Лидары

    Лидары для измерения тропосферного озона

    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 озонного лидара

    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.

    S1 нм S2 нм S3 нм S1 нм S2 нм S3 нм S1 нм S2 нм
    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.

    Параметры озонного лидара

    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.