Введение к работе
Актуальность темы
В данной работе приведены результаты экспериментальных исследований эмиссионных спектров лазерной плазмы, генерируемой на поверхности конденсированных сред, а также результаты исследования спектров флуоресценции хлорофилла "А" фитопланктона в натурных условиях. Актуальность постановки такой работы вызвана тем, что роль активных дистанционных методов зондирования в исследовании окружающей среды постоянно возрастает, возрастает так же потребность в разработке новых методов дистанционного зондирования и расширении возможностей уже существующих методов. К разработке нового метода зондирования относится та часть работы, которая направлена на исследование особенностей формирования эмиссионных спектров лазерной плазмы, генерируемой на поверхности конденсированных сред. В работах [1, 2, 3, 4] была предложена методика использования лазерной эмиссионной спектроскопии для анализа элементного состава жидких сред, продемонстрирована возможность измерения элементов, входящих в макрокомпоненты состава морской воды. Одна из особенностей применения данного метода к анализу состава жидкостей состоит в том, что оптический пробой происходит при нормальном давлении атмосферы, это может приводить к ряду эффектов, которые будут влиять на чувствительность данного метода. Исследование пространственно-временных характеристик плазменного факела, а также особенностей формирования эмиссионных спектров элементов, возбуждаемых при оптическом пробое, необходимо для определения оптимальных условий генерации плазменного факела и оптимальных условий регистрации эмиссионных спектров, при которых возможно реализовать максимальную чувствительность метода лазерной эмиссионной спектроскопии жидких сред.
Актуальность постановки дополнительных исследований по лазерной флуориметрии хлорофилла "А" фитопланктона обусловлена необходимостью
решения ряда проблем, ограничивающих применение данной методики для лидарного зондирования фитопланктона. К таким вопросам можно отнести измерение концентрации фитопланктона в "районах с различным видовым составом фитопланктона, во фронтальных зонах с резкими изменениями температуры, измерение концентрации в морских водах, относящихся ко второму классу. Кроме того, применение лазерной лидарной флуориметрии фитопланктона для калибровки пассивных методов измерения концентрации фитопланктона (5|, ставит задачу влияния состояния морской поверхности и глубинного распределения фитопланктона [6] на правильность калибровки по данным лидарного зондирования. Этим крутом задач определяется актуальность разработки экспериментального метода, позволяющего проводить, в натурных условиях, исследования связи характеристик спектров флуоресценции с концентрацией фитопланктона в различных классах вод Мирового океана.
Цель работы
Экспериментально исследовать особенности формирования эмиссионных спектров лазерной плазмы, возбуждаемой на поверхности конденсированных сред в газовой атмосфере. Исследовать пространственно-временные характеристики лазерной плазмы, определить оптимальные условия регистрации и возбуждения эмиссионных спектров для обеспечения максимальной чувствительности метода лазерной эмиссионной спектроскопии.
Провести разработку метода лазерной флуориметрии для проведения измерений концентрации хлорофилла "А" фитопланктона на морских акваториях при наличии больших температурных градиентов и в районах содержащих различный видовой состав фитопланктона.
Научная новизна
Обнаружены и объяснены новые физические эффекты заключающиеся:
в сдвиге центров эмиссионных линий элементов лазерной плазмы, генерируемой на поверхности мишеней, расположенных в газовой атмосфере;
в аномальном поведении эффекта самопоглощения эмиссионных линий в лазерной плазме с большой оптической толщиной.
Обнаруженные эффекты Штарковского смещения и Штарковского уширения эмиссионных линий в лазерной плазме применены для оценки электронной плотности и температуры плазмы. Что позволило измерить эти величины без рассмотрения вопроса о наличии термодинамического равновесия в лазерной плазме, генерируемой мощным лазерным излучением на поверхности мишеней, находящихся в нормальной атмосфере.
Определены оптимальные условия возбуждения оптического пробоя (многоимпульсное возбуждение) и оптимальные условия регистрации эмиссионных линий (пространственная селекция эмиссионных линий), которые позволяют поднять контраст эмиссионных линий, регистрируемых элементов на фоне непрерывного излучения плазмы.
Предложена и опробована, в натурных условиях, экспериментальная методика лазерной флуориметрии позволяющая исследовать зависимости интенсивности спектров флуоресценции от концентрации фитопланктона в районах с различным видовым составом и температурными градиентами.
Практическая значимость
Практическая значимость работы определяется следующим:
Регистрация Штарковского смещения эмиссионных линий позволяет
проводить измерение электронной температуры и плотности неравновесной
лазерной плазмы, без рассмотрения вопроса о наличии локального
термодинамического равновесия в плазме. Данный результат представляет
практическую ценность не только для разработки метода лазерной эмиссионной спектроскопии, но и для диагностики неравновесной плазмы.
Результаты, полученные при исследовании пространственно-временных характеристик лазерной плазмы, генерируемой на поверхности жидкости, условий формирования эмиссионных спектров, при определении оптимальных условий регистрации и генерации эмиссионных спектров, позволяют разработать метод лазерной эмиссионной спектроскопии жидкости и получить максимальные чувствительности по обнаружению требуемых элементов. В работе проведена разработка макета судового спектрометра с использованием одноимпульсного возбуждения плазмы, которая применяется для исследования содержания макрокомпонент состава морской воды. Полученные результаты можно применить и при разработке лидарных вариантов лазерных эмиссионных спектрометров для дистанционного зондирования водных сред.
Разработка судового варианта лазерного флуориметра и результаты натурных измерений позволяют проводить работы по исследованию биопродуктивности районов мирового океана, а также отрабатывать методики калибровки пассивных методов измерения биопродуктивности океанических вод по спектрам восходящего излучения, включая калибровку спутниковых данных, в районах с градиентами температуры и различным видовым составом фитопланктона.
Апробация работы
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
- XI APS Topical Conference on Atomic Processes in Plasmas, Auburn, USA, 1998;
40-й Всероссийской Межвузовской научно-технической конференции, г. Владивосток, 1997;
15-ой конференции "Фундаментальная атомная спектроскопия" г. Москва, 1996;
13-th International conference on Spectral Lines Shapes, Italy, 1996;
- Intarnational symposium on Marine Science, Pussan, Korea, 1994;
- Second Annual Meeting of PICEC, Seattle, USA, 1993;
Результаты, полученные в диссертации, опубликованы в десяти работах.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы. Работа изложена на 109 страницах машинописного текста, включая 35 рисунков и список литературы из 52 наименований.
-
Сдвиг центров эмиссионных линий в лазерной плазме, генерируемой на поверхности конденсированных сред в нормальной атмосфере, вызван Штарковским эффектом смешения линий, который возникает при дополнительной ионизации плазмы на фронте ударной волны.
-
Эффект аномального самопоглощения эмиссионных линий в оптически плотной лазерной плазме, обусловлен Штарковским смещением эмиссионных линий, вызванным ударной волной в центральной, горячей области лазерной плазмы, и отсутствием такого смещения центров линий поглощения периферийных, холодных участков плазмы.
-
Методы повышения контраста эмиссионных линий, исследуемых элементов на фоне непрерывного излучения плазменного факела на поверхности жидкости: пространственная селекция (вьшеление регистрируемых линий из объема плазмы, расположенного над горячей зоной плазменного факела) и многоимпульсное возбуждение (с первым импульсом свободной генерации и последующими импульсами модулированной добротности).
4. Результаты экспериментальной разработки методики лазерной
флуориметрии, позволяющие учесть влияние различного видового состава
фитопланктона и изменения температуры морской воды при определении
концентрации хлорофилла "А" по спектрам флуоресценции в натурных
условиях.
