Методы дистанционного обнаружения атомов и молекул, измерения их концентрации и температуры, основанные на использовании СКР света

Содержание

Введение

1. Спонтанное комбинационное рассеяние

1.1 Общие сведения

1.2 Методы дистанционного обнаружения атомов и молекул, измерения их концентрации и температуры, основанные на использовании СКР света

1.2 Теория комбинационного рассеяния света

2. Принцип работы лидара и характеристики лидарного метода с использованием спонтанного комбинационного рассеяния

2.1 Преимущества и недостатки схемы лазерных локаторов, основанных на КР

2.2 Измерение концентрации и температуры газов

2.3 Применение комбинационных лидаров для исследования атмосферы и ее загрязнений

Литература

 

Введение

 

За последние сто лет засорение окружающей среды усилилось разными выбросами. За это время в атмосферу Земли попало, по подсчетам ученых, более миллиона тонн кремния, полтора миллиона мышьяка, около миллиона тонн кобальта. Еще более было выброшено пыли, сажи, копоти, оксидов азота, углерода и серы. Причем большинство выбрасываемых и вредных веществ – ценное промышленное сырье.

Надо иметь в виду то, что где бы на земле ни происходили выбросы пыли, сажи, газов, поднимаясь в атмосферу и тропосферу, они распространяются затем по всей оболочке 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 сквозь грязное окно. Кроме того, пыль в воздухе и избыток газов задерживают ультрафиолетовые лучи. Все это вместе ведет к уменьшению температуры на освещенной Солнцем стороне планеты. В конечном счете, это влияет на тепловой баланс Земли. Во-вторых, если пыль в атмосфере задерживает ультрафиолетовые лучи, то вода и особенно углекислый газ препятствуют уходу в космическое пространство теплового излучения. Оно накапливается у поверхности Земли. В итоге наша планета недополучает солнечного света и не может избавиться от избытка теплоты, и природное тепловое равновесие оказывается под угрозой.

Важную роль в концентрации загрязняющих веществ и их перемещении играют ветры. Сильный ветер уносит загрязняющие вещества из городов, рассеивает их в больших объемах воздуха. В результате концентрации загрязнения уменьшаются. При определенных физико-географических условиях сильный ветер, наоборот, в ряде случаев приводит к увеличению концентрации пыли в воздухе. Например, в странах аридного климата нарушение почвенно-растительного покрова способствует возникновению пыльных бурь, при которых в воздух поднимаются колоссальные массы твердых частиц почвы. Следует оговориться, что при сильных ветрах проблема загрязнения может не исчезнуть, а как бы переместиться в пространстве. Например, при сильных ветрах пыль и газы промышленного происхождения из районов Британских островов достигают Средней Швеции, образуя там загрязнения опасных концентраций.

Сернистый газ с водой воздуха образует капельки серной кислоты. Растворы серной кислоты могут долго держаться в воздухе в виде плавающих капелек тумана или выпадать вместе с дождем на землю. Эти растворы разъедают металлы, краски, синтетические соединения, ткани, губительно действуют на растения и животных. Попадая на землю, серная кислота подкисляет почвы. В результате этого сокращается почвенная фауна.

Распыляются в воздухе асфальт и бетон дорог, резина покрышек автомобилей. Химизация сельского хозяйства сопровождается попаданием в атмосферу все большего количества химических веществ.

В настоящее время наиболее распространенный способ борьбы с загрязнениями воздуха заключается 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 грязь на большие расстояния от мест выброса и рассеивают ее в больших объемах воздуха. Во все более широких масштабах проводится строительство разного рода очистных сооружений, уменьшающих выбросы в атмосферу. Но все самые совершенные очистные установки не могут полностью уловить загрязняющие вещества, и какая-то их часть всегда поступает в воздух. В охране воздуха городов и населенных пунктов важная роль принадлежит зеленым насаждениям и зеленым зонам.

Однако все выше названные способы не могут полностью решить проблему охраны атмосферы. Фильтры, газо- и пылеуловители приводят к скоплению огромных масс вредных веществ, которые куда-то надо складировать. При этом происходит загрязнение почвы, поверхностных и грунтовых вод. Часть загрязняющих веществ не улавливается на фильтрах.

В этой связи особенно актуальна проблема исследования уровня загрязнения атмосферы, что и осуществляется, в частности, дистанционными методами.

Данилов-Данильян В.И. «Экология, охрана природы и экологическая безопасность» М.: МНЭПУ, 1997 г.

Протасов В.Ф. «Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России», М.: Финансы и статистика, 1999 г.

Спонтанное комбинационное рассеяние

Общие сведения

 

Для получения комплексных сведений о параметрах потока одновременно с ОДЛ, дающим информацию о скорости потока, применяются бесконтактные методы лазерной дистанционной спектроскопии, основанные, в частности, на спонтанном комбинационном рассеянии, резонансном поглощении и рассеянии, которые позволяют определить плотность и температуру газа (жидкости). Однако круг задач, поддающихся решению с 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 в атмосферу продуктов, образующихся при сгорании топлива на промышленных предприятиях и бензина в автомашинах и т. д.), измерения температуры атмосферы, океана, качественного и количественного анализа плазмы, пламени, слежения за ходом химических реакций до известной степени для управления ими в производственных условиях и др.

При дистанционном лазерном зондировании атмосферы проводится не только индикация компонент, но и фиксация высоты, на которой выполняются определения. Информации о концентрации исследуемых компонент извлекается из наблюдения взаимодействия лазерного излучения (рассеяния, поглощения и флуоресценции) с атмосферой. Соответствующие приборы по начальному слогу и буквам английских слов Light Detection and Ranging по аналогии с радарами названы лидарами.

Методы дистанционного обнаружения атомов и молекул, измерения их концентрации и температуры, основанные на использовании СКР света

 

В табл. 1 приведены типичные характеристики основных видов взаимодействия лазерного излучения с атмосферными компонентами. Рассеивание оптических волн в зависимости от типа рассеивателей и соотношения их размеров с длиной волны обычно подразделяется на три вида: рассеяние Ми, рэлеевское и КР света.

 

Таблица 1. Сравнение процессов оптического взаимодействия, применяемых в методах дистанционного лазерного зондирования атмосферы

Вид 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 рассеивающих частиц сравнимы с длиной волны оптического излучения или больше ее. При этом рассеиваемый свет сконцентрирован в основном в направлении «вперед» и имеет значительно меньшую интенсивность в направлении «назад». Хотя сечение этого вида рассеяния обычно не очень велико, что обеспечивает высокую чувствительность при зондировании таких частиц вещества, как пыль, водяные капли, рассеяние Ми в то же время не позволяет проводить количественный анализ атомного и молекулярного состава атмосферы.

Рэлеевское рассеяние также когерентно и происходит без сколько-нибудь значительного обмена энергией с внутренними состояниями молекул и атомов, как показано на рис. 1, а, где n₀ обозначают частоту (волновое число) падающего, а n_р – рассеянного излучения. На рисунке представлены основное и возбужденное электронные состояния и их отдельные уровни. В случае атомов отдельные уровни образуются вследствие взаимодействий, определяющих тонкую и сверхтонкую структуру, а в случае молекул они соответствуют колебательно-вращательным состояниям. Энергия рэлеевского рассеяния сосредоточена вблизи направления распространения пучка с равными интенсивностями рассеяния «вперед» и «назад». Поскольку центральная длина волны рэлеевской компоненты рассеяния совпадает с длиной волны рассеяния Ми и зависимость ее интенсивности от l является гладкой функцией (~ l^-4), то различить эти два вида можно только по индикатрисе рассеяния. Контур линии рэлеевского рассеяния содержит информацию о температуре (вследствие эффекта Допплера).

Рэлеевское рассеяние используется для исследования турбулентности атмосферы, флуктуации плотности в диффузионных пламенах и определения видов молекул в турбулентном потоке, рассеяние Ми – для определения размеров, концентраций и скоростей частиц. На рис. 1 изображены и другие возможные механизмы, связанные с атомными и молекулярными процессами, в которых фотон рассеивается неупруго. Процесс СКР включает обмен значительным количеством энергии между рассеянным фотоном и рассеивающей молекулой. Вследствие этого спектральные компоненты КР сдвинуты относительно частоты падающего излучения на частотные интервалы, равными интервалам между уровнями энергии рассеивающих атомов или молекул. Сечение КР обычно меньше сечения рэлеевского рассеяния примерно на три порядка. Тем не менее методы лазерного зондирования с использованием КР весьма перспективны, так как дают возможность проводить идентификацию и контроль атмосферных составляющих из одного пункта, а при использовании нерезонансного КР сам эффект не зависит от длины волны падающего излучения. Интенсивность линий КР пропорциональна числу молекул в начальных состояниях, переходы из которых порождают данную линию или полосу, КР используется не только для получения информации о молекулярной структуре, но и для измерений плотности, температуры и концентрации загрязнений в воздухе. Достигнуты значительные успехи в преодолении трудностей, обусловленных чрезвычайно малым эффективным сечением КР.

 

 

Ряс. 1. Диаграмма энергетических уровней атома или молекулы и процессов взаимодействия, связанных с рассеянием и флуоресценцией: а — рэлеевское рассеяние; б — стоксово комбинационное рассеяние; в — резонансное комбинационное рассеяние; г — резонансная флуоресценция; д — широкополосная нерезонансная флуоресценция; е — резонансное рассеяние; m₁, т₂ и m₃ — начальный, промежуточный и конечный уровни.

 

Когда частота возбуждающего излучения близка к резонансной частоте атома или молекулы, свечение КР существенно увеличивается вследствие резонансного роста значения тензора поляризуемости. Данный процесс называется резонансным КР, и в это понятие включается не только чисто резонансное, но и происходящее вблизи резонанса взаимодействие. Хотя этот аффект был открыт давно, обсуждался в течение многих лет, количественные измерения стали возможны только после создания перестраиваемых во частоте лазеров. Увеличение сечения от трех до шести порядков величины по сравнению с сечением обычного КР на молекулах N₂ наблюдалось при переходе к резонансу для таких молекул, как I₂, NO₂, О₃. Это позволяет дистанционно обнаруживать весьма низкие концентраций атмосферных составляющих, если поглощение не приведет к значительному ослаблению зондирующего излучения.

Флуоресценция представляет собой спонтанное испускание фотона атомом или молекулой после перехода их в возбужденное состояние при поглощении падающего излучения с частотой v₀, лежащей в пределах отдельной линии или полосы поглощения. На рис. 1, е схематически показан процесс излучения из возбужденного уровня атома или молекулы при переходах на первоначальный уровень. Этот процесс испускания дает дискретный спектр, обычно его называют резонансной флуоресценцией. Если возбужденные атомы и молекулы испытывают соударения, приводящие к перераспределению по другим возбужденным уровням в результате безизлучательных переходов (рис. 1, д), то наблюдается широкополосная флуоресценция, имеющая почти непрерывный спектр. Возбуждение флуоресценции всегда требует перестраиваемого источника когерентного оптического излучения (перестраиваемые лазеры и оптические параметрические устройства) для настройки частоты возбуждения на резонансную частоту исследуемых молекул и ли атомов. Так как спектр флуоресценции является характеристикой данного сорта атомов или молекул, то с его помощью удается отождествить компоненты атмосферы.

 

Рис. 2.Диаграмма трехмерного распределения интенсивности комбинационного рассеяния 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 ее интенсивность на несколько порядков по сравнению с интенсивностью при низком давлении (условия в верхней атмосфере или в лаборатории). Процессы соударений приводят также к спектральному уширению флуоресценции, увеличению деполяризации и уменьшению анизотропии вследствие «потери памяти» о направлении распространения и поляризации возбуждающего излучения. Флуоресценция является последовательностью двух однофотонных процессов, т. е. двухступенчатым взаимодействием, состоящим в поглощении отдельного фотона частоты v₀ с последующим спонтанным испусканием фотонов частотой v_p. Интенсивность флуоресценции при высоких давлениях затухает экспоненциально. Рассеяние света на отдельном атоме или молекуле является двухфотонным процессом, описываемом одноступенчатым взаимодействием, которое приводит одновременно к исчезновению фотона с частотой v₀ и появлению другого фотона с частотой v_p. На рис. 1, е изображен случай, когда возбуждение в области сильного поглощения приводит одновременно к испусканию фотонов с частотой, равной или очень близкой к частоте v₀. Такое резонансное рассеяни^е реализуется для паров атомов, имеющих большое сечение резонансного рассеяния и находящихся на больших высотах.

Трехмерно-угловое распределение интенсивности КР приведено на рис. 2. Минимальные и максимальные радиальные размеры тороида характеризуют процесс рассеяния и определяют поперечное сечение рассеянна и деполяризации рассеянного излучения. Поперечное сечение рассеяния определяется максимальным радиальным размером тороида, деполяризация — отношением минимального размера к максимальному.

1234	Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: