Курсовая работа
лидары и надиры в изучении атмосферы
Содержание
Введение
1. Спонтанное комбинационное рассеяние
1.1 Общие сведения
1.2Методы дистанционного обнаружения атомов и молекул, измерения их концентрации итемпературы, основанные на использовании СКР света
1.2 Теориякомбинационного рассеяния света
2. Принцип работы лидара ихарактеристики лидарного метода с использованиемспонтанного комбинационного рассеяния
2.1 Преимущества инедостатки схемы лазерных локаторов, основанных на КР
2.2 Измерениеконцентрации и температуры газов
2.3 Применениекомбинационных лидаров для исследования атмосферы иее загрязнений
Литература
Введение
Запоследние сто лет засорение окружающей среды усилилось разными выбросами. Заэто время в атмосферу Земли попало, по подсчетам ученых, более миллиона тоннкремния, полтора миллиона мышьяка, около миллиона тонн кобальта. Еще более быловыброшено пыли, сажи, копоти, оксидов азота, углерода и серы. Причем большинствовыбрасываемых и вредных веществ – ценное промышленное сырье.
Надоиметь в виду то, что где бы на земле ни происходили выбросы пыли, сажи, газов,поднимаясь в атмосферу и тропосферу, они распространяются затем по всейоболочке земного шара. Их влияние двояко и имеет глобальные последствия.
Во-первых,солнечному свету труднее всего пробиться сквозь загрязненную атмосферу.Следовательно, человечество смотрит на свою звезду – Солнце – как бы сквозьгрязное окно. Кроме того, пыль в воздухе и избыток газов задерживаютультрафиолетовые лучи. Все это вместе ведет к уменьшению температуры наосвещенной Солнцем стороне планеты. В конечном счете, это влияет на тепловойбаланс Земли. Во-вторых, если пыль в атмосфере задерживает ультрафиолетовыелучи, то вода и особенно углекислый газ препятствуют уходу в космическоепространство теплового излучения. Оно накапливается у поверхности Земли. Витоге наша планета недополучает солнечного света и не может избавиться отизбытка теплоты, и природное тепловое равновесие оказывается под угрозой.
Важнуюроль в концентрации загрязняющих веществ и их перемещении играют ветры. Сильныйветер уносит загрязняющие вещества из городов, рассеивает их в больших объемахвоздуха. В результате концентрации загрязнения уменьшаются. При определенныхфизико-географических условиях сильный ветер, наоборот, в ряде случаев приводитк увеличению концентрации пыли в воздухе. Например, в странах аридного климатанарушение почвенно-растительного покрова способствует возникновению пыльныхбурь, при которых в воздух поднимаются колоссальные массы твердых частиц почвы.Следует оговориться, что при сильных ветрах проблема загрязнения может неисчезнуть, а как бы переместиться в пространстве. Например, при сильных ветрах пыльи газы промышленного происхождения из районов Британских островов достигаютСредней Швеции, образуя там загрязнения опасных концентраций.
Сернистыйгаз с водой воздуха образует капельки серной кислоты. Растворы серной кислотымогут долго держаться в воздухе в виде плавающих капелек тумана или выпадатьвместе с дождем на землю. Эти растворы разъедают металлы, краски, синтетическиесоединения, ткани, губительно действуют на растения и животных. Попадая на землю,серная кислота подкисляет почвы. В результате этого сокращается почвенная фауна.
Распыляютсяв воздухе асфальт и бетон дорог, резина покрышек автомобилей. Химизациясельского хозяйства сопровождается попаданием в атмосферу все большегоколичества химических веществ.
Внастоящее время наиболее распространенный способ борьбы с загрязнениями воздухазаключается в удалении загрязняющих веществ как можно дальше от места выброса.Это осуществляется строительством высоких труб на заводах и тепловых станциях.Трубы выбрасывают сажу, золу и газы в струйные потоки воздуха, которые выносят грязьна большие расстояния от мест выброса и рассеивают ее в больших объемахвоздуха. Во все более широких масштабах проводится строительство разного родаочистных сооружений, уменьшающих выбросы в атмосферу. Но все самые совершенныеочистные установки не могут полностью уловить загрязняющие вещества, и какая-тоих часть всегда поступает в воздух. В охране воздуха городов и населенныхпунктов важная роль принадлежит зеленым насаждениям и зеленым зонам.
Однаковсе выше названные способы не могут полностью решить проблему охраны атмосферы.Фильтры, газо- и пылеуловители приводят к скоплению огромных масс вредныхвеществ, которые куда-то надо складировать. При этом происходит загрязнениепочвы, поверхностных и грунтовых вод. Часть загрязняющих веществ не улавливаетсяна фильтрах.
Вэтой связи особенно актуальна проблема исследования уровня загрязненияатмосферы, что и осуществляется, в частности, дистанционными методами.
Данилов-ДанильянВ.И. «Экология, охрана природы и экологическая безопасность» М.: МНЭПУ, 1997 г.
ПротасовВ.Ф. «Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России», М.: Финансы истатистика, 1999 г.
1. Спонтанноекомбинационное рассеяние 1.1 Общие сведения
Для получения комплексных сведений о параметрах потока одновременнос ОДЛ, дающим информацию о скорости потока, применяются бесконтактные методы лазернойдистанционной спектроскопии, основанные, в частности, на спонтанном комбинационномрассеянии, резонансном поглощении и рассеянии, которые позволяют определитьплотность и температуру газа (жидкости). Однако круг задач, поддающихся решениюс помощью указанных методов, не ограничивается только аэродинамическими процессами.Лазерная дистанционная спектроскопия позволяет исследовать вопросы физики и состава(естественных компонент) атмосферы в связи с проблемами метеорологии и аэродинамики,а также с борьбой за чистоту окружающей среды (обнаружение выбрасываемых ватмосферу продуктов, образующихся при сгорании топлива на промышленных предприятияхи бензина в автомашинах и т. д.), измерения температуры атмосферы, океана, качественногои количественного анализа плазмы, пламени, слежения за ходом химических реакцийдо известной степени для управления ими в производственных условиях и др.
При дистанционном лазерном зондировании атмосферы проводитсяне только индикация компонент, но и фиксация высоты, на которой выполняютсяопределения. Информации о концентрации исследуемых компонент извлекается из наблюдениявзаимодействия лазерного излучения (рассеяния, поглощения и флуоресценции) с атмосферой.Соответствующие приборы по начальному слогу и буквам английских слов LightDetection and Ranging по аналогии с радарами названы лидарами./>
1.2 Методы дистанционного обнаружения атомов и молекул,измерения их концентрации и температуры, основанные на использовании СКР света
В табл. 1 приведены типичные характеристики основных видов взаимодействиялазерного излучения с атмосферными компонентами. Рассеивание оптических волн взависимости от типа рассеивателей и соотношения их размеров с длиной волныобычно подразделяется на три вида: рассеяние Ми, рэлеевское и КР света.
Таблица 1. Сравнение процессов оптического взаимодействия,применяемых в методах дистанционного лазерного зондирования атмосферыВид взаимодействия Соотношение частот
ds / dW, см3/ср Выявленные компоненты Рассеяние Ми
nр = n0
10-26– 10-8 (аэрозоля) Частицы аэрозоля Рэлеевское рассеяние
nр = n0
10-26 (вне резонанса)
10-23 (в резонансе) Атомы и молекулы Комбинационное рассеяние
nр ¹ n0
10-29 (вне резонанса)
10-26 (в резонансе) То же Испускание (флуоресценция)
nр = n0
nр ¹ n0
10-29 (потушенная)
10-26 (потушенная) То же Поглощение
nр = n0
10-20 То же
Рассеяние Ми – это классическое упругое рассеяние,происходящее на длине волны падающего излучения, когда размеры рассеивающихчастиц сравнимы с длиной волны оптического излучения или больше ее. При этомрассеиваемый свет сконцентрирован в основном в направлении «вперед» и имеетзначительно меньшую интенсивность в направлении «назад». Хотя сечение этоговида рассеяния обычно не очень велико, что обеспечивает высокуючувствительность при зондировании таких частиц вещества, как пыль, водяныекапли, рассеяние Ми в то же время не позволяет проводить количественный анализатомного и молекулярного состава атмосферы.
Рэлеевское рассеяние также когерентно и происходит безсколько-нибудь значительного обмена энергией с внутренними состояниями молекули атомов, как показано на рис. 1, а, где n0обозначают частоту (волновое число) падающего, а nр – рассеянного излучения. На рисунке представлены основноеи возбужденное электронные состояния и их отдельные уровни. В случае атомовотдельные уровни образуются вследствие взаимодействий, определяющих тонкую исверхтонкую структуру, а в случае молекул они соответствуютколебательно-вращательным состояниям. Энергия рэлеевского рассеяниясосредоточена вблизи направления распространения пучка с равнымиинтенсивностями рассеяния «вперед» и «назад». Поскольку центральная длина волнырэлеевской компоненты рассеяния совпадает с длиной волны рассеяния Ми изависимость ее интенсивности от l является гладкой функцией (~ l-4), то различитьэти два вида можно только по индикатрисе рассеяния. Контур линии рэлеевскогорассеяния содержит информацию о температуре (вследствие эффекта Допплера).
Рэлеевское рассеяние используется для исследованиятурбулентности атмосферы, флуктуации плотности в диффузионных пламенах иопределения видов молекул в турбулентном потоке, рассеяние Ми – для определенияразмеров, концентраций и скоростей частиц. На рис. 1 изображены и другиевозможные механизмы, связанные с атомными и молекулярными процессами, в которыхфотон рассеивается неупруго. Процесс СКР включает обмен значительнымколичеством энергии между рассеянным фотоном и рассеивающей молекулой.Вследствие этого спектральные компоненты КР сдвинуты относительно частотыпадающего излучения на частотные интервалы, равными интервалам между уровнямиэнергии рассеивающих атомов или молекул. Сечение КР обычно меньше сечениярэлеевского рассеяния примерно на три порядка. Тем не менее методы лазерногозондирования с использованием КР весьма перспективны, так как дают возможностьпроводить идентификацию и контроль атмосферных составляющих из одного пункта, апри использовании нерезонансного КР сам эффект не зависит от длины волны падающегоизлучения. Интенсивность линий КР пропорциональна числу молекул в начальных состояниях,переходы из которых порождают данную линию или полосу, КР используется нетолько для получения информации о молекулярной структуре, но и для измеренийплотности, температуры и концентрации загрязнений в воздухе. Достигнутызначительные успехи в преодолении трудностей, обусловленных чрезвычайно малым эффективнымсечением КР.
/>
Ряс. 1. Диаграмма энергетических уровней атома или молекулы ипроцессов взаимодействия, связанных с рассеянием и флуоресценцией: а —рэлеевское рассеяние; б — стоксово комбинационное рассеяние; в — резонансное комбинационноерассеяние; г — резонансная флуоресценция; д — широкополосная нерезонанснаяфлуоресценция; е — резонансное рассеяние; m1, т2 и m3 —начальный, промежуточный и конечный уровни.
Когда частота возбуждающего излучения близка к резонанснойчастоте атома или молекулы, свечение КР существенно увеличивается вследствиерезонансного роста значения тензора поляризуемости. Данный процесс называетсярезонансным КР, и в это понятие включается не только чисто резонансное, но ипроисходящее вблизи резонанса взаимодействие. Хотя этот аффект был открыт давно,обсуждался в течение многих лет, количественные измерения стали возможны толькопосле создания перестраиваемых во частоте лазеров. Увеличение сечения от трехдо шести порядков величины по сравнению с сечением обычного КР на молекулах N2 наблюдалось при переходе к резонансу для такихмолекул, как I2, NO2, О3. Это позволяет дистанционнообнаруживать весьма низкие концентраций атмосферных составляющих, еслипоглощение не приведет к значительному ослаблению зондирующего излучения.
Флуоресценция представляет собой спонтанное испускание фотонаатомом или молекулой после перехода их в возбужденное состояние при поглощениипадающего излучения с частотой v0, лежащей в пределах отдельной линииили полосы поглощения. На рис. 1, е схематически показан процесс излучения извозбужденного уровня атома или молекулы при переходах на первоначальныйуровень. Этот процесс испускания дает дискретный спектр, обычно его называютрезонансной флуоресценцией. Если возбужденные атомы и молекулы испытываютсоударения, приводящие к перераспределению по другим возбужденным уровням врезультате безизлучательных переходов (рис. 1, д), то наблюдаетсяширокополосная флуоресценция, имеющая почти непрерывный спектр. Возбуждениефлуоресценции всегда требует перестраиваемого источника когерентногооптического излучения (перестраиваемые лазеры и оптические параметрическиеустройства) для настройки частоты возбуждения на резонансную частотуисследуемых молекул и ли атомов. Так как спектр флуоресценции являетсяхарактеристикой данного сорта атомов или молекул, то с его помощью удаетсяотождествить компоненты атмосферы.
/>
Рис. 2.Диаграмма трехмерного распределения интенсивности комбинационногорассеяния как функции угла: лазерное излучение направлено вдоль оси y и поляризовано в направлении оси х;телесные углы, под которыми собирается рассеянный свет, расположены вдоль осей x и z.
Все виды флуоресценции в атмосфере обычно подвержены тушению,вызванному неупругими соударениями с молекулами воздуха, что снижает ееинтенсивность на несколько порядков по сравнению с интенсивностью при низком давлении(условия в верхней атмосфере или в лаборатории). Процессы соударений приводят такжек спектральному уширению флуоресценции, увеличению деполяризации и уменьшению анизотропиивследствие «потери памяти» о направлении распространения и поляризациивозбуждающего излучения. Флуоресценция является последовательностью двух однофотонныхпроцессов, т. е. двухступенчатым взаимодействием, состоящим в поглощенииотдельного фотона частоты v0с последующим спонтанным испусканиемфотонов частотой vp.Интенсивность флуоресценции при высоких давлениях затухает экспоненциально. Рассеяниесвета на отдельном атоме или молекуле является двухфотонным процессом,описываемом одноступенчатым взаимодействием, которое приводит одновременно кисчезновению фотона с частотой v0и появлению другого фотона счастотой vp. На рис. 1, е изображен случай,когда возбуждение в области сильного поглощения приводит одновременно к испусканиюфотонов с частотой, равной или очень близкой к частоте v0. Такое резонансное рассеяние реализуется дляпаров атомов, имеющих большое сечение резонансного рассеяния и находящихся набольших высотах.
Трехмерно-угловое распределение интенсивности КР приведено нарис. 2. Минимальные и максимальные радиальные размеры тороида характеризуют процессрассеяния и определяют поперечное сечение рассеянна и деполяризации рассеянногоизлучения. Поперечное сечение рассеяния определяется максимальным радиальнымразмером тороида, деполяризация — отношением минимального размера кмаксимальному.
1.2 Теория комбинационного рассеяния света
В процессе рассеяния кванта света с энергией hv0на молекуле, находящейся в переходном состоянии сэнергией Е, молекула претерпевает двойной переход, поглощая и испуская фотон.При поглощении фотона энергия молекулы возрастает до уровня Е + hv0и, если этот уровень энергии не окажется стационарным, молекулавозвращается на какой-то другой уровень ЕI с испусканием кванта света. Если ЕI > E,то энергия фотона уменьшается до hv0-(EI — Е), тогда каквнутренняя энергия молекулы увеличивается на(EI — Е). Последний процесс возможентолько в случае, когдапереходныйэнергетический уровень Е не соответствует основному энергетическому состоянию.Рассеянное излучение, возникающее при этом, отличается по частоте отвозбуждающего, излучения. При ЕI > Е излучается стоксова, а при ЕI
Законы КР следующие:
1) спутникисопровождают каждую линию первичного света:
2) различие Dv в частотах возбуждающей первичнойлинии v0и линий каждого из спутников vI, vII, vIII… является характеристикой рассеивающеговещества и равно частотам собственных колебаний viего молекул;
3) спутникипредставляют собой две системы линий, расположенных по обе стороны отвозбуждающей линии;
4) с повышениемтемпературы интенсивность «фиолетовых» спутников быстро возрастает.
/>
Рис. 3. Диаграмма энергетических уровней и переходов вмолекуле при рэлеевском и комбинационном рассеянии слота: — — реальные энергетическиеуровни; — — — виртуальные энергетические уровни.
Возможны также обероны, равные 2Dvi, 3Dvi, и т.д., а также составныеколебания. На рис. 4 изображены сдвиги колебательно-вращательных линий КР типичныхмолекул, содержащихся в атмосфере, по отношению к линии возбуждающего излучения.На рисунке приведены также линии молекул азота, кислорода и водяных паров,присутствующих в атмосфере в больших количествах. Оценку абсолютнойконцентрации каждой молекулярной компоненты можно получить, сравниваяинтенсивность КР «назад» от этой компоненты с интенсивностью сигнала на линиимолекул N2, находящихся в том же объеме.
/>
Рис. 4. Частотные сдвиги Q-ветвей колебательно-вращательных спектров КР относительночастоты возбуждающего лазерного излучения для молекул
Правила отбора переходов КР для двухатомных линейных молекулимеют вид Dv = 0, ± 1 и Dj = 0,± 2, где v и j – колебательное и вращательное квантовое числа. Переходы с Dv = 0, Dj = ± 2 соответствуют вращательному спектру КР, переходы с v = ± 1 и Dj = ±2 — колебательно-вращательному спектру КР, переходы с Dv = 0, Dj = 0 – рэлеевскому рассеянию.
2. Принцип работылидара и характеристики лидарного метода с использованием спонтанного комбинационногорассеяния
Принцип работы лидаров состоит вследующем: и атмосферу посылается, как правило, дополнительно коллимированный лазерныйпучок и ведется наблюдение за светом, рассеянным в обратном направлении. Приэтом спектральное смещение сигнала СКР обеспечивает избирательность метода иделает, результаты определений независимыми от состояния атмосферы (наличия в нейчастиц аэрозоля, флуктуации температуры). В этом заключается решающеедостоинство лидара, основанного на явлении СКР (комбинационного лидара).
Типичный прибор состоит изимпульсного лазера, способного генерировать мощные моноимпульсы илипоследовательность импульсов (что важно для осуществления непрерывного слеженияза атмосферой и повышения чувствительности метода); телескопа, расширяющеговозбуждающий световой пучок, а значит, и уменьшающего его расходимость;телескопа, собирающего рассеянное излучение на входной щели спектральногоаппарата или на блоке подобранных узкополосных и отсекающих интерференционныхфильтров; системы приема, регистрации и обработки информации. Установкамонтируется стационарно в помещении либо в кузове автомашины.
Различают моностатические ибистатические лидарные системы. Моностатические системы основаныпреимущественно на использовании рассеяния (лидар на КР, резонансных эффектах,дифференциальном поглощений рассеянного излучения), их лазерный источник иприемный телескоп расположены рядом. Бистатические (разнесенные) системыхарактеризуются тем, что имеют либо раздольно расположенные лазерный передатчики приемный телескоп, либо лазер и телескоп, расположенные в одном месте, норазнесенные на некоторое расстояние. Схема бистатического комбинационного лидарапоказана на рис. 5. Основное уравнение комбинационного лидара для мощностивозвращенного сигнала записывается следующим образом:
/>
где Рл — мощностьвозбуждающего излучения лазера; tи— длительность импульса; пк — число рабочих импульсов; k1 — общий коэффициент пропускания оптики; Т0и Тс коэффициенты потерь излучения при его однократном прохождениичерез атмосферу в области возбуждающей и смещенной линии соответственно; Апу— коэффициент, суммарно учитывающий параметры приемно-усилительной системы; Афп— эффективная площадь приемника; k2 —коэффициент, учитывающийперекрывание возбуждающего и возвращенного пучков; N (R) —плотность атмосферы; sс — сечение рассеянияв обратном направлении; R — расстояние(высота).
Одним из основных требований кисследованию спектров КР является возможность измерения отношений Jq / J0и (Jq / J0)0. Относительная интенсивность рэлеевскогорассеяния составляет 10-3 – 10-4 отинтенсивностивозбуждающего излучения, в то время как интенсивность спектров КР в 10-3—10-4раз слабее. Следовательно, по сравнению с ЛДА для излучения спектров КРтребуются более интенсивные лазерные источники света преимущественно с длинойволны излучения в видимой и ультрафиолетовой области спектра, так какинтенсивность линии КР пропорциональна l-4. Для выделения в спектре КР нужных линий используется монохроматор сочень высокой избирательностью, чтобы максимально ослабить сигнал отсравнительно интенсивной линии, обусловленной рэлэевским рассеянием, ипаразитного рассеяния внутри прибора. Простой монохроматор ослабляет этот светдо уровня 10-4, а двойной – до уровня 10-10 – 10-12.Возможно также использование интерференционных фильтров с узкой полосой пропускания.
/>
/>
Рис. 5. Схема (а) и внешний вид (б)типичного лидара: 1 – импульсный рубиновый лазер; 2 – кристалл — удвоительчастоты; 3 – фотодиод для измерения импульса; 4 – полупрозрачное зеркало; 5 –зеркало приемного телескопа; 6 – диафрагма; 7 – осветительная оптика; 8 –двойной монохроматор с ФЭУ, усилительной и регистрирующей системами.2.1 Преимущества и недостатки схемы лазерных локаторов, основанныхна КР
1. В отличие от методов резонансногорассеяния не требуется применения определенной частоты лазерного излучения. Поэтомуможно работать на частоте, слабо поглощаемой в атмосферных газах, хотя дляповышения чувствительности предпочтительнее работать на более коротких длинахволн.
2. Обеспечивается исследованиегазовых компонент атмосферы с высоким разрешением по дальности. Длина волныможет перестраиваться для наблюдений изолированных комбинационных спектровотдельных молекулярных соединений. Это обусловлено правилами отбора, которыесущественно отличаются от правил отбора для обычных спектров излучения и поглощения.
3. Схема не ограничена определеннымитипами молекул. Она может применяться для обнаружения почти всех химическихсоединений, содержащихся в атмосфере, Для изучения соединений, спектр которыхзаранее неизвестен, желательно, чтобы детектирование всех частоткомбинационного спектра осуществлялось одновременно либо как можно быстрее.
4. Полностью устраняетсянеопределенность в данных обратного рассеяния, в случае, когда частотарассеянного сигнала равна частоте излучения лазера. Схема позволяет установитьвид рассеяния; принимаемого сигнала (рэлеевское или рассеяние на частицах). Врезультате обеспечиваются независимые измерения профиля аэрозоля и профилейплотности газовых компонент атмосферы.
5. Рассеянные сигналы всегда содержаткомбинационное эхо от основных атмосферных газов (N2 и О2), поэтому абсолютною молекулярную плотностьлюбого соединения легко получить, сравнивая интенсивности рассеянных сигналов,принятых из одной и той же области атмосферы.
Недостатки схемы
Основным недостатком является невысокаячувствительность при больших дальностях. Это обусловлено тем, что поперечноесечение КР на три порядка меньше рэлеевского. Следовательно, необходимы лазерыс высокой’мощностью излучения в более коротковолновом диапазоне длин воли.2.2 Измерение концентрации и температуры газов
С помощью СКР исследовано несколькогазов промышленной чистоты. Давление, а следовательно, и плотность (Tconst) изменялись по величине на трипорядка. В качестве источника возбуждающего излучения использовался рубиновыйлазер типа TRG модели 104А с модулированнойдобротностью (l = 694,3 нм).Энергия импульса излучения была 1 кДж при длительности около 10 нс (пополуширине), что соответствовало пиковой мощности 100 МВт. Излучение было линейнополяризовано в вертикальной плоскости. В экспериментах использовалсяспектрограф модели М-401. Регистрация спектров КР на выходе спектрографаосуществлялась с помощью высокочувствительного ФЭУ (модель RCA № 031000) и высокоскоростного осциллографа.Ширина входной щели спектрографа регулировалась в пределах 25 – 100 мкм.
На рис. 6 приведены результатыизмерения интенсивностей линии КР в чистых газах. Для выделения комбинационныхлиний в спектре рассеянного света использовались два узкополосных фильтра. ДляСО2, имеющего четыре стоксовы компоненты, спектрограф регистрируетобщую интенсивность колебательно-вращательных полос на длинах волн 768,3 и769,6 нм. Проводились также раздельные измерения интенсивности на полосах 710,2и 762,3 нм, которая составляла 8,1 × 10-8 Вт при интенсивности возбуждающего излучения75 МВт. Измеренная и расчетная интенсивности линий в диапазоне измененияплотности газа на 2,5 порядка хорошо согласуются. Погрешность измерений понижаетсяпри более высоких давлениях газа и увеличивается до 15—20 % при низких. Нижнийпредел измеренного давления для N2 составил 1,3 кПa, что выше, чем для О2 и СО2(0,4 — 0,53 кПа). Это объясняется тем, что эффективное сечение света для N2 меньше, чем для О2 и СО2. Принизком давлении интенсивность рассеянного света находится в пределах шума ФЭУ ине может быть измерена. Графики, приведенные на рис. 6, можно рассматривать каккалибровочные и использовать их для определения парциальных концентраций веществв различных газовых смесях, состав которых заранее известен.
Параметры КР молекул многих веществлибо не известны, либо измерены неточно. Типичным примером является вода, содержаниекоторой в атмосфере и профиль ее распределения являются важнейшими параметрами формированияпогодных условий. В связи с важностью константы s(Н2О) проведен цикл измерений поперечногосечения колебания молекулы воды в жидкой и газообразной фазах с максимальным учетомвозможных погрешностей. В качестве эталонных линий использовались линии КРгазообразного азота 2331 см-1 и жидкого бензола 992 см-1,сечения которых определены точно. Спектр КР возбуждался аргоновым лазером (Рп= 1 Вт). В результате многократных записей интегральной интенсивности полосы3400 см-1 жидкой воды и линии 992 см-1 бензола получено sЖ(Н2О) = (9 ± 2) × 10-30 см2 × ср-1 мол-1. Втуманах и спектре КР в области полосы v1 из-за сильнойводородной связи наблюдается широкая полоса со сравнительно острым пиком начастоте 3652 см-1. При соответствующей обработке такой полосы можноопределить содержание воды в жидкой и парообразной фазах. При измерении сеченияКР линии 3052см-1 парообразной воды использовались те же эталонные линии.Поперечное сечение уменьшается почти в шесть раз при переходе из жидкой фазы вгазообразную. Аналогичная картина наблюдается и для многих органическихвеществ, но их поперечное сечение при переходе в пар уменьшается в 2—3 раза.
/>
Рис. 6. Интенсивность стоксовой компоненты КР О2(1), N2 (2) и СО2 (3), измеренная в воздухе, прикомнатной температуре с помощью спектрографа, фильтрами, Р = 0,21; 28 кПа, Р =13,3 – 106, 4 кПа;
Проведены лабораторные измеренияколичественных характеристик КР от границы раздела воздух — вода с цельюизучения загрязненности воды и выяснения возможностей исследования больших поплощади водных акваторий с помощью лидара, устанавливаемого на борту самолетаили спутника. КР паров воды зависит от энергии падающего фотона (в качествеэталона использовался N2).
На рис. 7 приведены поперечные сечениядля смеси паров улеводородов, входящих в состав нефти, которые в 115 раз большепоперечного сечения КР для азота.
/>
Рис. 7. Спектр КР смеси паровуглеводородов, входящих в состав нефти (l = 532 нм)
На границе раздела спектр КР оченьблизок к спектру от объема жидкости. Исследовано тепловое «загрязнение» (тепловаястрафикация) искусственного образца морской воды. Интенсивность, положение иформа основного максимума в спектре КР в морской воде являются функциейтемпературы. Этот результат аналогичен измерениям в чистой воде. Наличие ионоврастворенного вещества в воде не изменяет температурной зависимости спектра.Спектры рассеяния на границе раздела воздух — вода (чистая) и воздух — нефть наповерхности воды приведены на рис. 8. Проведено дистанционное определение концентрациипримесей в воде методом лазерной спектроскопии с калибровкой по КР
/>
Рис. 8. Спектр КР (v0= 17 500 см-1):
1 — от границы раздела воздух — нефтяная пленка на поверхности воды;2 — от границы раздела воздух — чистая вода; lвозб = 532 нм.2.3 Применение комбинационных лидаров для исследованияатмосферы и ее загрязнений
При исследовании с помощьюкомбинационного лидара паров воды (l = 347,1 нм) спектральным прибором является двойноймонохроматор. найдено распределение паров воды в атмосфере на высоте до 2 км.Тенденция к возбуждению спектров коротковолновым излучением получила дальнейшееразвитие. Так, с помощью лидара на второй гармоники излучения рубинового лазерас пространственным разрешением около 100 м измерено распределение водяных паровв атмосфере.
Использование для возбуждениячетвертой гармоники лазера на неодимовом стекле или на кристаллеиттрий-алюминиевого гранита (l = 266,0 нм) позволяет применить резонансные методики, так как излучениес такой l не очень сильно поглощается низкимислоями атмосферы и попадает в спектральную область с ничтожно малой светимостьюнеба. Поэтому становятся доступными круглосуточные наблюдения, что чрезвычайноважно на практике. Создана соответствующая аппаратура, пороговаяконцентрационная чувствительность которой на высоте 2, 3 км равна 0,005 и 0,05млн-1 соответственно, что определяется почти резонансными условиямивозбуждения спектров. Наибольшего успеха удалось достичь в индикации O2 и SO2. Однако лидар оказался гораздо менеечувствительным по отношению к другим компонентам (таким, как пары воды иуглекислота).
Исследовала проблема качественной иколичественной диагностики загрязнений в атмосфере. Ряд экспериментов проведени условиях, моделирующих реальные, что позволило осуществить практическийвариант лидара, предназначенного для индикации продуктов сгорания топлива.Установка была оснащена рубиновым лазером с удвоителем частоты.
В дальнейшем источниками возбужденияслужили излучение с азотного лазера и второй гармоники лазера на кристалле Nd3+YAG (l = 532,0 нм). Последняя система положенав основу промышленного образца прибора. Разработанные лидары были использованыдля проведения физических исследований атмосферы и, в частности, для измеренияконцентрации посторонних веществ. Удалось отождествить в дыму и выхлопных газахавтомобиля повышенное содержание СО2, и СО (0,11 и 0,43 %), а также SО2, С2Н4,Н2СО, NО, Н2, С3Н4, СН4,паров воды (рис. 9).
/>
/>
Рис. 9. Спектры СКР чистой атмосферы(а), дыма, образующегося при сгорании масла (б), и выхлопных газов автомобиля (в):lвозб = 337 нм.
Исследована проблема дистанционногоопределения загрязняющих веществ в атмосфере. Изучено около 200 веществ в жидкоми газообразном состояниях с целью получения отправных данных, необходимых дляконструирования полевого экземпляра аппаратуры. Объекты исследования выносилисьна расстояние примерно от 100 м до 1 км. Свет собирался небольшим конденсором.В некоторых случаях вещества распылялись в атмосфере в виде облака. Веськомплекс предварительных исследований положен в основу разработки варианталидара для проведения дистанционных измерений в дневное время в чистой изагрязненной атмосфере в условиях хорошей видимости и в тумане. Измерялосьсодержание в атмосфере Н2О, СО2, SO2 и паров углеводородов на высоте до 800 метров (разрешение 10м), время накопления 50 с. Для первых трех компонент концентрационнаячувствительность равна 300 млн-1, а для паров углеводородов — 17 млн-1.Комбинационный лидар по чувствительности превосходит приборы такого назначенияболее чем на 2 порядка.
На рис. 10, а показан спектробратного рассеяния для нефтяных дымов, измеренный с помощью комбинационноголазерного локатора. Нефтяное топливо сжигалось в камере. Дым, проходящий черезвытяжную трубу в атмосферу, был настолько разрежен, что едва различался глазом.Интенсивные пики наблюдались на длинах волн, соответствующих молекулам SO2, С2Н2, Н2СО, NО, СО,Н2, СН4, а также молекулам основных компонент атмосферыСО2, О2, N2. Последние три молекулы представляютудобные опорные точки для методов комбинационной лазерной локации. Довольноширокая спектральная полоса с центром на длине волны 38000 нм может быть отнесенак молекуле жидкой воды, что соответствует лабораторным измерениям. На рис.10, бпредставлен комбинационный спектр выхлопных автомобильных газов. Выхлопные газыотводились через трубу в атмосферу. Кроме полос, соответствующих обычным, в газах присутствуют молекулы С2Н4,NO, CO. Поскольку спектры Н2СО, H2S и СН4перекрываются, наличие их в газах нельзя считать доказанным. В указанныхэкспериментах время интегрирования составляет 5 с. Время наблюдений, необходимоедля того, чтобы выполнить полное сканирование в интервале длины волны 500 нм,равно 40 мин. Для измерений центрального пика комбинационной полосы любой молекулыдостаточно 10 с.
/> />
Рис. 10. Экспериментально найденныйспектр КР нефтяного дыма (а) и выхлопных газов автомобиля (б)