Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Метод оптико-акустической спектроскопии 16
1.1. Лазерный оптико- акустический газоанализатор «ЛАГ-1» 19
Глава 2. Трассовые газоанализаторы дифференциального поглощения 30
2.1. Метод дифференциального поглощения на длинных трассах 30
2.2. Анализ информативных спектральных диапазонов для зондирования МГС по МДП 36
2.3. Эксплуатационные характеристики параметрических преобразователей 39
2. 4. Выбор информативных длин волн 41
2.5. Газоанализатор «Резонанс-3» 43
2. 5. 1. Блок регистрации 46
2. 6. Газоанализатор «Трал» 48
2. 7. ИК лазерные газоанализаторы «Трал-3» и «Трал-Зм» 54
2. 8. Лазерный газоанализатор «Трал-4» 6 0
2. 8. 1 «Трал-4». Результаты натурных измерений 62
2. 9. «Резоканс-3»/<Трал». Результаты натурных измерений МГС атмосферы 70
Глава 3. Дистанционный лазерный контроль озоносферы лидаром дифференциального поглощения 78
3.1 Методы сокращения динаїмического диапазона лидарного сигнала 83
3.2 Учет фактора «слипания» одноэлектронных импульсов 88
3.3 Канал зондирования вертикального распределения озона СЛС на базе зеркала 0 0,5 м. 90
3.4 Пакет программного обеспечения «АТОС» 93
3.5 Климатология и тренды стратосферного озона над Томском за период 1996-2003 гг. 95
3.5.1. Внутригодовая изменчивость стратосферного озона 96
3.5.2. Межгодовая изменчивость и тренды стратосферного озона 99
3.6 Сравнение лидарных и спутниковых данных по профилям ВРО 102
Заключение 104
Литература 106
- Анализ информативных спектральных диапазонов для зондирования МГС по МДП
- ИК лазерные газоанализаторы «Трал-3» и «Трал-Зм»
- Канал зондирования вертикального распределения озона СЛС на базе зеркала 0 0,5 м.
- Сравнение лидарных и спутниковых данных по профилям ВРО
Введение к работе
Актуальность проблемы. Важнейшей проблемой современности является охрана окружающей среды. Под влиянием различных факторов окружающая среда претерпевает изменения. Вместе с различными природными явлениями (извержения вулканов, лесные пожары, эрозия почв и т. д.) в процессе воздействия на окружающую среду все большее значение приобретает деятельность человека. Стремительное развитие промышленности, энергетики, сельского хозяйства и транспорта привело к возрастающему антропогенному воздействию на окружающую среду. В атмосферу, гидросферу и литосферу поступает целый ряд вредных побочных продуктов в виде аэрозолей, газов, сточных бытовых и технических вод, нефтепродуктов и т. д, отрицательно влияющих на биологические условия существования человека и биосферы в целом.
В индустриально развитых районах многих стран содержание вредных веществ в атмосфере иногда превышает предельно допустимые нормы. Основными источниками загрязнения являются [1]:
а) Мощные тепловые электростанции, работающие на твердом, жидком
или газообразном топливе. Выработка электроэнергии на тепловых
электростанциях, работающих на угле, влечет за собой выброс в атмосферу
золы, сернистого ангидрида и окислов азота. Электростанции, работающие на
природном газе, не выбрасывают в атмосферу золу и сернистый ангидрид, но в
больших количествах выделяют окислы азота.
б) Предприятия черной и цветной металлургии. Выплавка стали связана с
выбросом в атмосферу пыли, сернистого ангидрида и окиси углерода.
в) Предприятия химической промышленности, которые выбрасывают в
атмосферу значительно меньшее по объему количество вредных веществ по
сравнению, например, с металлургическими предприятиями, однако большое
разнообразие химических производств и их близкое расположение к
4 населенным пунктам часто делают эти выбросы наиболее опасными. Известно, например, что предприятия химической промышленности выбрасывают в атмосферу более 100 особо вредных химических соединений, отличающихся высокой токсичностью, на которые установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) [2].
г) Серьезную опасность для здоровья и жизни людей представляют выделяемые автомобилями вредные вещества, входящие в выхлопные газы, которые составляют около 60% всех токсичных примесей, загрязняющих воздух индустриальных центров. В состав выхлопных газов автотранспорта входит большая гамма токсичных веществ, главными из которых является окись углерода, окислы азота, углеводороды, канцерогенные вещества, в том числе 3,4-бензапирен, сернистые газы, продукты, содержащие свинец, хлор, бром и иногда фосфор. [3].
С тех пор как было обнаружено, что хлорный цикл может играть значительную роль в балансе стратосферного озона, внимание исследователей привлекает возможное накопление фторхлоруглеродов (фреонов), которое требует контроля их содержания, в тропосфере и особенно в стратосфере, где они участвуют в процессе разрушения озонового слоя планеты - единственного щита всего живого от жесткого ультрафиолетового излучения Солнца. В атмосферу фреоны поступают как непосредственно из аэрозольных упаковок, так и при авариях из холодильных установок, кондиционеров и т. д. [4].
Серьезную проблему представляет накопление в атмосфере, так называемых, парниковых газов: паров воды, углекислого газа, метана и др. (мониторинг которых также необходим), приводящее к росту температуры окружающей среды и изменению климата. Так, содержание метана в атмосфере растет довольно быстро - с начала индустриального периода оно выросло приблизительно на 150%, в то время как содержание углекислого газа выросло всего на 30% (у обоих газов скорость роста концентрации была довольно мала до второй половины XX века и значительно возросла в последние десятилетия),
5 Последствия этого процесса могут быть катастрофическими для нашей планеты [5].
Практически все газовые составляющие атмосферы Земли кроме азота, кислорода, и аргона, принято относить к так называемым малым газовым составляющим (МГС). Процентное содержание в составе атмосферы МГС мало, но рост их содержания за счет антропогенного фактора оказывают значительное влияние на многие процессы, происходящие в атмосфере.
Под действием загрязненной атмосферы происходит изменение микроклимата; ускоренное разрушение металлических и железобетонных сооружений (ежегодно от коррозии теряются миллионы тонн металла и других материалов, скорость коррозии металлов в сельских районах в 4-5 раз ниже, чем в промышленных); закисление почв; отравление и гибель растительности, животных и птиц; химическое разрушение зданий и сооружений, памятников архитектуры и искусства.
Большая номенклатура, большой объем загрязнителей, выбрасываемых в атмосферу, сложность физико-химических процессов, происходящих в природе, недостаточно ясное понимание степени влияния того или иного вещества на окружающую среду, не позволяют дать точную оценку ущерба, наносимого человеком окружающей среде. Для выработки научно обоснованных выводов и прогнозирования изменений в состоянии атмосферы Земли в отдельных регионах и глобальном масштабе нужны регулярные измерения концентрации ее газовых составляющих существующими приборами и разработка новых методов и средств наблюдений.
Состояние вопроса. В настоящее время для контроля атмосферы используются самые разнообразные методы [1];
- кроме большой группы химических методов газоанализа, в применяемых на практике газоанализаторах используются изменение теплопроводности различных газов и паров в зависимости от их концентрации, либо измерение
6 количества тепла пропорционального количеству анализируемого компонента, выделяющегося (поглощающегося) в результате определенной химической реакции в тепловых газоанализаторах;
-в группу относящихся к электрическим, входят: ионизационные, электрохимические и электрокондуктометрические (измеряется удельная электропроводность электролитов в зависимости от концентрации исследуемого компонента);
- в хроматографических газоанализаторах используется различная способность
отдельных газовых компонентов сорбироваться и десорбироваться твердым или
жидким сорбентом;
-в масс-спектр ал ьных газоанализаторах происходит временное и пространственное разделение на группы различных по массе ионов (проводится предварительная ионизация нейтральных атомов и молекул), содержащихся в пробе, и измеряется ионный ток, образуемый суммарным зарядом частиц одинаковой массы и характеризующий их относительное содержание;
- в оптических газоанализаторах используется зависимость оптических свойств
исследуемой газовой смеси (оптической плотности, спектрального излучения и
поглощения, показателя преломления) от ее концентрации. К оптическим
относят абсорбционный, спектрофотометрический, фотоколориметрический,
люминесцентный, нефелометрический и другие. [1].
Как правило, все перечисленные методы требуют проведения отбора проб, который вносит дополнительные погрешности в измеряемую величину. Практически только некоторые из оптических методов позволяют проводить дистанционные измерения, оперативно получать информацию об интегральном и локальном содержании измеряемого компонента, проводить картирование загрязнений. Появление лазера дало толчок к дальнейшему развитию оптических методов. Уникальные возможности лазеров позволили методам, использующим лазерное излучение, занять особое место среди оптических и других методов газо анализа.
7 Лазерным методам присущи: высокая концентрационная чувствительность (как правило, измерения проводятся на уровне и ниже фоновых концентраций), оперативность (время, требуемое для измерения в разы меньше, чем для других методов), дистанционность (возможность получать информацию от объектов с расстояний сотен, тысяч и даже десятков тысяч метров от измерительной системы), высокое (до десятков метров) пространственно-временное разрешение [6]. Лазерные газоанализаторы, применяемые для мониторинга, используют такие взаимодействия оптического излучения с исследуемой средой как: резонансное поглощение, упругое и комбинационное рассеяние и флуоресценцию. Наибольшим сечением взаимодействия из них обладает резонансное поглощение. Это и обуславливает высокую чувствительность лазерных газоанализаторов, работающих по методу1/ дифференциального поглощения [7]. Впервые в 1964 г. этот метод был предложен Счетлэндом [8] для измерения высотных профилей влажности, С тех пор на практике были реализованы лидарные и трассовые измерения озона (Учино и др. [9] Япония, университет Куем и), SCb (Грант и др. [10] США.) и некоторых других МГС [11]. С развитием лазерной техники в нашей стране и за рубежом стали развиваться оптико - акустические (для локального газоанализа) и трассовые (дающие интегральные значения концентраций исследуемого газа) лазерные газоанализаторы [13-15], а также лидары (LIDAR- аббревиатура от английских слов Light Detection and Ranging) [16-22], дающие информацию с пространственно-временным разрешением для исследования концентрации МГС в атмосфере. Но на период начала работы над диссертацией, за редким исключением, все они были рассчитаны на измерения одного, максимум двух газовых составляющих, либо являлись лабораторными макетами, в то время как экологический мониторинг требует проведения многокомпонентного газоанализа на достаточно протяженных трассах (вдоль городских автострад, территории крупных промышленных предприятий).
Как явствует из литературных источников [6, 23-25] для целей лазерного газоанализа МГС наиболее подходит средняя ИК область спектра. Здесь расположены основные колебательно-вращательные полосы большинства МГС. Тут находятся разрешенные структуры и отдельные линии поглощения практически всех атмосферных газов за исключением простых, типа N2, Ог, 1.
В среднем ИК-диапазоне спектра, как известно, излучают высокоэффективные молекулярные лазеры: СО, С02, NH3, HF, DF и другие [26-28]. Из них наиболее надежными и приемлемыми для целей газоанализа являются высокоэффективные СОг-лазеры. В этих лазерах, кроме традиционных полос 9,6 и 10,6 мкм могут генерироваться секвенционные полосы, смещенные относительно традиционных примерно на 1 см" , а также основная полоса 4,3 мкм и горячие линии излучения [29]. Если учесть то, что возможно применение и изотопов СОг для получения дополнительного набора смещенных линий генерации, то получим богатый набор линий излучения для этого лазерного источника.
Разработанные в последнее время высокоэффективные параметрические преобразователи частоты на основе нелинейных кристаллов ZnGeP2, CdGeAs2, TlAsSe3, AgGaSe2 и др. позволили получить вторые, третьи и четвертые гармоники излучений С02-лазера, а также суммарно-разностные частоты двух ССЬ и других лазеров, таких как СО, NH3, эрбиевого и т. д [30-35]. Для лазерного зондирования атмосферных МГС важно то, что большинство этих линий излучения, включая и преобразованные, попадают в спектральные окна прозрачности атмосферы.
Так, молекулярный СОг -лазер низкого давления, снабженный набором беспороговых параметрических преобразователей частоты из ZnGeP2, CdGeAs2, TlAsSe3 и AgGaSe2, удовлетворяет большинству из следующих предъявляемых требований. Расстояние между соседними линиями таких лазеров составляет примерно 1,5-2 см"1, что упрощает проблему спектральной селекции и перестройки их по частоте. Применяя двухкаскадное преобразование,
9 например, С02 лазера или суммарно-разностные частоты двух С02, или С02 и СО- лазеров и их гармоник, удается очень плотно, с шагом до 10" см"1 , перекрыть диапазон от 2 до 17 мкм. Положение центров линий излучения лазеров накачки и достаточно узкая спектральная ширина (2Х10"3 см"1) обеспечивается физическими параметрами активной среды [36]. Положение центров линий, а, следовательно, и положение линий излучения преобразованных частот известны с очень высокой точностью, что снимает проблему контроля спектральных характеристик. Эффективность таких преобразователей достаточно высока и составляет от десятых долей до десятков процентов, что позволяет создавать трассовые газоанализаторы, использующие в качестве отражателей топографические объекты и аэрозоли атмосферы.
Другим информативным спектральным диапазоном для лазерного газоанализа является УФ область. Здесь расположены сильные электронные полосы многих загрязняющих газов. В отличие от средней ИК области спектра УФ полосы поглощения неселективны и взаимноперекрыты. Наибольшее развитие в этой области получил озонометрический метод благодаря наличию здесь полосы поглощения озона Хартли-Хаггинса.
Возможность выполнять пространственно-разрешенные измерения атмосферного озона лидаром была впервые показана в 1977 г. (Меже и др ) [37], И1 начиная со второй половины 80-х годов прошлого века, лазерное зондирование озоносферы приобрело регулярный характер на ряде обсерваторий. Оно дает информацию о вертикальном распределении озона (ВРО), удачно дополняя подобную информацию, получаемую контактным методом с помощью озонозондов и ракет, особенно выше 30 км, где данные озонозондов становятся нерепрезентативными.
На Сибирской лидарной станции наблюдения за озоносферой ведутся с декабря 1988 года. За этот период постоянно совершенствовалась лидарная техника, разрабатывалась и улучшалась методика измерений и обработки
10 данных, создавалось программное обеспечение для управления процессом измерений, новые пакеты программ обработки полученных результатов [38].
Цель работы. Разработка на основе метода дифференциального поглощения газоанализаторов для обнаружения и измерения концентрации МГС и определения их пространственно-временного распределения в атмосфере.
В ходе работы выполнялись следующие задачи:
разработка оптико-акустического газоанализатора для локального газоанализа и исследование с помощью него пространственного распределения углеводородов и других МГС;
разработка и создание трассовых лазерных газоанализаторов для исследования газового состава атмосферы;
разработка методик измерения МГС в атмосфере;
натурные испытания разработанных устройств на основе разработанных методик измерения;
-исследование временной динамики МГС в экологически чистых и подверженных значительной антропогенной нагрузке регионах страны;
создание канала зондирования вертикального распределения озона (ВРО) в стратосфере (на базе приемного зеркала 0 0,5 м) СЛС;
контроль состояния озоносферы б режиме рутинных измерений;
исследование климатологии озоносферы, оценка трендов стратосферного озона.
На защиту выносятся:
1. Разработанный лазерный оптико-акустический газоанализатор «ЛАГ-1», позволяющий на базе созданной методики раздельно измерять концентрации
метана и более тяжелых углеводородов в воздушных смесях природного и попутного нефти газов с любым соотношением компонент в смеси.
Разработанные макеты лазерных газоанализаторов серии «ТРАЛ», в среднем ИК диапазоне спектра, позволяющие оперативно измерять концентрации более 12 газов на уровне и ниже ПДК на трассах длиной до 2 км с использованием зеркального или топографического ретрорефлектора.
Созданный автором УФ озоновый лидар на базе эксимерного ХеС1-лазера, обеспечивший бесперебойное многолетнее зондирование озоносферы над Томском на Сибирской лидарной станции в диапазоне высот 13-45 км с максимальным вертикальным разрешением 100 м.
Научная новизна работы.
-впервые выбраны и экспериментально проверены информативные длины
волн зондирования МТС атмосферы;
-создан ряд уникальных мобильных и стационарных трассовых
газоанализаторов на основе перестраиваемых молекулярных лазеров с
преобразователями частоты излучения, позволяющих оперативно проводить
многокомпонентный анализ газового состава атмосферы;
- проведены измерения суточных ходов концентрации МГС (таких как С2Н4,
МТ}, Н2О, СОг, СО, Оз, N0 и др.) в экологически чистых и подверженных
значительной антропогенной нагрузке регионах страны;
-впервые определены климатологические особенности озоносферы над
Томском на основе регулярных и долговременных измерений профилей
вертикального распределения озона;
Использование результатов работы. Данные, полученные с помощью газоанализаторов, представлялись для Олимпийского комитета СССР в 1979-1980 г.г. по г. Москва, а также в природоохранные организации г.г. Томск, Кемерово, София (НРБ). Они вошли в итоговые отчеты ИОА СО РАН по
12 различным грантам РФФИ, договорам, контрактам и программам, например, "TOR" (тропосферные озоновые исследования), "SATOR" (стратосферные и тропосферные озоновые исследования) и другие.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
-разработан оптико-акустический газоанализатор, позволяющий с высокой точностью измерять концентрацию, как суммы углеводородов метановой группы, так и раздельно метана и „более тяжелых углеводородов в смеси природного и попутного нефти газов. С помощью данного газоанализатора возможен поиск нефти и газа по газовым ореолам выходящих на поверхность земли газов над месторождениями углеводородов;
разработанные трассовые газоанализаторы позволяют измерять концентрации МГС на уровне и ниже ПДК из широкого списка приоритетных загрязняющих газов;
создан канал зондирования вертикального распределения озона СЛС на базе приемного зеркала 0 0,5 м, позволяющий получать достоверные профили ВРО в диапазоне высот 13-45 км с максимальным разрешением 100 м.
Достоверность результатов работы обеспечивается:
-хорошим согласием экспериментальных данных, полученных с помощью разработанных газоанализаторов, и данных, полученных одновременно другими методами, а также; данных; полученных другими авторами в аналогичных климатических и экологических условиях;
- хорошим совпадением профилей ВРО в стратосфере, измеренных лидаром,
данных озонозондов, а также спутниковых измерений в пределах погрешности
используемых устройств| (15 %).
Личный вклад. В работе использованы результаты, полученные либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Это участие автора в
ІЗ разработке, как общих схем построения газоанализаторов, так и их отдельных оптико-механических и электронных узлов и блоков, проведении монтажных и пусконаладочных работ. Разработка методик измерений, тестовые и экспедиционные^ и полевые испытания созданных газоанализаторов, также представленные в работе, проходили при непосредственном участии автора. Начиная с 1996 года, практически все наблюдения за состоянием озоносферы на СЛС проходили при активном участии автора. Им был создан усовершенствованный канал зондирования вертикального распределения озона СЛС на базе XeCl-лазера и приемного зеркала 0 0,5 м. Проведенный автором реанализ данных ВРО позволил определить особенности климатологии озоносферы над Томском.
Процесс разработки Газоанализаторов, их тестовые испытания, обработка результатов, полученных во время экспедиционных работ, многолетнее накопление такого большего объема эмпирической информации по ВРО и ее анализ не могли быть осуществлены без деятельного участия целого коллектива, без которого данная диссертационная работа не состоялась бы. Постановка задачи и научное руководство на разных этапах осуществлялись чл.-корр. РАН Зуевым В.В. и к.ф-м.н. Хмельницким Г.С. Разработка газоанализаторов и их тестовые и полевые испытания проводилась совместно с д.ф-м.н. Андреевым Ю.М., д.ф-м.н. Гейко П.П., научным сотрудником Шубиным С.Ф. Теоретические работы по поиску информативных длин волн были выполнены д.т.н. Мицелем А.А., д.ф-м.н Катаевым М.Ю., к.ф-м.н. Пташником И.В., к.ф-м.н. Романовским О.А. Лидарные измерения ВРО проводились совместно с.н.с. Невзоровым А.В., к.ф-м.н. Бурлаковым В.Д. и д.ф-м.н. Маричевьш В.Н., а обработка данных зондирования совместно с к.ф-м.н. Бондаренко С.Л. и д.ф-м.н. Ельниковым А.В.
Апробация работы. Основные результаты по теме диссертации, полученные автором, опубликованы в 11 статьях в российских научных рецензируемых журналах, докладывались на: VI, VII и XI Всесоюзных
14 симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию (г.Томск, 1980, 1982, 1992 г.г.); VI Всесоюзном симпозиуме по распространению лазерного излучения в атмосфере (г. Томск 1881 г.); XII Всесоюзной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Москва, 1985 г.); V Международной школе-семинаре по квантовой электронике. Лазеры и их применение (НРБ, Солнечный берег, 1988 г.); 5 научной ассамблее Международной ассоциации атмосферной физики и метеорологии (Ридинг, Великобритания, 1989 г.); XI симпозиуме по лазерному и акустическому зондированию (г. Томск, 1992 г.); II, III, IV и VI Межреспубликанских симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1995, 1996, 1997 и 1999 гг.); III Сибирском совещании по климатоэкологическому мониторингу (Томск, 1999 г); I Межрегиональном совещании «Экология сибирских рек и Арктики» (Томск 1999 г.); VII Международном симпозиуме по оптике атмосферы и океана (Томск 2000 г.); VIII и IX Международных симпозиумах по оптике атмосферы и океана и атмосферной физике (Томск 2001 и 2002 гг.); 11 Рабочем совещании по атмосферным радиационным измерениям (Атланта, США 2001); IX Рабочей группы «Аэрозоли Сибири» (Томск 2002 г.); 21 и 22 Международной лазерной конференции (Квебек, Канада, 2002 г., Матера, Италия 2004 г.); II Международной конференции «Окружающая среда и экология Сибири, Дальнего Востока и Арктики» (Томск 2003г.); Международной конференции по оптическим технологиям для исследований атмосферы, океана и окружающей среды (Пекин, Китай 2004 г.).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав и заключения. Объем диссертации 116 страниц, она содержит 36 рисунков, 12 таблиц. Список используемой литературы содержит 118 наименований.
Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цели и задачи исследования, подчеркнуты научная новизна и практическая значимость, приводятся основные положения, выносимые на защиту.
15 В первой главе дается описание ,опгико-акустического метода, блок-схемы оптико-акустического газоанализатора, предназначенного для раздельного измерения концентраций метана и других предельных углеводородов в пробах воздуха. Приводятся результаты его полевых испытаний. Делается вывод о перспективности применения этого газоанализатора для поиска месторождений нефти и газа по ореолам выходящих на поверхность углеводородов над этими месторождениями. Предлагается применить в газоанализаторе параметрические преобразователи частоты, чтобы получить больший набор линий излучения лазерного источника и тем самым расширить список измеряемых газов. Во второй главе приводится описание ряда трассовых газоанализаторов, работающих на основе метода дифференциального поглощения. Кратко излагается сам метод. Представлены результаты тестовых и полевых испытаний, а также результаты сравнительных одновременных измерений концентраций МГС, полученными трассовыми и локальными газоанализаторами.
Третья глава посвящена лидару, работающему по методу дифференциального поглощения и рассеяния и позволяющему получать профили вертикального распределения стратосферного озона. Рассмотрены методы сокращения большого динамического диапазона принимаемых сигналов, коррекции сигналов на «слипание» одноэлектронных импульсов. Дается краткое описание пакета программ АТОС, предназначенного для восстановления профилей ВРО. Приводятся результаты климатологических исследований стратосферного озона и оценки его трендов.
В заключении представлены выводы и результаты диссертационной работы в целом.
Анализ информативных спектральных диапазонов для зондирования МГС по МДП
Проведенный по литературным источникам [6, 22-25] анализ спектров поглощения МГС показывает, что в УФ области, где расположены электронные полосы с колебательно-вращательной структурой, только молекулы с небольшим количеством атомов имеют разрешенную структуру полос, тонкая структура перекрыта, заметное сечение поглощения имеют SO2 и Оз. В видимой области спектра несколько молекул имеют электронные полосы поглощения. Разрешенные спектральные структуры имеют NO2, О2 и Н20. В близкой ИК области спектра расположены обертоны колебательно-вращательных полос многих газов, но обертоны в сотни раз слабее основных полос. Средняя ИК область спектра. Здесь расположены основные колебательно-вращательные полосы большинства загрязняющих газов. Тут находятся разрешенные структуры и отдельные линии поглощения практически всех атмосферных газов, за исключением простых, типа N2, Ог, Нг. Далекая ИК - в ней расположены вращательные и колебательные полосы, но они, в основном, перекрыты интенсивными полосами поглощения паров воды. Микроволновая и миллиметровая область спектра - здесь расположены полностью взаимоперекрытые вращательные линии. На рис. 2.3 представлены положения линий и полос поглощения некоторых атмосферных газов (а) и линии излучения существующих лазеров (в) в спектральном диапазоне от 1 до 14 мкм с учетом прозрачности модельной атмосферы для приземной трассы протяженностью 1,2 км (б) [69]. Рис. 2.3. Полосы поглощения некоторых газовых составляющих атмосферы (а), пропускание атмосферы на горизонтальной трассе 1800 м (б) и области перестройки существующих лазерных источников (в). Из рисунка видно, что, используя набор полупроводниковых лазеров, можно получить зондирующее излучение практически во всей области спектра от 1 до 14 мкм, но такие лазеры на момент выполнения работы, как правило, имели малую выходную мощность (обычно для одной моды она составляет 0,1 мВт), работали при криогенных температурах, имели небольшое время наработки на отказ и не были пригодны для зондирования на больших расстояниях. Так как спектральные параметры лазерного излучения определяют точность и чувствительность лазерного газоанализа методом дифференциального поглощения, то лазерные источники должны иметь узкую и высокостабильную линию излучения и обладать большим энергетическим потенциалом, чтобы обеспечить при регистрации сигналов требуемое отношение сигнал/шум с протяженных трасс зондирования [6, 7]. Таким образом, для многокомпонентного газоанализа в атмосфере необходимо: 1.
Перекрыть перестраиваемым по частоте зондирующим излучением широкий спектральный интервал в среднем ИК - диапазоне. 2. Сформировать источник излучения с узкой спектральной шириной линии генерации и заданными энергетическими параметрами. Поскольку ширина линий поглощения у различных газов в условиях тропосферы находится в пределах 0,01-0,1 см 1, то для измерений в тропосфере спектральная ширина линии излучения не должна превышать 0,01-0,001 см-1 [26, 70]. 3. Осуществлять спектральный контроль зондирующего лазерного излучения. 4. При работе в атмосфере на длинных трассах по зеркальному отражателю с усреднением до 100 импульсов необходимо иметь источник с выходной мощностью излучения от единиц микроватт до единиц милливатт. Для трассовых измерений при работе по топографическим мишеням необходимо иметь импульсные источники с энергией импульса от десятых долей до единиц мДж [26]. 5. Лидарные измерения требуют увеличения энергии импульса лазерных источников от долей до десятков Дж. при переходе измерений из коротковолновой области среднего ИК диапазона в область 9-11 мкм и далее в длинноволновую часть спектра из- за меньшей чувствительности детекторов, работающих в этой области спектра и из-за уменьшения эффективности обратного светорассеяния [7, 26]. Как уже говорилось во введении, например, молекулярный ССЬ -лазер низкого давления, снабженный набором беспороговых параметрических преобразователей частоты, удовлетворяет большинству из предъявляемых выше требований. Приведем эксплуатационные характеристики некоторых параметрических преобразователей [30-35].
ИК лазерные газоанализаторы «Трал-3» и «Трал-Зм»
Для проведения работ по комплексным программам TOR и SATOR (тропосферные и стратосферные исследования озона) в 1990 году автором в составе коллектива были разработаны трассовые газоанализаторы "ТРАЛ-3" и "ТРАЛ-ЗМ" [80]. Они были смонтированы на четвертом этаже Станции высотного зондирования ИОА СО РАН. Наклонная измерительная трасса проходила между Станцией и соседним зданием, на 10 этаже которого (технический этаж) располагались контротражатели. При использовании одного контротражателя длина измерительной трассы составляла 1 км. Два дополнительных контр отражателя увеличивали ее до 2 км. В качестве источников зондирующего излучения в "ТРАЛ-3" применяли более мощные, чем в газоанализаторе "ТРАЛ" непрерывные с продольным разрядом (CW) перестраиваемые СО - и ССЬ-лазеры низкого давления с модуляцией добротности и с генераторами суммарных и разностных частот (ГСЧ и ГРЧ, соответственно). Средняя мощность излучения непрерывных СО-лазера 5—7 Вт и С02-лазера 2—3 Вт. Пиковая мощность составляет около 60 и 30 Вт, соответственно, при использовании модуляции добротности с частотой 10 —10 Гц. В этом случае реализуются длительности импульса генерации около 1—2 мкс. Эффективность преобразования по частоте таких лазеров в ГСЧ и ГРЧ достигает тогда около 1%, и, следовательно, мощность зондируемого импульса составляет приблизительно 0,6VBT (без учета потерь в оптике). При таких значениях мощности измерения концентраций газов на длинных трассах до 2—3 км возможны только лишь с использованием зеркального отражателя. При этом, однако, такой мощности зондирующего излучения оказывается вполне достаточно, чтобы применять фотоприемники со средней чувствительностью (например, пироэлектрические приемники, вольтовая чувствительность которых составляет Ю ВгВт"1), если, конечно, осуществляется полный перехват зондирующего излучения. Конструкция газоанализатора предусматривает замену этих лазеров на два импульсных перестраиваемых TEA С02-лазера с ГСЧ и ГРЧ, причем один из лазеров может быть снабжен генератором второй гармоники (ГВГ) (модификация "ТРАЛ-ЗМ"). Замена СО - и СОг-лазеров низкого давления на импульсные TEA СО2 лазеры дает возможность проводить измерения концентраций МГС с использованием топографических объектов в качестве отражателей. В качестве детекторов использовались высокочувствительные охлаждаемые фотоприемники на основе KPT, InSb и InAs, с пороговой чувствительностью до -Ю смГц Вт1. (модификация "ТРАЛ-ЗМ"). Рабочее давление смеси в резонаторе TEA СО2 лазеров около 300 торр, полуширина линии излучения около 3 10" см- . Линию излучения можно сделать уже, снижая давление смеси, но тогда существенно уменьшается мощность.
Пиковая мощность импульса TEA ССЬ-лазера с длительностью импульса 100 не. составляет 3—5 МВт. Эффективность преобразования частоты излучения этого лазера достигает для ГВГ более 10%, для ГСЧ и ГРЧ—более 1%. В этом случае мощность зондируемого импульса около 300—500 кВт для ГВГ и около 30—50 кВт для ГСЧ и ГРЧ. При этом следует подчеркнуть, что регистрируемая в этом случае спектральная прозрачность атмосферного зондируемого слоя подлежит корректировке, поскольку она искажается из-за влияния конечной ширины линии лазерного излучения, которая к тому же уширяется примерно в V2 раз после каждого акта преобразования частоты и становится сравнимой с шириной линий поглощения большинства газов. Излучение лазеров на основной частоте, на частоте их вторых гармоник либо на суммарно разностной частоте коллимируется передающим телескопом и с помощью зеркала сканатора (12) направляется в атмосферу. Часть излучения полупрозрачной пластинкой (10) отводится на приемник ФПі для контроля мощности. Отразившись от контротражателя либо от топографического объекта, излучение зеркалом (12) направляется в приемный телескоп (11, 8) и регистрируется приемником ФП2. Спектрофон (ОАД), как и в газоанализаторах, описанных выше, служит для калибровки газоанализатора по газу с известной концентрацией и для локального газоанализа. Контроль длины волны излучения лазеров осуществляется либо по показаниям ИК-спектрометра, либо панорамного анализатора спектра (ПАС), Следует подчеркнуть, что используемые С02-лазеры (как непрерывные, так и импульсные) не являются отпаянными, что позволяет изменять изотопный состав газовой смеси в лазерных трубках. Кроме того, в импульсных TEA С02-лазерах предусмотрена установка в резонатор нагреваемой кюветы с СС 2, позволяющей получить излучение второй секвенционной полосы и основной полосы в районе 4,3 мкм. Излучение Не—Ne-лазера с длиной волны 0,63 мкм используется для визуализации трассы и настройки оптической схемы. Длина волны 3,39 мкм этого лазера используется при измерении суммарной концентрации углеводородов. Импульсный Nd:YAG -лазер с длиной волны ГВГ 0,53 мкм применяется для измерения длины трассы зондирования. Кроме того, длины волн 0,53 и 0,63 мкм используются для оценки массового содержания аэрозоля в атмосфере. В качестве преобразователей частоты излучения С02-лазеров (ГВГ, ГСЧ, ГРЧ) могут использоваться разные типы кристаллов, такие как: ZnGeP2, AgGaSe, Tl3AsSe3 и т. п. В газоанализаторах используются: ZnGeP2, и AgGaSe.
Причем в качестве ГВГ могут использоваться и тот и другой, а в качестве ГСЧ и ГРЧ используется ZnGeP2 вырезанный с соответствующей ориентацией. Кристаллы преобразователей устанавливаются в специально разработанный установочный узел, позволяющий сформировать оптимальный для преобразования пучок излучения. Подстройка кристалла под нужный угол синхронизма может производиться как вручную, так и от ЭВМ при помощи шагового двигателя. Система автоматизации, базовым узлом которой является вычислительный комплекс "КАМАК МЕРА-660", обеспечивает программное управление оптико-механическими узлами перестройки частоты излучения лазеров, подстройку кристаллов под направление синхронизма, регистрацию и обработку сигналов, вычисление концентрации исследуемых газов в масштабе реального времени. В качестве АЦП используются стандартные преобразователи Ф4226. (12разрядов, время преобразования -ПОмкс, частота преобразования -20 кГц, ошибка преобразования - 4 младших разряда). Программы написаны на языке "Паскаль". Вычислительный комплекс работает с операционной системой RT11. Газоанализаторы "ТРАЛ-3" и "ТРАЛ-ЗМ" прошли пуско-наладочные испытания, которые показали их хорошую работоспособность. Конструкция обоих газоанализаторов, их массогабаритные размеры и параметры энергопотребления специально рассчитаны на возможность их установки в фургоне автомобиля. Наличие сканатора при установке нескольких выносных отражателей на разных дистанциях от приемо-передатчика позволяет для "ТРАЛ-3" получать данные о газовых концентрациях с квазипространственным разрешением, а для "ТРАЛ-ЗМ" с квазипространственным разрешением, используя в качестве отражателей топографические объекты. Дальнейшее увеличение мощности лазеров, эффективности преобразователей и применение более чувствительных приемников позволит использовать аэрозоль атмосферы в качестве распределенного отражателя и получать данные с пространственным разрешением,
Канал зондирования вертикального распределения озона СЛС на базе зеркала 0 0,5 м.
Даже при использовании механической отсечки остается проблема интенсивных световых сигналов, поступающих на приемник от нижних высот. Особенность приема оптических сигналов в режиме счёта фотонов с этих высот будет заключаться в занижении значений измеряемой мощности, вызванное инерционностью регистрирующей аппаратуры, В состав такой аппаратуры как обязательные элементы входят усилитель-формирователь и счетчик одноэлектронных импульсов (ОИ), установленные на выходе ФЭУ. Усилителем-формирователем на уровне порога дискриминации ОИ формируется стандартный импульс, поступающий на счетчик. При высокой интенсивности приходящих световых потоков увеличивается частота поступления ОИ и вероятность их "слипания". В данном случае ФЭУ с трактом регистрации в целом рассматривается как счётчик с "мёртвым" временем продлевающего типа [96], величина которого и определяется шириной ОИ на уровне порога дискриминации. Для обычно принятой пуассоновской статистики фотоэлектронов фактор "слипания" учитывается формулой [97]: где N и М количество поступающих и зарегистрированных ОИ, п - число измерений, AT - длительность строба. Решение уравнения относительно истинного количества N одноэлектронных импульсов получается методом итераций при задании начальных условий iV0 = М. Пример зарегистрированных и скорректированных лидарных сигналов для установленной ширины ОИ % = 13 не приведён на рис. 3.3.а [98]. Видно, что на обеих длинах волн 308 и 353 нм наибольшее искажение сигналов просматривается на высоте их максимумов. Поскольку обработка данных проводилась с высот - 10 км, то в целом влияние коррекции сигналов распространяется на область высот 10-20 км. На рис. 3.3.б показан начальный и скорректированный на искажение сигналов восстановленные профили озона. Как и следовало ожидать, отклонения между профилями наиболее существенны в их нижней части и в данном случае доходят до 30 %. Необходимо отметить, что проведённый анализ данных на предмет коррекции сигналов при восстановлении профилей озона показал следующее. Наибольший эффект в проведении коррекции проявляется, когда наблюдается перезасветка только по одному из эхо-сигналов. В случае, когда световые сигналы на обеих длинах волн имеют повышенную интенсивность, то искажающий фактор уменьшается за счет компенсирующего влияния математической схемы обработки данных по методике дифференциального поглощения. Рис. 3. 3 Лидарные сигналы на длинах волн и восстановленные по ним профили озона.
Оценка интенсивности лидарных сигналов определялась по количеству поступающих ОЙ в один строб, а также по отношению суммарного времени заполнения строба поступившими ОИ и длительностью строба Км = NT/AT. ДЛЯ регистрируемых сигналов величина коэффициента KN доходила до значений 0.18, что согласно работе [96] не превышало критического уровня 0.2 - 3, тем самым давая возможность коррекции всего массива данных. На Сибирской лидарной станции (СЛС) наблюдения за озоносферой ведутся с декабря 1988 года. [99]. За этот период постоянно совершенствовалась лидарная техника, разрабатывалась и улучшалась методика измерений и обработки данных, создавалось программное обеспечение для управления процессом измерений, новые пакеты программ обработки полученных результатов [87, 102, 103]. Испытывались различные варианты конструкции канала зондирования ВРО. К концу 2001 года имеющийся отечественный XeCl-лазер окончательно выработал свой ресурс. К тому времени лаборатория приобрела современный XeCl-лазер фирмы LAMBDA PHYSIK и фотоэлектронные умножители R7207-01 с усилителями дискриминаторами С3866 фирмы HAMAMATSU. В конце девяностых годов автором был разработан и запущен в режим регулярных наблюдений канал зондирования ВРО СЛС на базе приемного зеркала 0 0,5 м. Блок-схема УФ - лидара приведена на рис. 3.4. Его технические характеристики приведены в таблице 3.2. Излучение эксимерного ХеСІ - лазера на длинах волн on = 308 нм и после его ВКР-преобразования в ячейке () с водородом Л,0пг = 353 нм направляется в атмосферу. Обратнорассеянное излучение собирается приемным телескопом (ТДизготовленным по схеме Ньютона и направляется в спектроделительный блок, состоящий из полевой диафрагмы (Д), входной линзы (1), спектроделительной пластинки (СД), двух интерференционных светофильтров (ИС), двух фокусирующих линз (2) и (3).
Сравнение лидарных и спутниковых данных по профилям ВРО
Среди множества данных, регистрируемых этим аппаратом, присутствуют и данные по озоновым профилям, показывающих распределение концентрации озона на высотах от 0 до 70 км с шагом 0.5км [108]. Траектория полета спутника редко проходит над Томском и поэтому достаточно сложно отобрать данные, совпадающие по времени и координатам для сравнения лидарных и спутниковых измерений. Однако, нам удалось найти несколько таких близких измерений [ПО]. Результаты сравнения представлены нарис 3.12. Из рисунка видно, что лидарный профиль вследствие математического сглаживания при обработке данных имеет более плавный ход. Пространственное сглаживание спутникового профиля приводит к еще большему сближению двух профилей. Результаты сравнения показали достаточно хорошее согласие данных. Полученное расхождение расхождение в данных (около 15%) можно объяснить погрешностью обоих приборов и достаточно большим пространственно-временным разнесением измерений. Эта величина того же проядка, что и полученная нами в 1995 году при сравнении лидарных данных с данными озонозонда около 12%„ запущенного непосредственно из точки расположения СЛС [100]. Таким образом, созданный УФ озоновый лидар на базе более мощного эксимерного ХеО-лазера, более чувствительных ФЭУ и приемного зеркала 0 0,5 м, обеспечил в течение многолетнего периода времени получение достоверных профилей ВРО над Томском на Сибирской лидарной станции в диапазоне высот 13-45 км с максимальным разрешением 100 м. В ходе выполнения диссертационной работы автором в составе коллектива сделано следующее; - разработан оптико-акустический газоанализатор для локального газо анализа, с его помощью проведено исследование пространственного распределения углеводородов (в ходе нескольких экспедиций на теплоходе) в районах, где расположены месторождения нефти. Измеренное увеличение содержания углеводородов в пробах воздуха в районе месторождений нефти подтвердило гипотезу о наличии газовых ореолов над месторождениями углеводородов и перспективность применения данного газоанализатора для поиска месторождений нефти и газа; - разработан и создан комплекс трассовых лазерных газоанализаторов, работающих в ИК области спектра по методу дифференциального поглощения и позволяющих измерять концентрации более 12 газов на уровне и ниже ПДК; - отработана методика измерения МГС в атмосфере; - проведены натурные испытания разработанных устройств; - экспериментально проверены пары информативных длин волн и сделаны выводы об их пригодности для целей газоанализа по МДП; - выполнены исследования временной динамики МГС в экологически чистых и подверженных значительной антропогенной нагрузке регионах страны; - проведены сравнительные измерения концентраций МГС разработанными лазерными газоанализаторами и приборами, работающими на основе стандартных методов, которые показали хорошее согласие полученных результатов; - создан канал зондирования вертикального распределения озона (ВРО) в стратосфере (на базе приемного зеркала 0 0,5 м) СЛС, который обеспечил в течение многолетнего периода времени получение достоверных профилей ВРО над Томском, подтвержденных хорошо согласующихся со спутниковыми и озонозондовыми данными. Это позволило осуществить климатологические исследования и оценить тренды стратосферного озона, которые показали, что в нижней стратосфере на высотах ниже 26 км внутригодовые изменения концентраций озона характеризуются максимумом весной и минимумом осенью, а на высотах более 26 км максимум смещается на лето, а минимум - на зиму.
На высоте 26 км, в районе которой расположена велопауза, озоносфера разделяется на две части: внизу ее поведение определяется в основном динамическими процессами, а вверху - фотохимическими. Более детальное рассмотрение внутригодовых изменений ВРО, позволяет выделить следующие моменты: а) на высоте 14 км, где, по-видимому, еще значительно влияние колебаний высоты тропопаузы, не наблюдается локализованный максимум; б) в диапазоне до 18 км включительно максимум сезонных колебаний приходится на февраль, а в диапазоне 20-26 км - на март,; наибольшее соответствие внутригодовых изменений ВРО с годовым ходом ОСО наблюдается в высотном диапазоне 20-24 км, особенно на высоте 22 км. в) на всех высотах тренды ВРО оказались статистически незначимыми. При этом в нижней части озоносферы они характеризуются слабо отрицательными значениями, а в верхней - слабоположительными. В районе локализации стратосферного озонового максимума ( 20 км) значения отрицательных трендов невелики (-0,32% в год). Эти результаты согласуются с незначительным статистически незначимым трендом ОСО (0,01±0,026% в год) за этот же шестилетний период.
