Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Спектроскопические методы лидарных измерений метеопараметров атмосферы и характеристик растительности 17
1.1 Спектроскопические эффекты взаимодействия лазерного
излучения с атмосферой, применяемые в лидарном зондировании 18
1.2 Физические основы и математический формализм лидарного метода дифференциального поглощения 24
1.3 Физические основы лидарного зондирования температуры и влажности атмосферы методом дифференциального поглощения 29
1.4 Физические основы метода индуцированной лазером флуоресценции 32
1.5 Краткие выводы по главе 1 38
ГЛАВА 2 Методические аспекты и аппаратурная реализация лидарных измерений метеопараметров атмосферы 40
2.1 Методика планирования и проведения лидарных измерений профилей температуры и влажности 40
2.2 Результаты поиска информативных длин волн для лидарных измерений метеопараметров атмосферы в области генерации лазера на сапфире с титаном 44
2.3 Результаты поиска длин волн, информативных для измерений метеопараметров атмосферы в области генерации СО-лазера 46
2.4 Метеорологический лидар МЕЛ–01 48
2.5 Применение лазера на парах стронция для решения задач лидарного зондирования метеопараметров атмосферы 55
2.6 Краткие выводы по главе 2 66
ГЛАВА 3 Численное моделирование лидарных измерений метеорологических параметров атмосферы 67
3.1 Численное моделирование лидарных измерений профилей температуры и влажности в ближней ИК-области спектра 67
3.2 Анализ возможностей лидарных измерений метеопараметров атмосферы в безопасной для глаз области спектра 2 мкм 70
3.3 Результаты численного моделирования лидарных измерений влажности атмосферы с помощью Sr-лазера 75
3.4 Результаты моделирования лидарных измерений метеопараметров атмосферы с помощью обертонного СО-лазера 77
3.5 Краткие выводы по главе 3 81
ГЛАВА 4 Дистанционное исследование фотосинтетического аппарата растений методом индуцированной лазером флуоресценции 82
4.1 Флуоресцентный лидар для исследования древесной растительности 82
4.1.1 Выбор длины волны излучения лазера 82
4.1.2 Описание лидара 84
4.1.3 Модернизация лидара 86
4.2 Результаты экспериментов 88
4.2.1 Сезонные измерения флуоресцентных характеристик 88
4.2.2 Влияние фоновой освещнности 91
4.2.3 Изучение процессов увядания хвои и листьев древесных растений 92
4.2.4 Спектры поврежднных растений 94
4.2.5 Определение содержания хлорофилла. Калибровка лидара 97
4.2.6 Влияние общего содержания озона на флуоресценцию древесных растений 100
4.3. Краткие выводы по главе 4 103
Заключение 104
Литература
- Физические основы лидарного зондирования температуры и влажности атмосферы методом дифференциального поглощения
- Результаты поиска информативных длин волн для лидарных измерений метеопараметров атмосферы в области генерации лазера на сапфире с титаном
- Анализ возможностей лидарных измерений метеопараметров атмосферы в безопасной для глаз области спектра 2 мкм
- Сезонные измерения флуоресцентных характеристик
Физические основы лидарного зондирования температуры и влажности атмосферы методом дифференциального поглощения
Основные результаты диссертационной работы докладывались на XV, XIX, XXV International Laser Radar Conference, (Томск – 1990, Annapolis, USA - 1998 и Санк-Петербург - 2010); 4 Всесоюзном семинаре Применение лазеров в науке и технике (Тольятти - 1991); на 11 Всесоюзном симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск - 1993); X, XIV, XV Симпозиумах по спектроскопии высокого и сверхвысокого разрешения (Омск - 1992, Красноярск – 2003, Нижний Новгород - 2006); II Российской научно-технической конференции «Современное состояние, проблемы навигации, и океанографии (Санкт-Петербург – 1995); на I - XX Межреспубликанских и Международных симпозиумах «Оптика атмосферы и океана», Томск - 1994, 1995, 1997, 1999, 2000, 2002, 2003, 2004, 2005, Иркутск - 2001, 2012, Красноярск – 2008, Томск -2009, 2011, Барнаул – 2013, Новосибирск – 2014); на Международной школе молодых ученых и специалистов «Физика окружающей среды», (Томск – 1998, 2002, 2004, 2006, 2007); International Conference on LASER 99, Quebec, Canada - 1999); на Международной конференции «Измерения, моделирование и информационные системы как средства реабилитации окружающей среды на городском и региональном уровне» (ENVIROMIS) (Томск – 2000, 2002, 2004); на XV Международной конференция "Высокие технологии в медицине, биологии и геоэкологии" (Новороссийск – 2007); на 17th и 18th International symposium Ecology & safety (Bulgaria- 2008, 2009); на 17 International Conference on Advanced Laser Technologies «ALT 09» (Antalya - 2009.); на Международном симпозиуме стран СНГ «Атмосферная радиация и динамика» (МСАРД–2009); С.-Петербург на XIV-XX Рабочих группах «Аэрозоли Сибири» (Томск 2007 – 2013).
Структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Во введении показаны актуальность решаемой задачи и состояние проблемы на настоящий момент времени, определены цели диссертационной работы, приведены защищаемые положения, дано описание структуры диссертации.
В первой главе приведены физические основы и математический формализм основных спектроскопических методов лидарного зондирования газового состава атмосферы и подстилающей поверхности, а именно метода дифференциального поглощения и дифференциальной оптической абсорбционной спектроскопии, метода комбинационного рассеяния и метода индуцированной лазером флуоресценции. Показаны основные области применения спектроскопических методов лидарного зондирования параметров молекулярной атмосферы и растительности, проводится анализ источников лазерного излучения, применяемых в лазерном газоанализе по МДП. Описаны критерии потенциальных возможностей лидарного зондирования метеорологических параметров атмосферы и характеристики численного моделирования.
Во второй главе приведено описание разработанной методики планирования и проведения эксперимента по восстановлению вертикальных профилей температуры и влажности методом дифференциального поглощения в нижней тропосфере. Методика создана на основе критериев отбора линий поглощения, проведения численного моделирования лидарного зондирования профилей влажности и температуры с использованием предложенных линий и расчта ошибок восстановления профилей. Методика была применена для поиска информативных длин волн зондирования метеопараметров атмосферы в видимой, ближней и средней ИК-областях спектра. Рассматривались возможности использования в качестве источников лазерного излучения в метеолидаре лазера на сапфире с титаном (диапазоны генерации в области 0.72 мкм; 0.76 мкм и 0.94 мкм) и обертонного СО-лазера с генерацией в области спектра 2.5–4.2 мкм. Приведено описание созданного метеорологического лидара МЕЛ–01, предназначенного для дистанционного измерения практически всех основных метеопараметров атмосферы, а именно: температуры, влажности, скорости и направления ветра. Показано, что часть линий излучения стронциевого лазера весьма сложно использовать при трассовом газоанализе атмосферы из-за сильного мешающего поглощения излучения водяным паром. Но наряду с линиями, которые полностью поглощаются на трассе длиной 1 км, в спектре Sr-лазера имеются линии, которые попадают в «микроокна» прозрачности атмосферы и могут быть использованы при дистанционном зондировании метеопараметров по МДП. С помощью созданного лидара на основе стронциевого лазера проведены тестовые эксперименты по лидарному зондированию водяного пара.
В третьей главе проведено численное моделирование и оценены потенциальные возможности лидарного зондирования метеопараметров атмосферы по МДП. Проведено численное моделирование зондирования профилей влажности и температуры атмосферы по МДП в ближней ИК-области спектра с помощью метеорологического лидара МЕЛ–01. Численное моделирование зондирования температуры на выбранных длинах волн выявило преимущество двухчастотной методики в области спектра 0.76 мкм, где ошибки практически не выходят за пределы 0.5 К. В летних условиях средних широт и в тропиках трехчастотный метод с использованием линий поглощения 0.72 мкм конкурентноспособен с двухчастотным методом зондирования раздельно температуры и влажности. В зимних условиях, особенно в условиях арктических широт, трхчастотный метод реализуется только при использовании 0.94 мкм. Проанализированы возможности определения высотных профилей метеорологических параметров атмосферы с помощью лидарной системы дифференциального поглощения, функционирующей в безопасной для глаз области спектра 2 мкм. Приведены результаты численного моделирования лидарного зондирования метеорологических параметров атмосферы с помощью обертонного СО-лазера. В четвертой главе показано, что применение импульсного (длительность 10– 15 нс) зондирующего излучения с интенсивностью 1–3 кВт/см2 позволило обеспечить анализ наиболее интенсивной быстрой флуоресценции наносекундного диапазона и одновременно дало возможность не выходить за рамки линейного взаимодействия оптического излучения с растительными структурами.
Представлена структурная схема лидарных измерений флуоресценции растений, описание методики и флуоресцентного лидара для измерения характеристик растительности. Закономерности сезонных изменений флуоресцентных характеристик являются общими для всех растений и позволяют использовать флуоресценцию для дистанционной оценки состояния растительности.
Полученные результаты подтверждают перспективность применения метода ИЛФ для проведения видовой идентификации древесных растений и определения процессов старения. Проведена серия экспериментов по изучению процессов увядания хвои и листьев древесных растений в связи с неблагоприятными факторами внешней среды. Для минимизации ошибок, обусловленных неоднородностью распределения флуоресцирующих пигментов по кроне, в эксперименте использовались ветки из средней части кроны, срезаемые с одних и тех же предварительно отобранных деревьев. Объекты исследования: осина, берза, сосна и кедр. На основе анализа спектрофотометрических данных и лидарных измерений проведена калибровка лидара, позволяющая по отношению сигналов ИЛФ определять концентрацию хлорофилла в древесных растениях, представлены результаты корреляционного анализа (коэффициенты корреляции) общего содержания озона (ОСО) и флуоресценции хлорофилла. Показано, что для большинства видов исследуемых деревьев выявлена отрицательная корреляция их флуоресценции с содержанием озона в стратосфере. Высокая степень корреляции исследуемых величин наблюдается для берзы и сосны.
Известно, что максимум информации при дистанционном определении состава и состояния атмосферы и подстилающей поверхности с высоким пространственно-временным разрешением и чувствительностью можно получить лишь оптическими методами с использованием в качестве источников излучения лазеров [1, 55-58]. Лазеры входят в состав лидарных систем, которые в настоящее время являются наиболее качественными инструментами для решения различных задач дистанционного лазерного зондирования.
Термин лидар является транслитерацией английского выражения LIght Detection and Ranging или LIDAR (т.е. световое обнаружение и определение дальности) [1]. Лидарное зондирование в общем случае является технологией получения и обработки информации об удалнных объектах с помощью активных оптических систем, использующих явления отражения света и его рассеяния в прозрачных и полупрозрачных средах.
Принципиальная схема лидара приведена на рисунке 1.1 [58]. В состав лидарной системы входит прежде всего лазерный передатчик (чаще всего импульсный), который для обеспечения требуемого разрешения по дальности должен испускать импульсы длительностью от единиц до сотен наномекунд. Многие системы применяют коллиматор луча в передающем блоке, чтобы уменьшить расходимость светового пучка перед отправкой в атмосферу. Передающая система должна в основном решать три задачи: улучшать коллимацию светового потока, осуществлять пространственную фильтрацию пучка и отсекать любое нежелательное излучение, включая побочное излучение таких лазеров.
Результаты поиска информативных длин волн для лидарных измерений метеопараметров атмосферы в области генерации лазера на сапфире с титаном
Развитие лазерных дистанционных методов измерения профилей основных метеорологических элементов (температура, влажность, давление, скорость и направление ветра) без использования метеорологических шаров-зондов в настоящее время имеет представляется актуальным и имеет практическую значимость. Лидарное зондирование атмосферы предлагает несколько методов дистанционного зондирования профилей метеорологических параметров, в основе которых лежит взаимодействие лазерного излучения с атмосферой. Причем из всех лидарных методов измерения профилей метеорологических параметров (таких, как, температура и влажность) можно выделить МДП, имеющий наибольшую чувствительность по сравнению с другими методами (комбинационное рассеяние, резонансная флуоресценция) [1].
В метеорологических лидарах может быть реализован как двухчастотный, так и трехчастотный МДП для зондирования метеопараметров. При двухчастотном методе одна линия излучения совмещается с линией поглощения водяного пара или кислорода, а вторая располагается в ближайшем микроокне прозрачности. Для восстановления высотных профилей концентрации водяного пара используется линия поглощения Н2О с минимальной температурной зависимостью, а профили влажности, как известно [69], определяется из соотношения UІ (h) и UІ (h +Ah) - принимаемые лидарные сигналы из зондируемых объемов атмосферы, удаленных на расстояние h и (h +ЛИ) от лидара на соответствующих длинах волн; Kt (h) - зависимость от высоты коэффициента поглощения на длинах волн в центре (і = 1) и вне контура (і = 0) выбранной линии поглощения водяного пара, рассчитываемая на основе априорной информации о распределении термодинамических параметров атмосферы и спектрального состава лазерного излучения.
При восстановлении вертикальных профилей температуры двухчастотным методом используется линия поглощения кислорода с максимальной температурной чувствительностью . Вертикальный профиль температуры при зондировании по двухчастотному методу может - модельный высотный профиль температуры; Е" - энергия нижнего состояния поглощающего перехода; q - объемное содержание водяного пара, взятое либо из данных лидарных измерений, либо из атмосферной модели; q0 = 0.2095 - объемное содержание кислорода в сухой атмосфере; bm(h) - модельный профиль плотности воздуха.
При практической реализации трехчастотной схемы лидарного зондирования профилей метеопараметров атмосферы две линии излучения лазера должны совпадать с двумя близкими по спектру линиями поглощения водяного пара с различной температурной зависимостью, а третья линия излучения должна находиться в ближайшем микроокне прозрачности. Профиль температуры может быть получен из следующего соотношения [71]: соответственно, энергия нижнего колебательно-вращательного уровня, интенсивность и полуширина при температуре Т0 и давлении Р0 для первой и второй линий поглощения водяного пара j = 1,2. Коэффициент ослабления a2(h) определяется аналогично a!(h) (выражение 1.14).
Полученные таким образом значения температуры в дальнейшем используются для расчета профилей коэффициентов поглощения при определении профилей водяного пара по формуле (1.1).
Случайные ошибки восстановления влажности и температуры по двухчастотной методике при ограничении лидарного сигнала дробовыми шумами, что соответствует использованию в лидаре ФЭУ, работающих в аналоговом режиме, определяются следующим образом [97, 112]:
Метод ИЛФ основан на возбуждении и регистрации флуоресцентного отклика исследуемого объекта. При облучении растения лазерный луч возбуждает фотосинтез в точке касания с листвой так же, как и видимая часть солнечной радиации. Основным пигментом, осуществляющим поглощение солнечной энергии в растениях в процессе фотосинтеза, является хлорофилл, причем основная роль в улавливании и трансформации солнечной энергии в хлоропластах растений принадлежит хлорофиллу а (Хл а). Абсорбируя свет, молекула хлорофилла возбуждается до определенного энергетического уровня. Когда она возвращается на основной уровень, энергия возбуждения либо тратится на химические реакции фотосинтеза, либо выделяется в виде тепла, либо излучается в виде флуоресценции. В зеленом листе, оптимально функционирующем при относительно слабой освещенности, поглощенные кванты распределяются следующим образом: 84% - на фотосинтез, 14% - на тепло и 2% - на флуоресценцию (см. рисунок 1.4а [72]).
Таким образом, флуоресценция возникает в результате реализации одного из путей дезактивации энергии возбужденных молекул Хл а. Под влиянием стресса, как видно из рисунка 1.4б, происходит перераспределение поглощенной энергии. При этом доля энергии, которая тратится на фотосинтез, уменьшается, а тепловая эмиссия и флуоресценция хлорофилла увеличиваются. На этом явлении основывается применение ИЛФ для ранней диагностики стрессовых ситуаций. а. Физиологическое состояние
Анализ возможностей лидарных измерений метеопараметров атмосферы в безопасной для глаз области спектра 2 мкм
Таким образом, создан отпаянный образец лазера на парах стронция средней мощностью 5 Вт с максимальной ЧСИ 15 кГц, работающий на 8 длинах волн 1,03; 1,09; 2,6; 2,69; 2,92; 3,06; 3,01 и 6,46 мкм, предназначенный для использования в лидарном зондировании.
Исследование поглощения парами воды излучения лазера на парах стронция. В работе [19] измерялся коэффициент поглощения парами воды излучения стронциевого лазера с длиной волны генерации = 6.45 мкм. Измеренный коэффициент поглощения оказался слишком большим для исследования атмосферного водяного пара на трассах порядка сотен метров (при прохождении трассы 100 метров остается всего лишь 2Ю"4 % посланной мощности), при этом была показана возможность осуществления контроля влажности атмосферы на сверхкоротких (до 1 м) трассах. Кроме того, был разработан и изготовлен лабораторный макет малогабаритного малоинерционного измерителя влажности на основе лазера на парах стронция.
Возможность создания измерителя влажности на более протяженных трассах на основе лазера на парах стронция, генерирующего в области 1-3 мкм, было обоснованно в работе [105]. В области длин волн 1-3 мкм стронциевый лазер имеет 5 атомных линий генерации с длиной волны Я=2.60, 2.69, 2.92, 3.01, 3.06 мкм и 2 ионные линии - X = 1.03, 1.09 мкм в области 1 мкм (таблица 2.5). В связи с этим определенный интерес представляло проведение модельного (лабораторного) исследования поглощения парами воды излучения Sr-лазера в указанной области в температурном диапазоне от 20 до 70С в аналитической кювете длиной 40 см. В таблице 2.5 представлены длины волны Sr-лазера и пропускание на них для 1 км и 40 см приземной трассы зондирования при температуре 20С.
Для измерения коэффициента поглощения парами воды излучения лазера на парах стронция на отдельных генерационных компонентах в области 1-3 мкм было предложено использовать селектор длин волн на основе дифракционной решетки с числом штрихов на мм - 300 [106]. Схема лабораторной экспериментальной установки, приведенная на рисунке 2.12, включает: активный элемент Sr-лазера (АЭ), поворотные зеркала (ПЗ-1 и ПЗ-2), дифракционную решетку (ДР), закрепленную на поворотном столике, аналитическую кювету с парами воды (АК), блок питания встроенного нагревателя (БП), датчик температуры (ДТ), измерители мощности (РМ), юстировочный лазер (ЮЛ) и монохроматор МДР-23. Выходная суммарная мощность лазера на парах стронция в ходе эксперимента составляла 600-800 мВт.
Оптическая схема селектора на основе ДР рассчитывалась таким образом, чтобы была возможность полного пространственного разрешения наиболее близких длин волн (3.01 и 3.06 мкм) в соответствии с выбранной геометрией схемы экспериментальной установки. Поэтому базовым углом падения для =3.06 мкм был выбран угол = 35. Это полностью фиксирует углы дифракции для остальных генерационных компонент. Для заданной геометрии оптической схемы были рассчитаны необходимые углы падения луча на дифракционную решетку (углы установки ДР) для селекции нужной длины волны. Излучение ЛПС под заданным углом падает на дифракционную решетку, от которой в выбранном направлении (-1 порядок дифракции) дифрагирует набор монохроматических пучков, один из которых (выбранный) после отражения от поворотного зеркала проходит через аналитическую кювету с парами воды.
Аналитическая кювета состоит из кварцевой трубки, и нагревательного элемента, заключенных в теплоизолирующий кожух. Сверху в отверстие трубки помещен зонд датчика температуры, служащий для контроля температуры. Входное и выходное отверстия кюветы открыты. Температура внутри кюветы регулируется нагревателем и контролируется датчиком температуры. Далее излучение направляется на входную щель монохроматора, который использовался для контроля настройки углового положения дифракционной решетки. Средняя мощность излучения до и после кюветы контролировалась измерителем мощности (РМ). Результаты исследования поглощения излучения ЛПС приведены на рисунке 2.13 [107].
Результаты исследования поглощения излучения Sr-лазера
В заключении следует отметить, что хотя проведенные эксперименты являются и предварительными, но, тем не менее, результаты исследования демонстрируют перспективность использования многоволнового лазера на парах стронция для проведения измерений макропараметров атмосферы. Таким образом, разработан и создан компактный многоволновой лазер на парах стронция для лидара дифференциального поглощения, проведен анализ на основе численного моделирования возможностей его применения в качестве источника ИК лазерного излучения для зондирования различных атмосферных техногенных примесей в лабораторных и лидарных дистанционных измерениях, а также исследовано поглощение парами воды излучения лазера на парах стронция.
Эксперименты по лазерному зондированию профилей влажности атмосферы. Проведены эксперименты по лазерному зондированию профилей влажности атмосферы с помощью созданного лидара дифференциального поглощения (рисунок 2.14) на основе отпаянного стронциевого лазера [106, 107]. С его помощью на выбранных длинах волн проведены измерения в натурных условиях профилей влажности атмосферы.
В лидаре излучение Sr-лазера последовательно на линии on поглощения и вне линии off через диафрагму с помощью выходного зеркала посылается на трассу. В качестве длины волны с сильным поглощением выбрана линия излучения on = 3.0110 мкм, а в качестве референтной off = 1.0917 мкм. Требуемая длина волны задается дифракционной решеткой. Длина трассы составляет 11 м (в один конец). Место расположения установки не позволило выбрать измерительную трассу большей длины. На конце трассы расположен зеркальный отражатель. Отраженное излучение собирается телескопом, собранным по схеме Кассегрена с приемным зеркалом диаметром 0.25 м. В качестве приемника используется фотодиод ФД-38. Часть излучения с помощью пластин из CaF2 отводится на пироприемник для контроля мощности излучения посылаемого в атмосферу и монохроматор МДР 204 для контроля длины волны выходного излучения.
Сезонные измерения флуоресцентных характеристик
Использование флуоресценции хлорофилла для определения концентрации пигментов наталкивается на значительные трудности. Возбуждение флуоресцирующей формы Хл а может осуществляться как путм поглощения света самой этой формой, так и путм миграции энергии на не от менее агрегированных форм хлорофилла и от других пигментов, входящих в состав исследуемого объекта (каротиноидов, фикобилинов, фукоксантинов и др.) [48]. При этом интерпретация результатов и проведение количественного анализа (математическое описание исследуемых процессов) значительно усложняется. В связи с этим при разработке метода количественного анализа целесообразно использовать следующий подход. На первом этапе параллельно со снятием флуоресцентных характеристик проводится подробный биологический анализ объекта, в частности определяется концентрация и состав входящих в него пигментов. На втором этапе проводится корреляционный анализ этих двух массивов данных и получение эмпирических выражений, связывающих интенсивность флуоресценции с соответствующими концентрациями.
Для определения содержания хлорофилла в хвое и листьях древесных растений была проведена серия экспериментов с типичными древесными растениями Западной Сибири: кедром, осиной и березой. При работе с древесными растениями в естественных условиях (и особенно при проведении количественных оценок) следует учитывать неоднородность распределения флуоресцентных характеристик по кроне дерева. Эта особенность исследовалась и анализировалась в работах [116,117]. Неоднородность связана со световым режимом листьев в кроне дерева и полосе древостоя. Для минимизации ошибок, обусловленных разнокачественностью листьев и хвои, производился тщательный отбор образцов исследуемых деревьев. Образцы (по 10 представителей каждого вида) отбирали из одного яруса средней части кроны одних и тех же деревьев. Объекты размещались на расстоянии 70 м от флуоресцентного лидара и подвергались лазерному облучению. Статистическая обработка проводилась по 256 импульсам.
Из рисунка явно прослеживается сезонная зависимость флуоресцентных характеристик для лиственных деревьев. Исследуемая величина возрастает в начале лета, остается на высоком уровне в течение всего периода активного протекания фотосинтеза и резко спадает осенью. Хвойные характеризуются меньшим диапазоном изменчивости флуоресцентных характеристик.
Для контроля флуоресцентных исследований в листьях и хвое этих же образцов определяли содержание пигментов хлорофилла традиционным спектрофотометрическим методом. Согласно стандартной методике [122] навески листьев и хвои исследуемых деревьев растирали в 100%-м этиловом спирте и центрифугировали в течение 20 минут при 8000 об./мин. Содержание пигментов определяли с помощью «Specord-V-VIS» в спиртовой вытяжке. На рис. 4.9 пунктирными линиями приведена сезонная динамика суммы хлорофиллов в листовом аппарате исследуемых растений по данным спектрофотометрических измерений. Представлены средние арифметические из десяти независимых экспериментов в 50-кратной биологической повторности. Сравнение данных, полученных на основе прямых измерений содержания хлорофилла, и лидарных измерений показывает, что между ними существует определенная взаимосвязь. Во всяком случае, качественный ход, динамика и диапазоны изменчивости исследуемых величин совпадают; и это совпадение относится ко всем типам деревьев, используемых в эксперименте.
Корреляционный анализ показал, что между сигналами ИЛФ и концентрацией хлорофилла в древесных растениях существует линейная зависимость. Причем наибольший коэффициент корреляции наблюдается не для самих сигналов флуоресценции, а для отношения интенсивностей пиков флуоресценции на длинах волн 685 и 740 нм. Следовательно, отношение сигналов флуоресценции может использоваться в качестве параметра для оценки концентрации хлорофилла. Аналогичная зависимость для других видов деревьев была получена в работах [124, 125].
На основе анализа спектрофотометрических данных и лидарных измерений впервые установлены количественные соотношения между интенсивностью ИЛФ наносекундного диапазона и концентрацией хлорофилла в хвое и листьях наиболее распространнных древесных растений Западной Сибири – берзы, осины и кедра. Установленные количественные соотношения представлены на рисунке 4.10.
Взаимосвязь лидарных измерений флуоресценции с содержанием хлорофилла. Вертикальные и горизонтальные отрезки дают доверительный интервал для вероятности 0,95. По этим данным проведена калибровка лидара, позволяющая по отношению сигналов ИЛФ осуществлять непосредственное измерение содержания хлорофилла в древесных растениях на базе данного локатора. Приведенная на рисунке 4.910 количественная связь отношения (F1/F2) с концентрацией хлорофилла получена без вклада стрессовых факторов.
Таким образом, проведенные натурные эксперименты свидетельствуют о возможности использования лидарных сигналов флуоресценции на длинах волн 685 и 740 нм в качестве индикатора неразрушающей оценки продуктивности растительности, определяемой по концентрации хлорофилла, и имеют перспективы применения для дистанционного мониторинга древесных растений.
Тропосферный озон составляет лишь незначительную часть озонового слоя Земли, и основное изменение спектрального состава падающей солнечной радиации в УФ–области обусловлено стратосферным озоном. Воздействие стратосферного озона на рост растений связано со стрессом растений при изменении поглощаемого озоновым слоем уровня УФ–Б радиации, приводящем к сокращению зеленой биомассы (уменьшению кроны деревьев, увеличению плотности хвои для хвойных и т.д.). Следует отметить, что увеличение уровня УФ– Б радиации, может провоцировать рост тропосферного озона.
Для исследования влияния общего содержания озона (ОСО) на флуоресценцию древесных растений в г. Томске были использованы данные спектрофотометрических измерений на Сибирской лидарной станции (ряд наблюдений с 1993 г.) и результаты лидарных измерений флуоресценции хлорофилла березы, осины, сосны и кедра в полевых условиях (наблюдения с 1996 г.).
В таблице 4.4 представлены результаты корреляционного анализа (коэффициенты корреляции) ОСО и флуоресценции хлорофилла. Из таблицы видно, что для большинства видов исследуемых деревьев выявлена отрицательная корреляция их флуоресценции с содержанием озона в стратосфере
