Лазерное зондирование ароматических углеводородов в атмосфере
Воронина Эллина Ивановна
Кубанский государственный технологический университет (Новороссийский филиал)

Научный руководитель: Шеманин Валерий Геннадьевич, к.т.н.

Для зондирования молекул газовых составляющих атмосферы наибольшее распространение получили лидары комбинационного рассеяния (КР), имеющие высокое пространственное и временное разрешение. Оптимизация подобных лидарных систем открывает большие возможности для экспериментальных исследований газовых молекул в атмосфере.

Целью настоящей работы является выбор оптимальных параметров лазера на парах меди для получения максимальной мощности КР молекул бензола, толуола и пиридина на фотоприемнике лидара в условиях дневного зондирования в диапазоне расстояний 0,1 - 6,0 км от излучателя.

Мощность обратного сигнала КР определяется лидарным уравнением [1] (1):

, (1)

где P(,R) - мощность сигнала КР на фотоприемнике на длине волны , приходящего с расстояния R;

PL - мощность лазера и - его длина волны;

K1 - постоянная лидара;

 - шаг по расстоянию;

A0 - площадь приемного телескопа;

T(L, R), T (, R ) - пропускание атмосферы соответственно на длине волны лазерного излучения и сигнала КР;

 - дифференциальное сечение КР исследуемой молекулы на длине волны лазера;

Na - концентрация молекул.

В работе проведены численные расчеты мощностей КР в обратном направлении для двух значений концентраций исследуемых молекул 1019 см-3 и 1011 см-3, длин волн лазера на парах меди 578,2; 289,1; 510,6; 255,3 и 271,2 нм с пиковой мощностью до 100 кВт и частот следования импульсов 50 Гц, 1, 100 и 500 кГц.

Все параметры в лидарном уравнении были взяты из [1], а дифференциальные сечения колебательного КР исследуемых молекул в направлении назад были рассчитаны по данным [2].

Так как фоновое излучение Солнца оказывает сильное влияние на регистрируемую лидаром мощность КР, то параллельно были выполнены расчеты фоновой мощности на фотоприемнике по формуле (2) и рассмотрено влияние фоновой засветки на потенциальные возможности лидара КР для зондирования ароматических углеводородов в атмосфере.

, (2)

где Sb - спектральная яркость солнечного излучения, Вт/м2 стр нм;

 - телесный угол поля зрения приемного телескопа ;

 - спектральная ширина приемного тракта, равная 1 нм.

Значения спектральной яркости солнечного излучения для различных времен года, времени суток и метеоусловий взяты из работы [3]. По известным значениям построено спектральное распределение фонового излучения Sb для пяти длин волн медного лазера. Как самые тяжелые для работы лидара были выбраны условия яркого солнечного дня.

В результате расчетов проведены сравнения полученных значений мощностей КР молекул и фоновых мощностей для выбранных излучений медного лазера, исследованы зависимости мощностей КР молекул от расстояния зондирования и энергии КР молекул от частоты следования импульсов.

По итогам работы можно сделать следующие выводы.

1. Получено, что для всех исследуемых молекул с увеличением расстояния сигнал КР уменьшается на два порядка на первом километре и еще на два на следующих пяти километрах.

2. Установлено, что максимальный сигнал КР и наибольшее его превышение над фоном по всей трассе зондирования наблюдается для длины волны 271,2 нм, следовательно, использование в лидаре излучения лазера на парах меди с длиной волны 271,2 нм является оптимальным.

3. Установлено, что исследуемые вещества с концентрациями 1019 см-3 можно зарегистрировать на следующих расстояниях от излучателя:

бензол (С6Н6) в выбранном диапазоне расстояний;

толуол (С7Н8) до 5 км;

пиридин (С5Н5N) до 4,7 км;

с концентрациями порядка 1011 см-3 (ПДК) - на расстояниях:

бензол (С6Н6) – до 250 м;

толуол (С7Н8) - до 70 м;

пиридин (С5Н5N) - до 20 м

4 Установлено, что для постоянного времени измерения увеличение частоты приводит к увеличению энергии КР, причем энергия фона растет в f1/2 раз медленнее. Так, при частоте следования импульсов 1 кГц концентрацию исследуемых молекул порядка 1011 см-3 можно зарегистрировать на расстояниях до 1 км, а при частоте следования импульсов 500 кГц – на расстояниях до 5 км.

Список использованной литературы:

[1] Воронина Э.И., Привалов В.Е., Шеманин В.Г. Расчет параметров лазерного дистанционного зондирования молекулярного водорода // РАН. Научное приборостроение. - 1998. - Т.8. - № 1-2. - С.68-70

[2] Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. - М.: Мир,1987. - 550 с.

[3] Camagni P. Lidar applications to aerosols and particles. // Optical Remote Sensing of Air Pollution. Lectures of a Course. P.Camagni and S.Sandroni. Ispra, Italy. - 1983. - P. 205-253.

(c) АСФ России, 2001