Введение к работе
Акту арность темы.
Роль, которую играют малые газовые составляющие атмосферы (МГСА) в отношении всего живого на Земле, весьма велика, и зто обусловливает значительный интерес к их исследованиям. Особое внимание вызывает распределение озона, который наряду с водяным паром и углекислым газом заметно влияет на перенос электромагнитного излучения в атмосфере и, что не менее существенно, обеспечивает биологическую защиту планеты от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца.
Считается, что при описании состояния озонного слоя и для прогнозирования трендов содержания озона необходимо наряду с содержанием озона контролировать содержание и распределение МГСА, участвующих в химических реакциях, определяющих озонный баланс " (а также МГСА, спектры поглощения которых маскируют спектры поглощения МГСА - участниц озонных химических циклов, если содержа-.-ние последних измеряется дистанционными оптическими методами). Список МГСА, подлежащих контролю, включает в себя, поёжде всего: озон Оз. углекислый газ СОг, водяной пар HzO;..метая СНІ. угарный газ. СО, окислы азота %0, N0, и ,N02, азотную кислоту ШОз . сернистый ангидрид ЗОг, галогеноЕОДороды HF, НС1 :і фреоны.
Наличие у ряда МГСА интенсивных полос поглощения в различных спектральных областях приводит к непосредственному их влиянию на тепловой режим атмосферы. Значительные изменения содержания N02, например, могут- привести к изменениям-количества поглощаемого атмосферой излучения в видимой,' наиболее значимой энергетически области спектра: Хлорфторметаны имеют интенсивные по-1 лосы поглощения в области окна прозрачности 8 - 12 мкм, и значительнее увеличение их содержания может привести к усилению парникового эффекта и глобальному потеплению. То же относится и. к углекислому газу, содержание которого заметая увеличивается за' счет антропогенных источников.
Приведенные' примеры показывают настоятельную необходимость изучения пространственно-временных вариаций' содержачия различных МГСА, своевременного обнаружения систематических трендов их содержания. Решение этих задач требует создания специальной систе-
мы мониторинга МГСА, состоящей из различных взаимодополняющих друг друга подсистем (наземной, аэростатней, самолетной 'и спутниковой) и реализующей комплекс различных методов измерения, каждый из' которых имеет оптимальную область применения, обусловленную совокупностью его достоинств и недостатков.
Важное значение при планировании и проведении дистанционных измерений, независимо от их типа, имеет характер зависимости погрешности восстановления вертикального профиля объемных долей МГСЛ от погрешностей измерения функционалов излу^ек..: и от спектральной селективности измерительного прибора. Анализ точности Есестановления вертикальных профилей ряда МГСА показал, что при высоком спектральном разрешении аппаратуры (~ 0,1 см'1) и погрешности измерения спектрального пропускания атмосферы < IX относительная априорная неопределенность объемных долей этих МГСА может быть уменьшена от -100Х до -30%. Из этих оценок следует, что требования к точности дистанционных измерительных приборов весьма высоки. Учитывая, что измеряемые функционалы излучения зависят не только от содержания измеряемых МГСА, но и от многих других компонентов атмосферы, селективно или неселективио ослабляющих излучение, высокая точность измерений требует от измерительных приборов высокой избирательности к измеряемым МГСА или одновременности измерений всех компонентов, влияющих на измеряемый функционал.
Идея одновременной регистрации излучения в нескольких информативных спектральных интервалах с целью увеличения отношения сигнап-шум привела к появлению корреляционной спектроскопии.
Наиболее просты схемы и конструкции газофильтровых корреляционных анализаторов (ГФА). в которых роль спектрального фильтра, согласованного со спектром поглощения исследуемой МГСА. играет оптическая кювета, заполненная некоторым количеством такой же МГСА. Эффективность корреляционного метода наиболее высока для МГСА. интервалы меаду линиями поглоаения которых в кювете существенно превышают полуширины этих линий при оптической толщине порядка максимальной ожидаемой для исследуемой среды.
Анализ источников погрешности надирных измерений с помощью ГА показал, что основная составляющая погрешности вызвана неоднородностью подстилающей поверхности как источника излучения и
- 5 г неиденткчкостыо оптических путей двух сравниваемых потоков излучения.
использование Солнца в- качестве источчика излучения позволяет исключить эти составляющие.
Применение ГОЛ для мониторинга МГСА в касательной геометрии (метод прозрачности) связано со специфическими проблемами. Прежде всего, при работе на борту 1'СЗ следует учитывать доплерозское смешение линий поглощения атмосферных газов относительно линий поглошекия тех же газов,' используемых в качестве спектральных зтазсноЕ г. ГФА. Это смещение возникает вследствие переме-д-зккя прибора вместе с носителем (JICS) относительно исследуемого участка атмосферы. В ближнем ИК диапазоне спектра оно имеет порядок полуширины линий поглощения при нормальном атмосферное-давления и приводит к уменьшению корреляции между спектром поглощения газа в атмосфере и газа в опорной кювете, т.е. к некоторому уменьшению сигнала от измеряемой КГСА, вазисящему от скорости J1C3 и ориентации его орбиты относительно линии визирования Солнца.
Далее, поскольку разность потоков б фотометрической, части 1 (.опорного и измерительного потоков.) существенно (на 2 - * порядка) меньие самих сравниваемых потеков, то к конструкции и узлам обработки сигналов ГФА предъявляются достаточно жесткие требования. В частности, в течение всего времени эксплуатации прибора необходимо обеспечивать:
высокую стабильность физико-химическсго состояния газового заполнения опорных оптических кювет;
стабильность пропусканий оптических элементов ка пути опорного измерительного потоков;
жесткость конструкции, достаточную для сохранение юстировки в условиях климатических и механических воздействий:
регулярный контроль з" смещением н. к с погрешностью ~ 10~5;
нормировку сравниваемых потоков по яркости потока, падающего на.входное окно ГФА, с погрешностью -*-1СГи в процессе, измерений;
регулярный контроль стабильности- градуировочкых характеристик.
- б -
Достоинства ГФЛ и наблюдаемый прогресс в разрешении проблем, связанных с применением корреляционного метода измерений, позволяют считать, что их роль в мониторинге МГСЛ будет возрастать, в особенности. в дистанционном мониторинге по методу прозрачности.
Целью диссертационной работы является исследование резерве? повышения точности газофильтрового метода измерений, применяемого в касательной геометрии, и разработка конструкгмЕно простой аппаратурной реализации метода.
Убєлїгїєниє точности затменных спутниковых измерений с помощью ГФА связано, в частности, с решением следующих задач:
обеспечение стабильности газового заполнения оптических кювет, играющих роль селективных спектральных фильтров;
контроль стабильности гравировочных кривых, определяемой стабильностью газового заполнения оптических кювет;
.- обеспечение независимости показаний ГФА от переменного неселективного ослабления излучения в атмосфере и в элементах оптической схемы ГФЛ, т.е. минимизация погрешности нормировки сравниваемых потоков при существенной нелинейности сеєтобьіх характеристик ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ФОТОПРИЄМНИКОВ, ПРИНЦИПИАЛЬНО им присущей;
контроль смещения нуля ГФА. которое может происходить вследствие неодинаковых изменений оптических свойств элементов, находящихся на пути сравниваемых потоков в фотометрической части ГФА;
обеспечение максимально высокого геометрического фактора измерительного прибора при минимальных габаритах элементов оптической схемы.
Научные положения, выносимые на запиту:
1. Регистрация показаний газофильтрового анализатора в момент' перед погружением линии визирован Солнца в атмосферу в рабочем а.актральном диапазоне, содержащем интенсивную часть полосы поглощения измеряемого газа, и в диапазоне вне полосы поглощения измеряемого газа при одновременной регистрации температуры оптической кюветы, содержащей эталон измеряемого газа, позволяет ' определить смещение нуля газоанализатора и уточнить вид градуироЕочной характеристики S(n). где S - показания газоанали-
затора, n - измеряемое содержание, непосредственно перед началом измерений.
-
В каналах измерения-СН4, НС1, HF, СО, N^O и N0 при. касательной геометрии измерений на высотах более 15 км смещение оценки не зависит от высоты,. поэтому для его компенсации достаточно из показаний, регистрируемых в процессе измерение, вычитать показания, зарегистрированные при прохождении линии визиро-ания вне атмосферы, без пр"менэкия каких-либо дополнительных устройств автоматического регулирования [35 - 37].
-
Поочередная коммутация сравниваемых потоков на един . и тот же фотоприеминк, при которой каждый из потоков модулируется по закону, содержащему в сесєм фурье-разложении вторую гармонику частоты модуляции, позволяет при надлежащем выборе отношения амплитуд первой и второй гармоник исключить погрешность нормировки измеряемой разности потокоз по их сумме, вызываемую нелинейностью световых характеристик полупроводниковых фотоприемников, при значительных изменениях сравниваемых потоков.
-
Применение светоделителей в сходящихся потоках позволяет построить оптическую схему, обладающую при заданных ограничениях на ее габариты максимальным геометрическим фактором.
Практически достигнутые результаты.
-
Разработаны и изготовлены: лабораторный светосильный образец,, самолетный и два спутниковых образца газофильтрового анализатора.
-
Произведена проверка работоспособности и градуировка: лабораторного образца как измерителя содержания метана в окружающем прибор воздухе; каналов измерения метана и хлористого водорода Сортовых образцов.
3.. Проведены лабораторные, приемо-сдаточные и автономные испытания бортовых образцов.
4. Проведены натурные испытания самолетного образца.
Апробация работы.
Варианты корреляционного способа измерения, применение которых приводит к уменьшению различных составляющих погрешности измерений, защищены тремя авторскими свидетельствам! на чешре -объекта изобретения (два способа и два устройства)..
Материалы диссертации докладывались на конференциях и сове-
іЦашшх:
I Всесоюзная конференция по анатазу неорганических газов, Ленинград, 1933 г.;
XII Совещание по актинометрии, Иркутск, 1934 г.;
Научно-техническая конференция по методам и средства',! автоматического контроля атмосферного воздуха и перспективам их расвытна, Киев, 1987 Г.;
II Всесоюзная конференция по анализу неорганических га-ген, Ленинград, JG9Q г.;
19 Сессия Европейского Геофизического общества, Лондон, 1992 г.;
ЇЛ Сессия Европейского Геофизического' общества, Мюнхен, 1994 г.;
23 Сессия' Европейского Геофизического сбшестза, Гаага,
конференциях прсддессорско-преподавательского состава Д5ЇИ в 1990 - 1992 гг.
' Материалы диссертационной работы изложены в двенадцати печатних трудах, опубликованных в научных журналах и сборника)? тезисен докладов на конференциях.
2іИктура и обгем работы.
Диссертация состоит из введения, пяти глаз, ааключенил п списка литературы, включающего 58 наименований (первый том), к приложений (второй том). Основная часть работы изложена на 108 страницах машинописного текста в первом томе. Работа содержит 10 таблиц и 21 рисунок.
