Применение комбинационных лидаров для исследования атмосферы и ее загрязнений

При исследовании с помощью комбинационного лидара паров воды (l = 347,1 нм) спектральным прибором является двойной монохроматор. найдено распределение паров воды в атмосфере на высоте до 2 км. Тенденция к возбуждению спектров коротковолновым излучением получила дальнейшее развитие. Так, с помощью лидара на второй гармоники излучения рубинового лазера с пространственным разрешением около 100 м измерено распределение водяных паров в атмосфере.

Использование для возбуждения четвертой гармоники лазера на неодимовом стекле или на кристалле иттрий-алюминиевого гранита (l = 266,0 нм) позволяет применить резонансные методики, так как излучение с такой l не очень сильно поглощается низкими слоями атмосферы и попадает в спектральную область с ничтожно малой светимостью неба. Поэтому становятся доступными круглосуточные наблюдения, что чрезвычайно важно на практике. Создана соответствующая аппаратура, пороговая концентрационная чувствительность которой на высоте 2, 3 км равна 0,005 и 0,05 млн^-1 соответственно, что определяется почти резонансными условиями возбуждения спектров. Наибольшего успеха удалось достичь в индикации O₂ и SO₂. Однако лидар оказался гораздо менее чувствительным по отношению к другим компонентам (таким, как пары воды и углекислота).

Исследовала проблема качественной и количественной диагностики загрязнений в атмосфере. Ряд экспериментов проведен и условиях, моделирующих реальные, что позволило осуществить практический вариант лидара, предназначенного для индикации продуктов сгорания топлива. Установка была оснащена рубиновым лазером с удвоителем частоты.

В дальнейшем источниками возбуждения служили излучение с азотного лазера и второй гармоники лазера на кристалле Nd³⁺YAG (l = 532,0 нм). Последняя система положена в основу промышленного образца прибора. Разработанные лидары были использованы для проведения физических исследований атмосферы и, в частности, для измерения концентрации посторонних веществ. Удалось отождествить в дыму и выхлопных газах автомобиля 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): l_возб = 337 нм.

Исследована проблема дистанционного определения загрязняющих веществ в атмосфере. Изучено около 200 веществ в жидком и газообразном состояниях с целью получения отправных данных, необходимых для конструирования полевого экземпляра аппаратуры. Объекты исследования выносились на расстояние примерно от 100 м до 1 км. Свет собирался небольшим конденсором. В некоторых случаях вещества распылялись в атмосфере в виде облака. Весь комплекс предварительных исследований положен в основу разработки варианта лидара для проведения дистанционных измерений в дневное время в чистой и загрязненной атмосфере в условиях хорошей видимости и в тумане. Измерялось содержание в атмосфере Н₂О, СО₂, SO₂ и паров углеводородов на высоте до 800 метров (разрешение 10 м), время накопления 50 с. Для первых трех компонент концентрационная чувствительность равна 300 млн^-1, а для паров углеводородов — 17 млн^-1. Комбинационный лидар по чувствительности превосходит приборы такого назначения более чем на 2 порядка.

На рис. 10, а показан спектр обратного рассеяния для нефтяных дымов, измеренный с помощью комбинационного лазерного локатора. Нефтяное топливо сжигалось в камере. Дым, проходящий через вытяжную 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 атмосферы СО₂, О₂, N₂. Последние три молекулы представляют удобные опорные точки для методов комбинационной лазерной локации. Довольно широкая спектральная полоса с центром на длине волны 38000 нм может быть отнесена к молекуле жидкой воды, что соответствует лабораторным измерениям. На рис.10, б представлен комбинационный спектр выхлопных автомобильных газов. Выхлопные газы отводились через трубу в атмосферу. Кроме полос, соответствующих обычным, в газах присутствуют молекулы С₂Н₄, NO, CO. Поскольку спектры Н₂СО, H₂S и СН₄ перекрываются, наличие их в газах нельзя считать доказанным. В указанных экспериментах время интегрирования составляет 5 с. Время наблюдений, необходимое для того, чтобы выполнить полное сканирование в интервале длины волны 500 нм, равно 40 мин. Для измерений центрального пика комбинационной полосы любой молекулы достаточно 10 с.

Рис. 10. Экспериментально найденный спектр КР нефтяного дыма (а) и выхлопных газов автомобиля (б)