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
Купить

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.
Купить