ВВЕДЕНИЕ 4
1 ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ АТМОСФЕРЫ С ПОМОЩЬЮ ЛИДАРОВ 6
1.1 Атмосфера земли 6
1.2 Устройство и принцип работы лидара 11
1.3 Лидарные методы исследования атмосферы 13
1.4 Лидарное уравнение 18
2 ДИСТАНЦИОННОЕ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ПАРОВ НАТРИЯ, СКОРОСТИ ВЕТРА И ТЕМПЕРАТУРЫ В МЕЗОСФЕРЕ ПО ИНТЕНСИВНОСТИ СИГНАЛОВ РЕЗОНАНСНОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ 23
2.1 Измерение концентрации натрия 26
2.2 Измерение температуры и скорости ветра 27
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ВОЗБУЖДЕНИЯ РЕЗОНАНСНОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ В ПАРАХ НАТРИЯ, И ПРОВЕДЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО ИЗМЕРЕНИЮ ШИРИНЫ СПЕКТРА ВОЗБУЖДАЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ 33
3.1 Описание и технические характеристики установки 33
3.2 Устройство и принцип работы установки 35
3.3 Принцип работы сканирующего интерферометра 40
3.4 Описание эксперимента 58
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 65
Список использованных источников 66
Почти сто лет назад в нашей стране начались первые работы по измерению плотности облаков оптическим методом - с помощью луча прожектора. Сегодня оптическое зондирование стало одним из самых надежных и точных методов исследования атмосферы. Лазерный луч способен обнаружить несколько молекул посторонних примесей в триллионе молекул воздуха на высоте десятки километров [1].
История оптического зондирования атмосферы началась в 1905 г., когда наш соотечественник В. В. Кузнецов измерил ночью высоту облаков с помощью мощного прожектора. Луч был направлен вертикально вверх, а прибор, регистрирующий рассеянный облаком свет, установлен на определенном расстоянии от прожектора. Изменяя угол наблюдения, из простых геометрических соотношений он определил высоту облаков, наиболее интенсивно рассеивающих свет.
Прожекторное зондирование атмосферы развивалось в течение 50 лет - от простого измерения высоты облаков до определения общего содержания молекул в единице объема воздуха на различных высотах (до 70 км). Однако возможности даже самого мощного прожектора оказались на этом практически исчерпанными, хотя с помощью различных технических ухищрений и можно было попытаться повысить потолок зондирования. Но делать этого уже не пришлось: в 1960 г. был создан принципиально новый источник излучения - лазер, а спустя три года итальянский ученый Дж. Фиокко опубликовал первую работу о лазерном зондировании атмосферы. Годом позже он же провел измерения высоты и толщины серебристых облаков, образующихся на высотах 73 - 83 км.
В нашей стране первые лазерные эксперименты по изучению атмосферы начала в 1965 г. Центральная аэрологическая обсерватория (ЦАО) Госкомгидромета. На исследовательском самолете Ил-18 установили лазерный локатор и всего за несколько полетов получили сведения о поляризации излучения, рассеянного облаками. Эта летающая лаборатория около пятнадцати лет изучала различные типы облаков; результаты измерений, полученные с помощью лазера, контролировались другими методами.
Именно возможность дистанционно определять выбранную характеристику воздушной среды на любом направлении лазерного луча и получить самые разнообразные сведения о свойствах атмосферы на различных высотах стимулировали столь интенсивное развитие этих методов высотного зондирования.
Актуальность поставленной задачи определяется, как минимум, из метеорологических соображений, в которых изучение мезосферы, являющейся частью единой системы окружающей нас среды, и полнота знаний, получаемых в результате исследований этой среды, дает возможность отслеживать изменения, которые могут служить своего рода сигналами изменения климата.
Целью бакалаврской работы является проведение анализа потенциальных возможностей дистанционного измерения концентрации натрия, скорости ветра и температуры в мезосфере по интенсивности сигналов резонансной флуоресценции.
Задачами бакалаврской работы является:
- изучение литературы по методам лазерного зондирования атмосферы. Ознакомление с теоретическими основами и техникой высотного зондирования атмосферы;
- проведение сравнительного анализа методов получения генерации узкополосного (<100 МГц) лазерного излучения с длинами волн дублета натрия 588,9950 и 589,5924 нм
- моделирование оптической схемы лидара для измерения концентрации натрия, скорости ветра и температуры в мезосфере по интенсивности сигналов резонансной флуоресценции.
- анализ потенциальных возможностей дистанционного метода измерения концентрации натрия, скорости ветра и температуры в мезосфере по интенсивности сигналов резонансной флуоресценции;
В ходе выполнения бакалаврской работы было выполнено: изучение литературы по методам лазерного зондирования атмосферы, ознакомление с теоретическими основами и техникой высотного зондирования атмосферы.
Был проведен сравнительный анализ методов получения генерации узкополосного (<100 МГц) лазерного излучения с длинами волн дублета натрия 588,9950 и 589,5924 нм.
Проведен анализ потенциальных возможностей метода дистанционного измерения концентрации натрия, скорости ветра и температуры в мезосфере по интенсивности сигналов резонансной флуоресценции . Подобного рода работы ведутся достаточно давно, но по сей день остаются актуальными задачами.
Проведена оценка ширины лазерного излучения с использованием сканирующего конфокального интерферометра фирмы ThorLABS SA200. Измеренная ширина линии не превышает 34 МГц. Что соответствует требованиям узкополосного излучения для измерения температуры и скорости ветра в мезосфере. Измерения ширины спектра проводились по одному каналу. В ближайшем будущем будет выполнена работа по измерению ширины спектра лазерного излучения второго канала (1319 нм) с последующим смешением двух длин волн для генерации излучения 589 нм.
Изменения в мезосфере могут быть важным сигналом изменения климата, сейчас появляется все больше доказательств того, что точные расчеты изменений климата Земли требуют модели отражающей изменения, происходящие в стратосфере и мезосфере. Так как отдельные компоненты системы составляют ее единое целое, изучения этих самых компонентов являются необходимой задачей для получения знаний и составления общей картины, описывающей окружающую нас среду. Таким образом, задачи по исследованию мезосферного натрия, измерению концентрации, температуры и скорости ветра являются важной и необходимой задачей.
