Студопедия — ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ






Лидар аналогичен радару не только по принципиальному устройству. На экране радара оператор видит отражение радиоимпульса от цели, определяет дальность до нее, скорость ее полета. По характеристикам отраженного сигнала можно судить о размерах цели, отличить легкий спортивный самолет от большого лайнера, но определить, скажем, химический состав крыла самолета невозможно. На экране лидара сигнал от самолета или ракеты аналогичен сигналу, наблюдаемому на радаре. При зондировании атмосферы принципиальное различие, кроме диапазона используемых длин волн, состоит в том, что наблюдается сигнал обратного рассеяния, а не отражения. Лазерный зонд, стремительно движущийся по трассе, непрерывно посылает часть рассеянных фотонов из разных слоев атмосферы на своем пути. Конечно, по интенсивности сигнала можно судить, например, о мощности аэрозольных слоев или оптической плотности облака, измерять их высоту, а для неплотных облаков - и толщину.

Специалиста-геофизика интересует - из капелек или кристалликов состоит облако, сколько их в единице объема, какова концентрация аэрозолей в наблюдаемом слое, температура, плотность, химический состав атмосферы и многое другое. Иными словами, от величины сигнала обратного рассеяния необходимо перейти к физическим характеристикам атмосферы. Это весьма сложная проблема сразу же привлекла внимание физиков-теоретиков. Поэтому неудивительно, что в первые же десятилетия лазерного изучения атмосферы создавались и совершенствовались сложные теории, позволяющие по величине принятого сигнала определять различные характеристики атмосферы.

Одновременно появились лидарные методы дистанционного измерения прозрачности приземного слоя воздуха (ранее для этого использовались источники света и приемники, стоящие в противоположных концах оптического пути). Лидары позволяют проводить измерения на любых трассах, причем с высоким пространственным разрешением, что особенно важно для аэродромных служб.

Лидарные измерения концентраций аэрозолей и малых газовых примесей, загрязняющих воздушный бассейн промышленных центров, - еще одно быстро развивающееся направление контроля нижней тропосферы. Они позволяли обойтись без использования контактных датчиков, работавших в основном только в пределах десятков метров от земной поверхности (если прибор, скажем, установлен на крыше высокого здания), и дистанционно определять стратификацию, пространственную протяженность, динамику развития, распространение и распределение аэрозольных слоев техногенного происхождения, оценивать концентрацию аэрозолей.

В 1967 году была опубликована первая работа о попытке лазерных измерений концентрации газов в тропосфере с помощью спонтанного комбинационного рассеяния (СКР). Поперечное сечение СКР одной молекулы известно (вычислено; измерено в лабораториях), а сигнал обратного рассеяния определяется его произведением на содержание молекул в единице объема воздуха. Каждый газ из-за различной частоты внутримолекулярных колебаний характеризуется своими частотами комбинационного рассеяния, сдвинутыми от основной частоты падающего лазерного излучения. Поэтому в спектре рассеянного излучения наблюдаются две системы линий, лежащих симметрично по обе стороны частоты возбуждения. Длинноволновая линия значительно интенсивнее коротковолновой, которую для измерений обычно не используют. Так, если в атмосферу излучен импульс лазером на рубине (длина волны излучения 694,3 нм), то сигнал от молекул N2 поступит на длине волны 828,3 нм, от О2 - 778,4 нм, от N2О - 758,8 нм.

Поставив в приемную систему лидара перед ФЭУ узкополосные оптические фильтры, монохроматор или другие оптические приборы, можно измерить величину сигнала на выбранной длине волны и определить концентрацию того или иного газа. Причем определить в любом объеме по трассе зондирования: в шлейфе заводской трубы, на автостраде, над кратером вулкана. Поперечные сечения СКР невелики, но возрастают с переходом в коротковол новую часть спектра. Дальнейшие исследования позволили измерить концентрацию многих газовых примесей, составить "карты" загрязняющих воздух газов в промышленных центрах. Метод СКР позволяет измерить единицы - десятки молекул загрязняющего атмосферу газа на миллион молекул воздуха.

Значительно большей чувствительностью обладает метод дифференциального поглощения (ДП), основанный на сравнении сигналов обратного рассеяния в области сильного и слабого поглощения газом.

Представим, что в атмосферу посылаются импульсы от лазера, генерирующего ультрафио летовое излучение на длинах волн 308 и 353 нанометра. Излучение на первой длине волны будет поглощаться молекулами озона более чем в тысячу раз сильнее по сравнению со второй. Поэтому сигналы их обратного рассеяния окажутся различными. Теоретические методы позволяют, сравнивая величины этих сигналов, найти концентрацию озона на выбранной высоте атмосферы. А анализируя изменение величин сигналов обратного рассеяния с высотой, можно определить и распределение концентрации молекул озона по трассе лазерного луча. И что очень важно, метод дифференциального поглощения позволяет определить уже единицы - десятки молекул газа на триллион молекул воздуха. А так как каждый газ в силу "оригинальности" собственной молекулы имеет различные участки поглощения по шкале длин волн, сейчас проводятся измерения концентрации практически всех малых газовых примесей, присутствующих в воздушном бассейне, в том числе и газов антропогенного происхождения.

Одна из основных задач лидарных наблюдений в стратосфере - контроль стратосферного аэрозоля, находящегося в основном на высоте 15-25 километров. В стратосфе ру из тропосферы непрерывно попадают различные сернистые соединения, образующие постоянный слой аэрозоля в виде капелек 75%-ного раствора серной кислоты радиусом около 0,03 микрона. Но во время сильных вулканических извержений в стратосферу выбрасывается до 100 миллиардов кубометров твердых частичек и сернистого газа, который при растворении в атмосферной влаге также превращается в капельки серной кислоты. Мощный слой аэрозоля заметно ослабляет солнечное излучение, изменяя температуру тропосферы и стратосферы. Климатологами показано, что в приземном слое воздуха в течение нескольких лет после крупных вулканических извержений температура понижается на 1-2оС, и это способствует изменению климата и увеличению частоты экстремальных метеорологических явлений.

Не менее интересные результаты получены при лидарных исследованиях слоя атомарного натрия, который попадает в атмосферу в результате распада метеоритов (а затем лития и калия) в верхней атмосфере с использованием эффекта резонансного рассеяния (РР).

Как и любая квантовая система, атом натрия имеет несколько энергетических уровней. Переход с основного на более высокий уровень сопровождается поглощением излучения на длине волны 589 нанометров. Лазерное излучение, имеющее такую длину волны, достигает слоя паров натрия, который постоянно находится на высоте от 80 до 110 километров, и начинает взаимодействовать с атомами. Лазерный фотон поглощается, возбуждая атом; за время около 10-8секунды происходит переизлучение на той же длине волны, и атом натрия возвращается в основное состояние. Сигнал обратного рассеяния вызывается практически только наличием атомов натрия.

Результаты этих измерений позволили узнать много нового о так называемых гравитационных волнах в атмосфере (см. словарик к статье), сезонном и широтном распределении слоя паров натрия, суточных изменениях интенсивности метеорных потоков.

Для прогноза погоды необходимы постоянные измерения характеристик атмосферы и в первую очередь - распределения с высотой температуры, влажности, давления, скорости и направления ветра. Для этого примерно в трехстах точках Советского Союза с кораблей погоды, в Арктике и Антарктиде несколько раз в сутки запускались радиозонды - шары-пилоты с приборами, определяющими первые три параметра. Радиолокатор следил за полетом радиозонда (его потолок достигал 25-30 километров), измеряя скорость и направление ветра и принимая сигналы с борта радиозонда о распределении температуры, давления и влажности. Радиозонд - прибор одноразовый, и развитие лазерного зондирования стимулировало разработку методов и лазерной аппаратуры для определения указанных характеристик (их часто называют стандартными).

Используя эффект Доплера, лидарная аппаратура позволяет с поверхности Земли до высоты 15 километров измерять скорость и направление ветра, распределение влажности в тропосфере и нижней атмосфере, температуры до высоты около 100 километров.

Последнее десятилетие ХХ века стало временем регулярных геофизических наблюдений на десятках лидарных станций в разных точках Земли за состоянием стратосферного аэрозоля и озона.

Лазеры ставят на исследовательские самолеты и космические аппараты для нахождения верхней границы облаков, измерения характеристик стратосферного аэрозоля, глобальной циркуляции атмосферы, изучения свойств перистой облачности, которая играет большую роль в поглощении и отражении излучения земной поверхности и, следовательно, во многом определяет погоду и климат.

В последние десятилетия создаются новые лидары на базе современных лазеров. Они не только позволяют повысить точность измерений, но и дают возможность измерять сразу несколько характеристик атмосферы.

Работы по лазерному зондированию атмосферы начали вести в 60-70-е годы XX века молодые отечественные исследователи, чаще всего пришедшие со студенческой скамьи. Техника создавалась буквально на пустом месте: молодые ученые сами разрабатывали лазеры, оптические и радиотехнические устройства, конструировали наземную и самолетную аппаратуру. Это было время ученых-романтиков, мечта которых - удачные новые измерения, интересный доклад или статья о своей работе.

Те, кто видел, как лазерный луч уходит в ночное небо, как тонкая зеленая игла лазера на гранате или темно-красная на рубине пронзает воздушный океан, теряясь в космических далях, навсегда запомнили это фантастическое зрелище. Образ стремительного лазерного луча создается в стихах испанского поэта Федерико Гарсиа Лорки, хотя написаны они не о лазере:

Острая звезда - алмаз,
Глубину небес пронзая,
Вылетела птицей света
Из неволи мирозданья
.







Дата добавления: 2015-09-04; просмотров: 313. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Аальтернативная стоимость. Кривая производственных возможностей В экономике Буридании есть 100 ед. труда с производительностью 4 м ткани или 2 кг мяса...

Вычисление основной дактилоскопической формулы Вычислением основной дактоформулы обычно занимается следователь. Для этого все десять пальцев разбиваются на пять пар...

Расчетные и графические задания Равновесный объем - это объем, определяемый равенством спроса и предложения...

Кардиналистский и ординалистский подходы Кардиналистский (количественный подход) к анализу полезности основан на представлении о возможности измерения различных благ в условных единицах полезности...

Мелоксикам (Мовалис) Групповая принадлежность · Нестероидное противовоспалительное средство, преимущественно селективный обратимый ингибитор циклооксигеназы (ЦОГ-2)...

Менадиона натрия бисульфит (Викасол) Групповая принадлежность •Синтетический аналог витамина K, жирорастворимый, коагулянт...

Разновидности сальников для насосов и правильный уход за ними   Сальники, используемые в насосном оборудовании, служат для герметизации пространства образованного кожухом и рабочим валом, выходящим через корпус наружу...

Кишечный шов (Ламбера, Альберта, Шмидена, Матешука) Кишечный шов– это способ соединения кишечной стенки. В основе кишечного шва лежит принцип футлярного строения кишечной стенки...

Принципы резекции желудка по типу Бильрот 1, Бильрот 2; операция Гофмейстера-Финстерера. Гастрэктомия Резекция желудка – удаление части желудка: а) дистальная – удаляют 2/3 желудка б) проксимальная – удаляют 95% желудка. Показания...

Ваготомия. Дренирующие операции Ваготомия – денервация зон желудка, секретирующих соляную кислоту, путем пересечения блуждающих нервов или их ветвей...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.01 сек.) русская версия | украинская версия