Лазерное зондирование атмосферы

Человечество вступило в фазу своего развития, которую следует характеризовать, как фазу борьбы за выживание. Стремительная индустриализация общества сопровождается столь же стремительным отрицательным воздействием на окружающую среду. Продолжают возрастать выбросы вредных веществ в атмосферу, гидросферу и на поверхность планеты. Повышающаяся концентрация вредных веществ в атмосфере оказывает существенное воздействие на здоровье людей, на биосферу планеты.

Трансграничные (через границы государств) переносы загрязнений в окружающей среде сделали проблему ее охраны главнейшей международной проблемой, успешное решение которой немыслимо без использования соответствующих средств мониторинга. При этом особое значение приобретают задачи мониторинга атмосферы и как среды обитания человека, и как основного переносчика загрязнителей в гидросферу и подстилающую поверхность.

Среди всех известных методов мониторинга атмосферы, включая всевозможные методы прямых контактных измерений ее параметров, а также методы активного и пассивного дистанционного зондирования, несомненным преимуществом обладают методы активного дистанционного зондирования с использованием лазерных источников излучения. Методы лазерного зондирования, и только они, обеспечивают получение профилей или полей различных параметров атмосферы с исключительно высоким временным и пространственным разрешением, обладая при этом рекордными концентрационными чувствительностями.

Лазерное зондирование основывается на принципе световой локации атмосферного аэрозоля при помощи прибора, который по аналогии с радаром называется лидар . В обобщенном смысле лазер в лидаре используется как импульсный источник направленного светового излучения. В отличие от радиодиапазона, в световом диапазоне частот из-за малости длин волн особенно видимого и ультрафиолетового излучения отражателями локационного сигнала являются все молекулярные и аэрозольные составляющие атмосферы, т.е. по сути дела сама атмосфера формирует лидарный эхо-сигнал со всей трассы зондирования. Это позволяет осуществлять лазерное зондирование по любым направлениям в атмосфере.

В нашей обсерватории действуют два лидарных комплекса с аналогичными характеристиками: стационарный лидарный комплекс МВЛ-60, размещенный под куполом обсерватории, и мобильный лидарный комплекс МВЛ-60 МОБ, установленный в транспортном средстве (в фургоне-кунге автотракторного прицепа). Многоволновой лидар МВЛ-60 (МОБ) предназначен для оперативного дистанционного анализа характеристик атмосферного аэрозоля и облачных образований в атмосфере с помощью лазера, работающего на длинах волн 1064 (ИК), 532 (зеленый) и 355 (УФ) нм.

Естественно, главным активным элементом лидара является источник лазерного излучения. Все основные энергетические, временные, пространственные, спектральные и поляризационные характеристики лазерного излучения, как правило, реализуются непосредственно в самом лазерном источнике. Они обычно контролируются на выходе с помощью блока контроля лазерного излучения. Чаще всего такой блок используется для измерения опорного сигнала и выработки сигнала запуска регистрирующей аппаратуры, а также для контроля длины волны лазерного излучения.

Для дополнительного уменьшения расходимости лазерного излучения используют оптические расширители пучка на основе зеркальных или линзовых, как в нашем лидаре, телескопов. Лазерный источник совместно с передающей антенной составляют лазерный передатчик лидара (или лидарный передатчик).

Приемная антенна лидара представляет собой телескоп, чаще всего зеркальный, построенный обычно по схеме Ньютона, когда фокус выводится плоским зеркалом под углом 90^о к оптической оси главного параболического зеркала, или Кассегрена, когда фокус выводится вторичным гиперболическим зеркалом по оптической оси главного параболического зеркала через отверстие в центре последнего. В телескопе лидара МВЛ-60 (МОБ) с диаметром главного параболического зеркала 60 см реализованы обе эти схемы.

При работе в качестве приемной антенны лидара в телескопе реализуется схема Кассегрена, когда принятый отраженный сигнал лазера попадает вначале на главное параболическое зеркало, затем на вторичное гиперболическое зеркало, а далее через отверстие в центре параболического зеркала в блок анализатора, где затем разводится по разным фотоприемникам и регистрируется компьютером.

При работе в качестве обычного астрономического прибора в телескопе реализуется схема Ньютона: на оптическую ось главного параболического зеркала вводится плоское зеркало, при помощи которого принятое главным зеркалом изображение выводится под углом 90^о вдоль поворотной оси телескопа. В этом фокусе Ньютона можно поместить окуляр либо видеокамеру и получать изображения объектов звездного неба.

Лидары подобного типа уже много лет используются в России и за рубежом для мониторинга загрязнений в атмосфере.

Аэрозольный лидар может быть успешно использован в образовательных целях. Работая с лидаром в процессе обучения, студенты знакомятся с основными принципами контроля качества воздуха и современными методами спектроскопии, применяемыми для измерения загрязнения атмосферы. Кроме того, используя телескоп лидара как астрономический прибор, студенты могут получать азы практической астрономии, знакомиться с наиболее интересными объектами звездного неба.

Почти сто лет назад в нашей стране начались первые работы по измерению плотности облаков оптическим методом - с помощью луча прожектора. Сегодня оптическое зондирование стало одним из самых надежных и точных методов исследования атмосферы. Лазерный луч способен обнаружить несколько молекул посторонних примесей в триллионе молекул воздуха на высоте десятки километров.

История оптического зондирования атмосферы началась в 1905 году, когда наш соотечественник В. В. Кузнецов измерил ночью высоту облаков с помощью мощного прожектора. Луч был направлен вертикально вверх, а прибор, регистрирующий рассеянный облаком свет, установлен на определенном расстоянии от прожектора. Изменяя угол наблюдения, из простых геометрических соотношений он определил высоту облаков, наиболее интенсивно рассеивающих свет.

Прожекторное зондирование атмосферы развивалось в течение 50 лет - от простого измерения высоты облаков до определения общего содержания молекул в единице объема воздуха на различных высотах (до 70 километров). Однако возможности даже самого мощного прожектора оказались на этом практически исчерпанными, хотя с помощью различных технических ухищрений и можно было попытаться повысить потолок зондирования. Но делать этого уже не пришлось: в 1960 году был создан принципиально новый источник излучения - лазер, а спустя три года итальянский ученый Дж. Фиокко опубликовал первую работу о лазерном зондировании атмосферы. Годом позже он же провел измерения высоты и толщины серебристых облаков, образующихся на высотах 73 - 83 километров.

В нашей стране первые лазерные эксперименты по изучению атмосферы начала в 1965 году Центральная аэрологическая обсерватория (ЦАО) Госкомгидромета. На исследовательском самолете Ил-18 установили лазерный локатор и всего за несколько полетов получили сведения о поляризации излучения, рассеянного облаками. Эта летающая лаборатория около пятнадцати лет изучала различные типы облаков; результаты измерений, полученные с помощью лазера, контролировались другими методами.

Большая часть существующих ранее методик по измерению характеристик атмосферы была основана на контактных способах. Хотите узнать, например, каковы температура или состав атмосферы выше земной поверхности, - извольте поместить ваш прибор на самолет, шар-пилот, метеорологическую или геофизическую ракету, искусственный спутник Земли. Методы радиолокации ограничены измерениями интенсивности осадков и количества влаги в атмосфере, а состав самой атмосферы определить уже нельзя - газы поглощают радиоволны в тысячу раз слабее, чем водяной пар.

Именно дистанционность лазерных измерений, возможность определить выбранную характеристику воздушной среды на любом направлении лазерного луча и получить самые разнообразные сведения о свойствах атмосферы на различных высотах, хорошее пространственно-временное разрешение (детальное исследование облака, слоя атмосферы и т. д. за короткое время), связанное с малой длительностью импульса и высокой частотой повторения импульсов лазера, и стимулировали столь интенсивное развитие этих методов.

Общие определение и структура лидара

Лидары– лазерные локаторы, используемые для зондирования толщи моря, морской и земной поверхности, атмосферы.

Оптическое зондирование атмосферы основано на рассеянии лазерного излучения исследуемыми объектами. Интервал времени между посылкой импульса и регистрации его приёмником однозначно связан с расстоянием от лазерного передатчика до объекта-рассеивателя.

При дистанционном зондировании атмосферы молекулы газов и аэрозоли являются причиной ослабления проходящего через нее лазерного излучения. Часть излучения рассеивается в обратном направлении (в сторону приемника лидара) на аэрозольных частицах, либо отражается от объектов или специально установленных экранов. Это излучение с помощью приемной оптики собирается и направляется на фотодетектор, который преобразует его в электрический сигнал, пропорциональный интенсивности принятого оптического излучения.

Использование лидарных систем в аэрокосмическом мониторинге

Лидар, установленный на космическом корабле, может осуществлять зондирование атмосферы в отсутствие облачности с очень хорошим пространственным разрешением по вертикали и горизонтали. Это позволяет ожидать появление систем космического базирования, которые будут проводить глобальные измерения тропосферы. Одной из таких систем является разрабатываемый НАСА (США) атмосферный лидар и высотомер (LASA). К задачам, которые, в частности, будет решать аппаратура LASA относятся:

контроль за распределением и общим содержанием аэрозолей;

измерение оптической толщи и высоты облачности;

оценка атмосферных параметров, таких как влажность, скорость ветра, температура, давление;

измерение высотных профилей распределения водяного пара и газов;

Аппаратура LASA включает в себя приемный телескоп, лазерные излучатели, системы стабилизации приборов, температурного контроля и обработки данных. Лидарная система, выведенная на околоземную орбиту, имеет ряд преимуществ над лидарами на самолетах и установленными на земной поверхности, основными из которых являются: возможность зондирования атмосферы на таких длинах волн, излучение которых полностью поглощается в нижних слоях атмосферы, и обеспечение высокой разрешающей способности при синоптических масштабах наблюдения.