Помощь студентам в учебе
МЕТОД ДИСТАНЦИОННОГО ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПАРОВ НАТРИЯ В МЕЗОСФЕРЕ ПО ИНТЕНСИВНОСТИ СИГНАЛОВ РЕЗОНАНСНОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ
|
Введение 3
1 Исследование параметров мезосферы с помощью лидаров 6
1.1 Общие сведения о парах металлов, содержащихся в атмосфере 6
1.2 Метеорная абляция как источник мезосферных металлов 9
1.3 Структура и состав атмосферы Земли 11
1.4 Химические превращения натрия, проистекающие в мезосфере 14
1.5 Устройство и принцип работы лидара 16
1.6 Рассеяние Рэлея 18
1.7 Лидарное уравнение 20
1.8 Методы лазерного зондирования мезосферы 22
2 Дистанционное измерение концентрации паров натрия в мезосфере
по интенсивности сигналов резонансной флуоресценции 24
2.1 Резонансная флуоресценция 24
2.2 Измерение концентрации натрия 25
3 Экспериментальная установка для возбуждения резонансной флуоресценции в парах натрия и измерение концентрации натрия в мезосфере 28
3.1 Схема экспериментальной установки 28
3.2 Моделирование лидарного сигнала и анализ потенциальных возможностей установки 31
Заключение 42
Список использованных источников и литературы 43
1 Исследование параметров мезосферы с помощью лидаров 6
1.1 Общие сведения о парах металлов, содержащихся в атмосфере 6
1.2 Метеорная абляция как источник мезосферных металлов 9
1.3 Структура и состав атмосферы Земли 11
1.4 Химические превращения натрия, проистекающие в мезосфере 14
1.5 Устройство и принцип работы лидара 16
1.6 Рассеяние Рэлея 18
1.7 Лидарное уравнение 20
1.8 Методы лазерного зондирования мезосферы 22
2 Дистанционное измерение концентрации паров натрия в мезосфере
по интенсивности сигналов резонансной флуоресценции 24
2.1 Резонансная флуоресценция 24
2.2 Измерение концентрации натрия 25
3 Экспериментальная установка для возбуждения резонансной флуоресценции в парах натрия и измерение концентрации натрия в мезосфере 28
3.1 Схема экспериментальной установки 28
3.2 Моделирование лидарного сигнала и анализ потенциальных возможностей установки 31
Заключение 42
Список использованных источников и литературы 43
Проблема охраны окружающей среды становится все более актуальной вследствие промышленной деятельности человека. В числе разнообразных воздействий со стороны человека на природу особое место занимает загрязнение или частичное изменение состава атмосферы Земли, а также изменение её температурных свойств, свойств теплообмена с окружением. Соответственно, в целях контроля и дальнейшего предотвращения этих пагубных воздействий человека на земную атмосферу, возникает необходимость исследования физических свойств атмосферы и проистекающих в ней физико-химических процессов.
С метеорологической точки зрения, полнота знаний об атмосфере позволяет моделировать прогноз погоды и изменение климата.
Кроме того, некоторые компоненты, входящие в состав атмосферы (как например, атомы металлов, которым уделяется основное внимание в данной работе), проявляют взаимодействие с гравитационными волнами, а также солнечным излучением. Таким образом, изучение этих составляющих находит теоретическое применение для изучения солнечно-земной физики и других динамических процессов, проистекающих в атмосфере, магнитосфере и ионосфере Земли [15].
Для всех перечисленных целей необходимы измерения различных физических параметров атмосферы и сбор информации о том, как эти параметры изменяются со временем. Эту задачу на сегодняшний день лучше всего выполняют методы дистанционного лазерного зондирования.
Около ста лет назад в России проводились первые работы по изучению высоты облаков оптическим методом, с помощью луча от мощного прожектора. Российский ученый В. В. Кузнецов проводил исследование, в ходе которого, в ночное время, луч от источника был направлен вертикально вверх, а прибор, который детектировал рассеянный облаком свет, был расположен на некотором расстоянии от прожектора. Таким образом, с помощью изменения угла наблюдения, и использования простых геометрических соотношений, ему удалось измерить высоту облаков, наиболее интенсивно рассеивающих свет.
Этот опыт ознаменовал начало прожекторного зондирования атмосферы, которое развивалось в течение 50 лет - от измерения высоты облаков до определения общего содержания молекул и атомов в единице объема воздуха на высотах до 70 км. Прожекторное зондирование атмосферы позволило исследовать атмосферу Земли с помощью локационных оптических средств.
Ученые, занимающиеся прожекторным зондированием, пытались с помощью технических ухищрений повысить потолок измерений, расширить диапазон исследуемых параметров атмосферы. Но возможности прожекторного луча ограничены. В 1960 г. был создан принципиально новый источник оптического излучения - монохроматический когерентный лазер большой мощности. Эти свойства лазера позволили не только значительно увеличить диапазон высотных измерений, но и расширить список изучаемых параметров атмосферы. Так, в 1963 году итальянский ученый Дж. Фиокко опубликовал первую работу о лазерном зондировании атмосферы, а через год, провел измерения высоты и толщины серебристых облаков, образующихся на высоте 76-85 км.
В России первые эксперименты по изучению атмосферы лазерными методами начались в 1965 году. С помощью лазерного локатора, который был установлен на борту исследовательского самолета Ил-18, были получены сведения о поляризации рассеянного облаками излучения. Характеристики атмосферы в то время получались в основном контактными методами. Применялись приборы, установленные на шарах-пилотах, самолетах, метеорологических ракетах, искусственных спутниках Земли. Однако, эти методы обладали многими существенными недостатками: подъемные средства имели большую цену, было невозможно получить информацию в любой точке Земли, возникала необходимость учитывать сложные газодинамические эффекты взаимодействия измерительного прибора с воздушной средой.
Благодаря возможности дистанционного измерения необходимых параметров воздушной среды в любом направлении лазерного луча и на различных высотах, а также благодаря хорошему пространственному и временному разрешению, методы лазерного зондирования претерпели стремительное развитие.
Целью данной работы является: Исследование и оценка потенциальных возможностей метода дистанционного определения вертикального распределения концентрации паров натрия в мезосфере на основе эффекта резонансной флуоресценции.
Задачами бакалаврской работы являются:
1. Анализ литературных данных о составе и строении атмосферы. Сбор сведений об оптических параметрах атмосферы.
2. Обзор лидарных методов и оценка возможности применения лидарной технологии для зондирования мезосферы.
3. Изучение принципа дистанционного определения концентрации паров натрия на основе эффекта резонансной флуоресценции.
4. Изучение принципа действия и устройства экспериментальной установки для зондирования мезосферного слоя натрия Сибирской лидарной станции.
5. Проведение численного моделирования процесса зондирования мезосферы с учётом модельных параметров атмосферы и технических характеристик установки.
6. Оценка потенциальных возможностей аппаратуры и методики по результатам численного эксперимента.
Настоящая работа выполнена на базе Центра лазерного зондирования атмосферы Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук под руководством доктора физико-математических наук, заведующего ЦЛЗА ИОА СО РАН Сергея Михайловича Бобровникова.
С метеорологической точки зрения, полнота знаний об атмосфере позволяет моделировать прогноз погоды и изменение климата.
Кроме того, некоторые компоненты, входящие в состав атмосферы (как например, атомы металлов, которым уделяется основное внимание в данной работе), проявляют взаимодействие с гравитационными волнами, а также солнечным излучением. Таким образом, изучение этих составляющих находит теоретическое применение для изучения солнечно-земной физики и других динамических процессов, проистекающих в атмосфере, магнитосфере и ионосфере Земли [15].
Для всех перечисленных целей необходимы измерения различных физических параметров атмосферы и сбор информации о том, как эти параметры изменяются со временем. Эту задачу на сегодняшний день лучше всего выполняют методы дистанционного лазерного зондирования.
Около ста лет назад в России проводились первые работы по изучению высоты облаков оптическим методом, с помощью луча от мощного прожектора. Российский ученый В. В. Кузнецов проводил исследование, в ходе которого, в ночное время, луч от источника был направлен вертикально вверх, а прибор, который детектировал рассеянный облаком свет, был расположен на некотором расстоянии от прожектора. Таким образом, с помощью изменения угла наблюдения, и использования простых геометрических соотношений, ему удалось измерить высоту облаков, наиболее интенсивно рассеивающих свет.
Этот опыт ознаменовал начало прожекторного зондирования атмосферы, которое развивалось в течение 50 лет - от измерения высоты облаков до определения общего содержания молекул и атомов в единице объема воздуха на высотах до 70 км. Прожекторное зондирование атмосферы позволило исследовать атмосферу Земли с помощью локационных оптических средств.
Ученые, занимающиеся прожекторным зондированием, пытались с помощью технических ухищрений повысить потолок измерений, расширить диапазон исследуемых параметров атмосферы. Но возможности прожекторного луча ограничены. В 1960 г. был создан принципиально новый источник оптического излучения - монохроматический когерентный лазер большой мощности. Эти свойства лазера позволили не только значительно увеличить диапазон высотных измерений, но и расширить список изучаемых параметров атмосферы. Так, в 1963 году итальянский ученый Дж. Фиокко опубликовал первую работу о лазерном зондировании атмосферы, а через год, провел измерения высоты и толщины серебристых облаков, образующихся на высоте 76-85 км.
В России первые эксперименты по изучению атмосферы лазерными методами начались в 1965 году. С помощью лазерного локатора, который был установлен на борту исследовательского самолета Ил-18, были получены сведения о поляризации рассеянного облаками излучения. Характеристики атмосферы в то время получались в основном контактными методами. Применялись приборы, установленные на шарах-пилотах, самолетах, метеорологических ракетах, искусственных спутниках Земли. Однако, эти методы обладали многими существенными недостатками: подъемные средства имели большую цену, было невозможно получить информацию в любой точке Земли, возникала необходимость учитывать сложные газодинамические эффекты взаимодействия измерительного прибора с воздушной средой.
Благодаря возможности дистанционного измерения необходимых параметров воздушной среды в любом направлении лазерного луча и на различных высотах, а также благодаря хорошему пространственному и временному разрешению, методы лазерного зондирования претерпели стремительное развитие.
Целью данной работы является: Исследование и оценка потенциальных возможностей метода дистанционного определения вертикального распределения концентрации паров натрия в мезосфере на основе эффекта резонансной флуоресценции.
Задачами бакалаврской работы являются:
1. Анализ литературных данных о составе и строении атмосферы. Сбор сведений об оптических параметрах атмосферы.
2. Обзор лидарных методов и оценка возможности применения лидарной технологии для зондирования мезосферы.
3. Изучение принципа дистанционного определения концентрации паров натрия на основе эффекта резонансной флуоресценции.
4. Изучение принципа действия и устройства экспериментальной установки для зондирования мезосферного слоя натрия Сибирской лидарной станции.
5. Проведение численного моделирования процесса зондирования мезосферы с учётом модельных параметров атмосферы и технических характеристик установки.
6. Оценка потенциальных возможностей аппаратуры и методики по результатам численного эксперимента.
Настоящая работа выполнена на базе Центра лазерного зондирования атмосферы Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук под руководством доктора физико-математических наук, заведующего ЦЛЗА ИОА СО РАН Сергея Михайловича Бобровникова.
В соответствии с поставленной целью, при выполнении настоящей работы было проведено исследование и оценка потенциальных возможностей метода дистанционного определения вертикального распределения концентрации паров натрия в мезосфере на основе эффекта резонансной флуоресценции.
При выполнении работы были реализованы следующие задачи:
1. На основе имеющихся литературных данных изучены состав и строение атмосферы, ее оптические параметры, основные лидарные методы зондирования атмосферы.
2. Изучен принцип дистанционного определения концентрации паров натрия на основе эффекта резонансной флуоресценции, оценена возможность применения лидарной технологии для зондирования мезосферы.
3. Проведено численное моделирование процесса зондирования мезосферы с учётом модельных параметров атмосферы и технических характеристик лидарной установки Сибирской лидарной станции.
4. По результатам численного эксперимента проведена оценка потенциальных возможностей аппаратуры Сибирской лидарной станции и методики для измерения концентрации атомарного натрия в мезосфере. Получены следующие результаты:
- при имеющихся параметрах лидара наилучшим пространственным разрешением, с которым можно измерить концентрацию паров натрия в мезосфере, является AR = 3 м,
- по предварительной оценке, при AR = 3 м время накопления на краях слоя с погрешностью измерений 10% составляет примерно 9 минут, для погрешности 5% - 36 минут.
Анализ полученных данных наглядно демонстрирует, что лидар, имеющийся в Сибирской лидарной станции имеет потенциально значительно большую точность для измерения концентрации паров натрия в мезосфере, по сравнению с имеющимися в мире аналогами, и позволяет получать наиболее точные данные при минимальных временных затратах.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о целесообразности создания канала для дальнейших измерений концентрации натрия в мезосфере в режиме ежедневных наблюдений.
При выполнении работы были реализованы следующие задачи:
1. На основе имеющихся литературных данных изучены состав и строение атмосферы, ее оптические параметры, основные лидарные методы зондирования атмосферы.
2. Изучен принцип дистанционного определения концентрации паров натрия на основе эффекта резонансной флуоресценции, оценена возможность применения лидарной технологии для зондирования мезосферы.
3. Проведено численное моделирование процесса зондирования мезосферы с учётом модельных параметров атмосферы и технических характеристик лидарной установки Сибирской лидарной станции.
4. По результатам численного эксперимента проведена оценка потенциальных возможностей аппаратуры Сибирской лидарной станции и методики для измерения концентрации атомарного натрия в мезосфере. Получены следующие результаты:
- при имеющихся параметрах лидара наилучшим пространственным разрешением, с которым можно измерить концентрацию паров натрия в мезосфере, является AR = 3 м,
- по предварительной оценке, при AR = 3 м время накопления на краях слоя с погрешностью измерений 10% составляет примерно 9 минут, для погрешности 5% - 36 минут.
Анализ полученных данных наглядно демонстрирует, что лидар, имеющийся в Сибирской лидарной станции имеет потенциально значительно большую точность для измерения концентрации паров натрия в мезосфере, по сравнению с имеющимися в мире аналогами, и позволяет получать наиболее точные данные при минимальных временных затратах.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о целесообразности создания канала для дальнейших измерений концентрации натрия в мезосфере в режиме ежедневных наблюдений.