Аннотация
ВВЕДЕНИЕ 6
1 МЕТОД ПОЛЯРИЗАЦИОННОГО ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ 8
1.1 Вектор Стокса 8
1.2 Матрица рассеяния света 11
1.3 Многократное рассеяние 12
2 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ИСКУССТВЕННЫХ ДИСПЕРСНЫХ СРЕД ДЛЯ
МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕАЛЬНЫХ РАССЕИВАЮЩИХ ОБЪЕКТОВ 15
2.1 Классификация дисперсных систем 15
2.2 Оптические свойства дисперсных систем 17
2.3 Рассеяние и поглощение аэрозолями 17
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАВИСИМОСТИ СТЕПЕНИ
ДЕПОЛЯРИЗАЦИИ ОТ КОЭФФИЦИЕНТА РАССЕЯНИЯ ВОДНО-МОЛОЧНОЙ ЭМУЛЬСИИ И КОНЦЕНТРАЦИИ РАССЕИВАЮЩИХ ЧАСТИЦ 20
3.1 Коэффициент рассеяния и концентрация рассеивающих частиц 20
3.2 Экспериментальная установка и методика эксперимента 22
3.3Анализ и интерпретация экспериментальных данных 26
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 38
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 39
В современное время возрастает потребность в постоянном наблюдении за составом атмосферы. Обсуждая возможные вредные последствия, происходящие от высотных самолетов, космических аппаратов и аэрозольного разбрызгивания в стратосфере, мы подчеркиваем значимость этой проблемы. Использование загрязняющих топлив также имеет потенциал вызвать серьезные последствия, включая изменение баланса Солнечной энергии на Земле, изменение климата и ухудшение качества воздуха на нижних уровнях атмосферы. Важно осознать и принять меры по улучшению ситуации [1].
Для эффективного предотвращения негативного воздействия на окружающую среду от увеличения загрязнения, необходимо использовать математические модели атмосферы. Создание таких моделей требует расширения возможностей средств контроля, а также проведения постоянных наблюдений. Методы активного дистанционного зондирования с использованием лазерных источников излучения считаются наиболее эффективными среди всех известных методов мониторинга атмосферы, включая методы прямых измерений параметров и пассивного дистанционного зондирования [2].
Исследование изменений климата играет важную роль в повседневной жизни человечества, ведь за последние несколько десятилетий наблюдаются изменения климата, вызванные как природными факторами, так и человеческой деятельностью. Климат зависит от разнообразных факторов, прежде всего астрономических и геофизических, и изучение этих процессов требует новых и современных методов зондирования. Только методы лазерного зондирования способны обеспечить получение профилей и полей различных параметров атмосферы с высоким разрешением по времени и пространству, обладая при этом уникальной чувствительностью к концентрации.
В атмосфере, аэрозоли рассматриваются как дисперсные среды. Эти взвешенные в воздухе твердые или жидкие частицы имеют размеры от 0,001 до 0,01 мкм. Они являются известным источником загрязнения атмосферного воздуха. Различают два вида аэрозолей: природные и антропогенные. Природные аэрозоли включают в себя пыльцу растений, споры, кристаллы соли, бактерии, вирусы и облака. Антропогенные аэрозоли попадают в атмосферу в результате выбросов промышленных предприятий, электростанций, систем отопления, эксплуатации транспорта, а также при добыче, транспортировке и переработке полезных ископаемых.
Для возникновения рассеяния света необходимо наличие неоднородностей в воздухе. Исследование аэрозолей играет важную роль, поскольку они рассеивают солнечное излучение, влияют на радиационный баланс Земли и оказывают влияние на климат и погоду. Так как взвешенные частицы имеют сравнимый размер с длиной волны оптического диапазона, оптические методы являются предпочтительными. Для изучения аэрозолей можно применять лидары. Лидар (LIDAR - Light Detection and Ranging) - это технология получения и анализа данных о объектах на расстоянии с использованием активных оптических систем, которые используют явления поглощения и рассеяния света в оптически прозрачных средах.
Первоочередное требование - отработать методику на экспериментальном стенде, прежде чем приступить к сборке лидара c учетом его высокой стоимости. В процессе работы с лазерным лучом он отражается от поверхностей, затем возвращается к прибору и регистрируется фотоприемником, что позволяет анализировать окружающую среду на расстоянии до нескольких километров. Важные преимущества лидара - мгновенная мощность луча, когерентность излучения и низкие потери из-за короткой длины волны, все эти характеристики объединены в оборудовании, делающем его необходимым инструментом для анализа окружающей среды.
Исследование эффектов рассеивания света в различных средах показывает, что водно-молочная эмульсия может служить отличной рассеивающей средой. Возникает вопрос о сходстве явлений в аэрозолях и эмульсиях. При распределении излучения в плотных материалах происходит изменение характеристик лазерного излучения из-за воздействия многократного рассеивания. Разработанная теория учитывает только первичное и вторичное рассеивание. Влияние многократного рассеивания третьей кратности и более теоретически сложно предсказать из-за разнообразия неоднородностей.
Целью данной работы является - исследование влияния концентрации неоднородностей на поляризационные характеристики лидарного сигнала многократного рассеяния. Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
1) аналитический обзор литературы по теме исследования;
2) создание и юстировка экспериментального стенда и аналитического оборудования, анализ методики эксперимента;
3) исследование влияния концентрации рассеивающих частиц на распределение интенсивности ортогонально поляризованных компонент многократно рассеянного назад лазерного излучения в плоскости его регистрации;
4) обработка и интерпретация экспериментальных данных;
5) написание бакалаврской работы.
Работа посвящена экспериментальному исследованию влияния концентрации рассеивающих частиц на распределение интенсивности параллельной и кроссполяризованной компонент потока многократно рассеянного назад лазерного излучения. В процессе исследования была проанализирована литература о характеристиках оптических свойств разнообразных систем; метод лазерного исследования поляризации; теория о состоянии поляризации световых волн. На лабораторном стенде был проведен ряд экспериментов, из которых были получены распределения интенсивности для разных объемных долей молока.
Показано, что при увеличении концентрации рассеивающих частиц молочной эмульсии, интенсивности ортогонально поляризованных компонент многократно рассеянного назад лазерного излучения в плоскости его регистрации имеют неоднородное распределение, что свидетельствует о возникновении многократного рассеяния.
Выявлено, что при объемной доле молока в пределах 0,15 % - 0,22% обратно рассеянное излучение формируется за счёт двукратного рассеяния, при увеличении концентрации молока (более 0,22%) сигнал обратно рассеянного излучения определяется более высокими кратностями, вследствие чего обратно рассеянное излучение деполяризуется.
В процессе данной работы был представлен доклад по теме «Восстановление концентрации взвешенных частиц на основе пространственного распределения интенсивности рассеянного излучения» на всероссийской конференции с международным участием «XV СОВЕЩАНИЕ И ШКОЛА МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ ПО КЛИМАТОЭКОЛОГИЧЕСКОМУ МОНИТОРИНГУ» Томск, 17-20 октября 2023 года.
