитывающая поглощение УФ излучения молекулами различных газов применительно к горным условиям, суть которой изложена ниже.
Для узкополосного излучения состоятельной количественной характеристикой локальных энергетических потерь линии излучения на единицу длины распространения, обусловленных молекулярным поглощением, является объемный коэффициент молекулярного поглощения а,„ (км-1) на заданной длине волны XQ центра линии.
Изучение интенсивности УФ излучения от эталонных источников излучения сквозь облачный покров и при чистой атмосфере с различных позиций в горной местности
Собран комплекс аппаратуры для исследования прозрачности атмосферы в горных условиях в УФ диапазоне электромагнитных волн.
Разработана программа-методика проведения экспериментов и измерений. Проведенные эксперименты по изучению интенсивности поглощения УФ излучения от эталонных источников излучения облачной средой и при чистой атмосфере с различных позиций в горной местности показали, что, несмотря на полное поглощение сигнала в видимой части света, УФ сигнал от источника излучения поступал на приемное устройство, но при этом был размытым.
Это явление подтверждает, что в УФ области спектра происходит рассеяние жидкокапельными образованиями облака. Таким образом, наличие облачного покрова приводит к ослаблению сигнала и появлению размытости (увеличены геометрические размеры) наблюдаемых источников излучения.
Кроме того, экспериментально установлено, что коэффициент поглощения УФ излучения в спектральном диапазоне измерений при чистой атмосфере на высоте 2000 м равен 0,23 км"1, а при прохождении через облачный покров в данных условиях наблюдения — 0,46 км" . 4. Исследование фоново-целевой обстановки в УФ диапазоне электромагнитных волн в горных условиях показало, что наибольший средний относительный контраст для выбранных для исследования объектов по отношению к естественным фоновым образованиям в видимом диапазоне больше чем в УФ диапазоне. 5. Проведенные исследования по выявлению общих закономерностей, особенностей распространения УФ излучения спектрального диапазона измерений в горных условиях при различных метеоусловиях дали следующие результаты: -УФ сигнал способен преодолевать расстояния, превышающие МДВ в десятки раз; - проведенные измерения подтвердили факт отсутствия существенного поглощения УФ излучения жидкокапельными образованиями тумана и облака (эффект С.Ф.Родионова) и противоречат стандартным выводам из модели Лоутран (в приближении однократных столкновений); -экспериментально доказана возможность осуществления УФ связи на дальностях до нескольких километров не только в условиях тумана, осадков типа дождь и снег, но и внутри облака; - экспериментально показана возможность определения место нахождения источника УФ излучения при различных метеоусловиях (туман, облачность, осадки типа дождь и снег) с точностью до одного градуса; - экспериментально подтверждена возможность проведения ультрафиолетовой локации в сложных метеоусловиях, в частности, для решения проблем посадки летательных аппаратов при низкой облачности. В данной работе исследована прозрачность атмосферы в горных условиях в УФ диапазоне электромагнитных волн. Выполнены теоретические расчеты и проведены экспериментальные исследования, на основе которых получены следующие результаты: 1. Показана актуальность проведения исследований прозрачности атмосферы в горных условиях, связанных с возможностью избежать влияния наиболее непредсказуемого воздействия на прохождение излучения аэрозольных образований, вызванных промышленной деятельностью человека. 2. Проведенный анализ имеющейся информации показал, что коэффициент ослабления излучения уменьшается по мере увеличения длины волны, т.е. коэффициент прозрачности атмосферы растет при приближении к диапазону длины волны 0,3 мкм. 3. Выполнены расчетные оценки прозрачности атмосферы для горной местности (высота 2100 м над уровнем моря) при различных характеристиках трассы. В результате получено, что уменьшение зенитного угла распространения УФ излучения для длин волн 0,21...0,35 мкм приводит к возрастанию его пропускания в атмосфере; чем больше МДВ, тем больше пропускание атмосферы; при МДВ 30 км увеличение пропускания УФ излучения с увеличением зенитного угла на 1 град составляет примерно 18 %; при МДВ менее 23 км с изменением значений зенитных углов пропускание атмосферы практически не изменяется; с увеличением протяженности оцениваемых трасс пропускания УФ излучения также уменьшается 4. Собран комплекс аппаратуры для исследования прозрачности атмосферы в горных условиях в УФ диапазоне электромагнитных волн. 5. Разработана программа-методика проведения экспериментов и измерений. 6. Проведенные эксперименты по изучению интенсивности поглощения УФ излучения от эталонных источников излучения облачной средой и при чистой атмосфере с различных позиций в горной местности показали, что, несмотря на полное поглощение сигнала в видимой части света, УФ сигнал поступал на приемное устройство, но при этом был размытым. Это явление подтверждает, что в УФ области спектра наблюдается рассеяние жидкокапельными образованиями облака. Таким образом, наличие облачного покрова привело к ослаблению сигнала и появлению размытости наблюдаемых источников излучения. Кроме того, экспериментально установлено, что коэффициент поглощения УФ излучения спектрального диапазона измерений в горных условиях на высоте 2000 м при чистой атмосфере равен 0,23 км"1, а при прохождении через облачный покров - 0,46 км"1. 7. Исследование фоново-целевой обстановки в УФ диапазоне электромагнитных волн в горных условиях показало, что наибольший средний относительный контраст для выбранных для исследования объектов по отношению к естественным фоновым образованиям в видимом диапазоне больше чем в УФ диапазоне. 8. Проведенные исследования по выявлению общих закономерностей, особенностей распространения УФ излучения в горных условиях при различных метеоусловиях дали следующие результаты: — проведенные измерения подтвердили факт отсутствия существенного поглощения излучения УФ диапазона жидкокапельными образованиями тумана и облака (эффект С.Ф.Родионова) и противоречат стандартным выводам из модели Лоутран (в приближении однократных столкновений); -экспериментально доказана возможность осуществления УФ связи на дальностях до нескольких километров не только при тумане, осадках типа дождь и снег, но и внутри облака; - экспериментально показана возможность определения место нахождения источника УФ излучения при различных метеоусловиях (туман, облачность, осадки типа дождь и снег) с точностью до одного градуса.
