Для изучения процессов генерации и переноса озона в атмосфере необходимо создание приборных средств, способных осуществлять контроль вертикального распределения озона от приземного слоя до стратосферы с высоким временным и высотным разрешением. Одним из наиболее перспективных средств такого рода является лидар дифференциального поглощения на основе эксимерных лазеров.
Принцип работы лидара дифференциального поглощения состоит в измерении лидарного сигнала на двух длинах волн, одна из которых поглощается в исследуемом газе (&lambdaon), а вторая является опорной (&lambdaoff).
Спектральная зависимость сечения поглощения озона.
Спектральная зависимость сечения поглощения озона, рассчитанная с использованием программного пакета MOTRAN приведена на рисунке. Наиболее эффективным является использование для зондирования длин волн в УФ спектральной области, характеризуемой высоким сечением поглощения. Наиболее распространенные источники УФ излучения на сегодняшний день это эксимерные лазеры и Nd:YAG лазеры с генераторами третьей и четвертой гармоник. Дополнительные длины волн могут эффективно генерироваться при сопряжении этих лазеров с ВКР преобразователями на основе сжатых газов. В качестве ВКР сред используются, как правило, водород и дейтерий. Эти газы обладают высокой эффективностью преобразования, большим частотным сдвигом и они устойчивы к интенсивному УФ излучению.
Длины волн различных стоксовых компонент H2, D2, CH4, при использовании в качестве накачки излучения эксимерных лазеров и гармоник Nd:YAG лазера.
| Лазер | &lambda, нм | H2 (4156 см-1) | D2 (2986 см-1) | CH4 ( 2914 см-1) | |||||
| XeF | 351 | 410.9 | 495.6 | 624.1 | 392.1 | 444.1 | 512.0 | 391.0 | 441.3 |
| XeCl | 308 | 353.2 | 414.0 | 500.0 | 339.2 | 377.4 | 425.4 | 338.4 | 375.4 |
| KrF | 351 | 410.9 | 495.6 | 624.1 | 392.1 | 444.1 | 512.0 | 391.0 | 441.3 |
| XeF | 248.6 | 277.2 | 313.3 | 360.2 | 268.5 | 291.9 | 319.8 | 268.0 | 290.7 |
| Nd:YAG Х3 | 354.71 | 416.0 | 503.0 | 636.0 | 396.73 | 450.04 | 519.91 | 395.6 | 447.15 |
| Nd:YAG Х4 | 266.03 | 299.06 | 341.5 | 397.5 | 289.02 | 316.2 | 349.2 | 288.39 | 314.84 |
Для измерений в стратосфере оптимальная длина волны &Lambdaon находится в диапазоне 300 - 305 нм. В качестве соответствующегоисточника излучения повсеместно используется XeCl лазер, и на сегодняшний день этот лазер серьезной альтернативы не имеет. Опорная длина волны обычно выбирается в области 350 нм. В качестве источника излучения используется третья гармоника Nd:YAG (354.7 нм) лазера, XeF (351 нм) лазер, либо первая стоксова компонента XeCl лазера в водороде (353 нм).
При использовании KrF лазера для тропосферных измерениях в высотном диапазоне 0.3-2.5 км наиболее привлекательной, с точки зрения минимизации погрешности, является пара длин волн 277 - 313 нм, характеризуемая значительным дифференциальным сечением поглощения озона (5.0х10-18 см2). Кроме того, использование этой пары удобно с чисто практической точки зрения, поскольку она генерируется с использованием лишь одного ВКР-преобразователя.
Для измерений на больших высотах приходится использовать пару длин волн с меньшим поглощением (292-313 нм), при этом увеличение статистических погрешностей, связанное с уменьшением дифференциального сечения поглощения озона должно компенсироваться увеличением интервала усреднения и числа суммируемых лазерных импульсов.
Анализ погрешностей, возникающих при использовании четвертой гармоники Nd:YAG лазера с последующим ВКР преобразовании в первые стоксовы компоненты в водороде и дейтерии, (266 - 289 нм и 289 - 299 нм), показывает, что с точки зрения статистических и систематических погрешностей, эти пары примерно эквивалентны парам волн, получаемых при ВКР преобразовании излучения KrF лазера. Поэтому выбор того или иного источника излучения, в конечном счете, определяется его энергетическими характеристиками, надежностью и удобством использования в полевых условиях.
KrF лазеры являются более мощными. Использование керамических разрядных камер обеспечивает большое время жизни газовой смеси и оптических компонент. Эксимерные лазеры более удобны в работе в условиях лидарной станции, поскольку не требуется предварительный прогрев лазера перед зондированием, не боятся перепада температур и кратковременные сеансы измерения могут производиться без систем внешнего охлаждения. Именно поэтому в качестве источника излучения в озонном лидаре используется KrF лазер с ВКР преобразователями на основе водорода и дейтерия.
Лидар дифференциального поглощения предназначен для исследований тропосферного озона в диапазоне от 0.5 км до 12 км. Лидар включает два телескопа для обеспечения измерений в широком диапазоне высот. Лидар полностью автоматизирован и может производить непрерывные измерения концентрации озона в течение нескольких дней. Основные параметры лидара:
| Источник излучения | KrF эксимерный лазер CL-7000 | Преобразователь длины волны | Водородный и дейтериевый ВКР преобразователи | Рабочие пары длин волн | 277-313 нм 292-313 нм |
| Приемный телескоп | Телескоп Кассегрена с апертурой 60 см Телескоп Ньютона с апертурой 20 см |
| Регистрация | Аналоговая |
Высотный профиль озона, полученный при накоплении 10.000 лазерных импульсов. Измерение проводилось на длинах волн 277 - 308 нм и 292 - 308 нм.
Результаты долговременных измерений озона представляются в виде цветных карт.
Высотные вариации содержания озона в Московской области. Хорошо видно формирование атмосферного слоя с пониженным содержанием озона.