Введение к работе
Актуальность темы.
Малые газовые составляющие атмосфері,! (МГС). к числу которых относятся водяной пар, углекислый газ, озон, окислы азота и серы, угарный гал it целый, ряд других, являются оптически активными компонентами атмосферы и оказывают существенное воздействие на протекание таких атмосферных процессов, как погодообразование, загрязнение продуктами индустриальной деятельности человека, трансформация солнечного излучения, распространение оптических волн. В связи с этим возникает проблеми разработки соответствующих методов исследования газового состава атмосферы, обеспечивающих получение данных с высокой оперативностью и в значительных пространственных масштабах.
Этим требованиям наиболее полно удовлетворяют лазерные методы зондирования газовых компонент атмосферы, использующие следующие спектроскопические эффекты взаимодействия лазерного излучения с атмосферой как средой: резонансное поглощение, флуоресценция и комбинационное рассеяние. Наибольшим сечением взаимодействия из укатанных явлений обладает реотнансное поглощение, что и обуславливает высокую чувствительность лазерного метода дифференциального поглощения (МДП), использующего это явление.
К настоящему времени на практике реализованы лидарные и трассовые измерения концентрации водяного пара (P.M. Счстлэнд, США. 1964; B.F.. Зуев и др., 19S3). озона (Учино и др.. Япония, 1980), з.жиси а юта (Альтман и др., США, 1980) и целого ряда других МГС атмосферы, однако из-за технической сложности лидарных систем измерения носят эпизодический характер. В связи с этим ставится проблема повышения эффективности каждого измерения, решение которой возможно путем
минимизации ошибок лияарного зондирования по МДП. Впервые ошибки МДП были проанализированы в работе Счетлэнда, США, 1974, на примере зондирования' профилей влажности с помощью рубинового лазера. В последствии эта проблема анализировалась в работах многих авторов, однако исследования либо носили упрощенный характер, либо ограничивались конкретными параметрами лидаров и линии поглощения.
Разработка эффективных параметрических преобразователей частоты из монокристаллов тройных полупроводников ZnGeP2 , CdGeAs2 и JljAsSej., позволяющих путем генерации гармоник, суммарных и разностных частот излучения ИК молекулярных лазеров практически полностью, с плотностью до 0.001 см"1, перекрыть спектральный диапазон от 2 до 18 мкм, являющийся наиболее информативным с точки зрения лазерного газоанализа по методу дифференциального поглошения, ставит проблему поиска линий поглощения, оптимальных для лазерного зондирования матых газовых составляющих.
Исследованию возможностей зондирования профилей газовых
компонент атмосферы посвяшено достаточно много работ, прежде всего
Е.В. Броуэлла, Т.Д. Вилкерсона, С.Исмаила и т.д. Однако, эти
исследования ограничивались вполне конкретными заранее заданными
параметрами лидаров и линий поглощения МГС, а также условиями и
схемами зондирования. В средней ИК области спектра таких исследовании
практически не прводилось. '
Целью диссертационной работы является выяснение возможностей повышения эффективности лазерного зондирования профилей и усредненных по трассе зондирования концентраций малых газовых составляющих атмосферы методом дифференциального поглощения в различных схемах зондирования, диапазонах спектра, атмосферных и экологических ситуациях на основе численных методов моделирования и экспериментальных исследований.
Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Впервые лана количественная оценка влияния сдвига центра линии поглощения угарного rasa давлением воздуха на точность определения высотного профиля коэффиииента поглощения.
-
Предложено испольювать СО_>лаіерьі с различной шириной линии лазерного излучения при одиочастотнои схеме зондирования для определения конпеніраиий Мі С атмосфери
-
Впервые разработана методика поиска информативных хтин волн для лазерного газоанализа по МДП. Определены информативные длины волн зондирования МГС в области нетрадиционных частот излучения С02 лазера, суммарных и разностных частот СО и С02 лазеров.
-
На выбранных с помошыо разработанной методики поиска длинах волн зондирования проведены одновременные комплексные измерения ряда газовых компонент, в том числе угарного rata, закиси и окиси азота в различных атмосферных и '.экологически* ситуациях,
5. Проанализированы возможности лазерного зондирования
профилей, концентрации Н^О н СО на преобразованных частотах излучения
ИК молекулярных лазеров с помощью лидаров наземного и бортового
базирования.
Достоведность ре плыатов работы обеспечивается.
применением в расчетах оптико - метеорологических моделей атмосферы, обоснованных и подтвержденных экспериментальными исследованиями в рехтьной атмосфере. .
согласием результатов численного моделирования с экспериментальными данными и реіульїатамп соответствующих теоретических исследовании других авторов;
- экспериментальными исследованиями содержания МГС в атмосфере,
проведенными в различных атмосферных и экологических ситуациях и
согласующимися с результатами других авторов.
Научное и практическое значение результатов работы.
Приведенные в диссертации результаты позволяют повысить информативность лазерного зондирования МГС по трассовой схеме и даютУ основания для поиска оптимальных условий зондирования профилей МГС в реальной атмосфере. Они могут быть использованы для анализа потенциальных возможностей при проектировании новых лидарных систем дифференциального поглощения.
Использование результатов работы.
Полученные в диссертационной работе результаты использованы в Институте оптики атмосферы СО РАН при создании многоцелевого мобильного газоанализатора "Трал", выполнении контрактов с Южной Кореей, хоздоговорных работ и используются при разработке новых типов газоанализаторов и лидарных систем на базе стационарных крупногабаритных телескопов. Они могут быть также использованы при разработке перспективных лидарных систем самолетного и космического базирования.
Основные защищаемые положения:
1. Использование С02 лазеров с различной шириной линии
лазерного излучения при одночастогнои схеме зондирования позволяет
определять в области генеращга первой гармоники фоновые концентрации
углекислого газа, аммиака и водяного пара, а при зондировании на второй
гармонике одновременно определять фоновые концентрации угарного газа
и водяного пара, а также при зондировании СО и N0 избежать влияния
мешающего поглощения водяного пара.
2. Методика поиска, разработанная на базе предложенных критериев
отбора линий поглощения и линий излучения ИК молекулярных лазеров,,
позволяет определять информативные длины волн для лазерного
зондирования по методу дифференциального поглощения фоновых и
надфоновых концентраций малых газовых составляющих атмосферы.
Эффективность методики подтверждена натурными измерениями усредненных но трассе концентраций угарного газа, окиси и закиси азота в различных атмосферных и экологических ситуациях вплоть до их фоновых уровней.
3. Генератор второй гармоники излучения импульсных С02 лазеров с энергией излучения до 0.1 Дж и частотой повторения до 100 Гц обеспечивает, дпсіаниионное зондирование вертикального распределения водяного пара и угарного газа в приграничном слое атмосферы при наземном базировании лидара и выше пограничного слоя при самолетном базировании с пространственным разрешением 250 м.
Апробация результатов работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на III Международной конференции но лазерным наукам (Атлантнк сити, США. 19,87) Совет ско - болгарских семинарах "Лазерные методы и средства для измерения и контроля параметров окружающей среды" (София. НРБ, 1985, Москва, 1987. София, НРБ, 19S9), Международной конференции по лазерному и оптическому зондированию (Северный Фалмос, США, 19S7), Х1П Международной конференции по коїерентноіі и нелинейной оптике (Минск. 19SS). Ш Международной конференции 'Тенденции в квантової! электронике" (Бухарест. Румыния. 1988). VJ11, IX, X, XI Всесоюзных конференциях по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск, 1984, Туапсе, 1986, Томск, 1988. 1992). IX Вавичовской конференции по когерентной п нелинейной оптике (Новосибирск. 1987). IV Всесоюзном семинаре '"Применение лазеров в науке и технике" (Тольятти, 199!), VIII и X Всесоюзном симпоягуме по спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения (Красноярск, 1987, Омск. 1992).
Структура и объем диссертация.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка цитируемой литературы из 125 наименований и приложенію. Содержание
работы изложено на 142 страницах, содержит 10 таблиц и иллюстрируется 27 рисунками.
Похожие диссертации на Лазерный газоанализ атмосферы методом дифференциального поглощения на преобразованных частотах ИК молекулярных лазеров
