Физические аспекты лазерного зондирования возмущенной вулканическим извержением стратосферы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

«г £ од

российская академия наук " и

сибирское отделение , -

институт оптики атмосферы

На правах рукописи удк 551.501.7

БУРЛАКОВ Владимир Дмитриевич

ФИЗИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЛАЗЕРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ВОЗМУЩЕННОЙ ВУЛКАНИЧЕСКИМ ИЗВЕРЖЕНИЕМ СТРАТОСФЕРЫ

(Специальность 01.04.05 - оптика)

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск - 1996

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы Сибирского Отделения Российской Академии Наук.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Зуев Владимир Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Ивлев Лев Семенович; кандидат физико-математических наук Прокопьев Владимир Егорович

Ведущая организация:

Томский государственный университет

Защита состоится "/£" CZHTJlS Р Я 1996 г. /С 30

в < на заседании диссертационного совета Д 200.38.01 в Институте

оптики атмосферы СО РАН (634 055, г. Томск, пр. Академический, 1).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института оптики атмосферы СО РАН.

Автореферат разослан " 9 " ^Ч Q. 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.ф.-м.н.

Веретенников В.В.

ОГ.ЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РА1.0ТЫ

Актуальность гемм.

Аэрозоль и озон являются одними из основных компонентов атмосферы, которые во многом определяют климат и экологическое состояние нашей планеты.

Особая роль в исследовании аэрозоля уделяется изучению стратосферного аэрозольного слоя (САС), т.н. слой Юнге, максимум концентрации которого наблюдается на высотах 15-23 км. Этот слой имеет свои специфические законы образования и трансформации, характеризуется глобальностью распределения в стратосфере. Как-фоновый, так и посгвулканический САС состоит в основном ич капель 75% раствора серной кислоты в воде.

Главное значение стратосферного аэрозоля (СА) заключается в его влиянии на перенос излучения в атмосфере с последующим влиянием на общий радиационный баланс Земли, что может иметь климатические последствия. Рассеивая коротковолновое солнечное излучение, частицы СА уменьшают приток солнечной радиации к Земле. Поэтому в общем случае эффект выхолаживания считается определяющим при увеличении содержания СА. С другой стороны, СА поглощает длинноволновое тепловое излучение атмосферы, приводя к усилению "тепличного" эффекта атмосферы.

Результаты работ, посвященных опенке влияния аэрозоля на климат, говоря 1 о значительной роли аэрозольно-радиашюнных эффектов. Однако, пока еще не разработана реалистическая модель глобального аэрозоля для целей всестороннего учета эффектов ею воздействия на климат, для своевременного предсказания возможных радиационных возмущений, обусловленных аномальным а*ро!олем (как. например, в случае мощных взрывных твержений вулканов. Для зюго требуется получение большою объема многолетней систематической информации о пространственно-временной динамике концентрации, микрофизических и оптических характеристиках аэрозоля, ею суточных, сезонных, широтных вариациях и др.

С начала М)-\ годов особенно интенсивно ратвиваются исследования атмосферного озона, что свяишо с обнаружением "озонных дыр" и наблюдениями в некоторых регионах повышения концентрации тропосферного озона. При формировании "озонной дыры" величина общего содержания оюна (ОСО). которая в основном определяется концентрацией озона в стратосфере, резко уменьшается, что значительно снижает защитные свойства стратосферного о тонною слоя, который поглощает и ослабляет солнечную радиацию в опасном для биосферы Земли коротковолновом УФ-диапаюне спектра. Реакциями образования и диссипации молекул оюна при поглощении УФ радиации объясняются высокие температуры в верхней части оюносферы. С этой точки

зрения информативны одновременные измерения высотных профилей концентрации озона и температуры.

Особый интерес представляют комплексные исследования динамики вертикального распределения стратосферного озона и аэрозоля в периоды повышенного содержания аэрозоля в стратосфере после мощных вулканических извержений. Корреляция между пониженным содержанием озона и повышенным аэрозольным наполнением стратосферы впервые была отмечена еще в 1963 году, после извержения вулкана Агунг, а также наблюдалась в дальнейшем. Однако, однозначного определения причин такой корреляции пока не дано.

Необходимую оперативность, точность, достаточное пространственно-временное разрешение измерении динамики вертикального распределения аэрозоля, озона, температуры и других параметров атмосферы могут обеспечить лазерные методы зондирования атмосферы. В настоящее время функционирует прообраз сети наземных лидарных станций. По данным справочника NASA в 1993 году в мире было зарегистрировано 152 лидарных комплекса, на которых измерения различных атмосферных параметров (в основном это аэрозоль, озон и температура) ведется в режиме регулярного мониторинга или проведения измерительных кампаний в рамках определенных целевых программ.

Лидарные исследования стратосферного аэрозоля в Институте оптики атмосферы были начаты в 70-ые годы. Регулярные лидарные наблюдения за стратификацией стратосферного аэрозоля начались с 1986 года на лидаре с приемным зеркалом диаметром 1 метр, с 1989 года на этом лидаре были организованы измерения стратосферного озона. Результаты таких наблюдений представляют несомненный интерес для специалистов в области региональной и глобальной экологии, климатологии, физики атмосферы, поскольку Томск является единственной точкой на обширной территории Сибири, где эти измерения ведутся в режиме регулярного мониторинга. Данные, полученные в Томске, интересны также с точки зрения отслеживания процессов глобальных переносов п стратосфере.

Для регулярного комплексного зондирования аэрозоля (включая многочастотное зондирование его микроструктурных характеристик), озона, температуры и др. параметров атмосферы в конце КО-х годов была начата разработка многоканальной, многочастотной Сибирской лидарной станции (СЛС) Института оптики атмосферы. Главным элементом станции является приемное зеркало диаметром 2,2 метра. Большая апертура приемного зеркала обеспечивает прием лидарных эхо-сигналов как из стратосферы так и из мезосферы.

Одночастотное зондирование вертикально» стратификации стратосферного аэрозоля на лидаре с приемным зеркалом диаметром 2,2 метра началось нами в 1991 году и продолжается до настоящего времени. Параллельно велась разработка каналов многочастотного зондирования аэрозоля и озона. Для этого надо было на основании некоторых исследований выбрать лазерные источники, генерирующие в диапазоне длин волн 0,3-1 мкм, разработать оптические схемы многочастотных лидарных приемопередатчиков. системы фотоэлектронной регистрации сигналов. Для исследования процессов тропосферно-стратосферного обмена необходимо было разработать на базе приемных зеркал с меньшей апертурой каналы зондирования тропосферного аэрозоля и озона. Необходимо было решить методические вопросы получения корректных лидарных сигналов и восстановления из них характеристик исследуемых параметров атмосферы.

В основном эги задачи к настоящему времени решены. Однако, проведение регулярных измерений по мноючасттному зондированию аэрозолей из-за технических и организационных трудностей пока не реально. Поэтому основной массив банка данных по результатам зондирования стратосферного аэрозоля состоит из данных одночастотного зондирования. Пока еще не накоплен достаточный для анализа массив данных по зондированию тропосферного аэрозоля и озона, получены только первые результаты. Это же относится и к результатам зондирования плотности и температуры в верхней стратосфере и мезосфере. В представленной диссертации не анализируются в полном объеме данные по зондированию стратосферного озона. Этот анализ должен стать предметом отдельного исследования с привлечением дополнительной обширной информации по ОСО, метеопараметрам и др.

В настоящей работе в основном отражены и анализировались результаты зондирования стратосферного аэрозоля с 1991 года по настоящее время. Этот период особенно интересен тем, что характеризовался повышенным содержанием аэрозоля в стратосфере после мощною извержения вулкана Пинатубо в июне 1991 года па Филиппинах.

Учитывая все изложенное, можно сформулировать цель и основные задачи исследования диссертационной работы.

Цель.работы. Разработка каналов многочастотного зондирования аэрозоля, озона и температуры на Сибирской лидарной сганиии и исследование динамики вертикальною распределения этих параметров атмосферы на основе проведения регулярных лидарных измерений.

Для достижения лоп цели непосредственно перед автором ставились следующие задачи исследования;

- разработка каналов многочастотного зондирования аэрозоля, озона и температуры, включающая в себя: 1) исследование и выбор лазерных источников генерирующих в диапазоне 0,3-1 мкм с выходными характеристиками, обеспечивающими многочастотное зондирование аэрозоля озона и температуры в нижней и средней атмосфере; 2) разработка оптических схем многочастотного, многоапертурного лидарного приемо-передатчика с базовым приемным зеркалом диаметром 2,2 метра;

- отработка методик измерений и реализация зондирования аэрозоля, озона и температуры;

- вывод в режим регулярных измерений каналов зондирования стратосферного аэрозоля, озона и температуры;

исследование процессов формирования и релаксации стратосферного аэрозольного слоя после извержения вулкана Пинатубо по результатам наблюдений на Сибирской лидарной станции.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

1) Предложено и впервые реализовано зондирование тропосферного озона с использованием лазерных источников на основе нелинейных преобразователей частот излучения лазеров на парах металлов в УФ-области спектра.

2) В селективном резонаторе лазера на кристаллах сапфир-титан с накачкой лазером на парах меди, в области перестройки 680-960 нм, при последующем усилении излучения впервые достигнута средняя выходная мощность 2,6 Вт при ширине линии генерации 1-2 пм и дифракционной расходимости излучения.

3) Введен в режим измерений многочастотный, многоканальный лндарный комплекс на базе приемного зеркала диаметром 2,2 метра и зеркал меньшей апертуры, который обеспечивает одновременное комплексное зондирование аэрозоля, озона и температуры.

4) Получен ряд данных многолетних лидарных наблюдений за динамикой вертикального распределения аэрозоля и озона в стратосфере, в том числе, во время ее аэрозольного загрязнения продуктами мощного извержения вулкана Пинатубо.

5) Впервые зарегистрированы в стратосфере над Томском аэрозольные образования типа полярных стратосферных облаков, их наличие в стратосфере коррелировало с пониженным содержанием озона и низкими значениями температуры.

Научная и практическая значимость результатов работы.

На основе кристаллов сапфир-титан с накачкой лазером на парах меди разработан макет перестраиваемого лазерного источника, пригодного для зондирования водяного пара и температуры методом дифференциального поглощения в полосах НгО и О; (0,72;

0.94.и 0.76 мкм. соответственно); а также для расширения спектрального диапазона многочастотного зондирования аэрозоля в область 680-960 нм.

На Сибирской лидарной станции введены в режим регулярных измерений каналы зондирования стратосферного аэрозоля, озона и температуры.

Накоплен банк данных многолетних лидарных наблюдений за аэрозолем и озоном стратосферы, в том числе, в период ее загрязнения продуктами мощного вулканического извержения.

Достоверность результатов обеспечивается проработкой методических вопросов получения и регистрации лидарных сигналов; использованием апробированных, развиваемых в IIOA СО РАН методик обработки лидарных сигналов; статистической обеспеченностью экспериментальных данных. Полученные результаты согласуются с результатами аналогичных измерений на сети лидарных станций и с результатами корреляционных измерений во время зондирования стратосферы из космоса по программе NASA LITE.

Использовапне результатов работы.

Работы по созданию и развитию лидарного комплекса, а также непосредственные исследования атмосферы на CJIC пелись в рамках участия в проектах нескольких региональных. Государственных и Международных научных и научно-технических программ. Результаты, приведенные в диссертации, отражены в соответствующих отчетах. Среди таких программ можно отметить: НТО "Сибирь". ГНТП России "Глобальные изменения природной среды и климата", разделы TOR и TESLAS международного проекта P.UROTRAC. программа наземных измерений проекта NASA "LITE" и др.. Представляемый в диссертации лидарный комплекс и полученные на нем результаты явились основой лля включения Сибирской лидарной станции в число уникальных экспериментальных установок России.

Основные защищаемые положения

1. Реализованное на Сибирской лидарной станции лазерное многочастотное ■ зондирование атмосферы в диапазоне длин волн 308-1064 "нм обеспечивает регулярное

одновременное зондирование аэрозоля. оюна и температуры в стратосфере.

2. Использование преобразованных частот излучения лазера на парах меди (271 и 289 нм) позволяет осуществить зондирование тропосферного озона до высоты - 4,5 км ночью и около 3,5 км днем.

3. Регулярное лнларное зондирование стратосферного аэрозоля н течении 1991-1995 г.г позволило исследовать динамику развития и релаксации аэрозольного загрязнения

стратосферы продуктами извержения вулкана Пинатубо. Выделено несколько этапов этого процесса:

- регистрация первичных слоев загрязнения на высотах 16-18 км в июле-августе 1991 года и наличие отрицательной корреляции в поведении вертикального распределения аэрозоля и озона в этих слоях; •

- наблюдение максимального загрязнения на высотах выше 20 км в январе-феврале 1992 года и одновременно связанного с ним пониженного содержания стратосферного озона;

- укрупнение аэрозольных частиц весной-летом 1992 года и последующее поступление аэрозоля в тропосферу под действием седиментации и в результате процессов тропосферно-стратосферного обмена;

- ежегодная регистрация пиков аэрозольного загрязнения в зимний период за счет усиления меридиональной составляющей циркуляции с вторжением в средние широты тропических масс воздуха;

- достижение фонового аэрозольного состояния спустя четыре года после извержения, к лету 1995 года и формирование выраженного стратосферного аэрозольного слоя на высотах слоя Юнге из остаточного вулканического аэрозоля.

Апробация результатов работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на 17-й и 18-й Международных конференциях по лазерному зондированию (Сендай, Япония, 1994 г. и Берлин, Германия, 1996 г.); 8-й Международной конференции "Оптика лазеров" (С.Петербург, 1995); на 1-ой конференции и 2-й Международной конференции "Импульсные лазеры на переходах атомов и молекул" (Томск, 1993 и 1995): 2-ом Европейском симпозиуме по спутниковому дистанционному зондированию (Париж, Франция. 1995); 10-ом и 11-ом Симпозиумах по лазерному и акустическому зондированию атмосферы (Томск, 1989 и 1992); 5-й Международной конференции "Перестраиваемые по частоте лазеры" (Иркутск, 1989); 1-м, 2-м, 3-м Межреспубликанским симпозиумах "Оптика атмосферы и океана" (Томск, 1994, 1995 и 1996); Международном симпозиуме "Экологические последствия столкновения Земли с малыми телами Солнечной системы" (Томск, 1995); 2-ом Заседание Рабочей группы "Аэрозоли Сибири" (Томск, 1995). Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 98 наименований. Содержание работы изложено на 95 страницах машинописного текста, кроме того, иллюстрируется 52 рисунками и содержит 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность рассматриваемых в диссертации проблем, анализируется состояние вопроса, формулируется цель работы и задачи исследования. Определяется научная новизна, научная и практическая значимость работы. Отмечается обеспечение достоверности полученных результатов, их использование и апробация. Формулируются основные защищаемые положения.

Первая глава посвящена исследованиям, разработке и использованию лазерных источников различных типов, как основных элементов лидарных систем.

В первом параграфе дается краткая характеристика используемых и развиваемых на СЛС методов зондирования аэрозоля, озона, температуры и формулируются, определяемые этими методами, требования к характеристикам лазерных источников. Для зондирования определенного параметра атмосферы выбирается лазерный источник с характеристиками, которые позволяют наиболее ярко проявиться соответствующему физическому процессу взаимодействия лазерного излучения с атмосферой. Рассматриваются методы одночастотного и многочастотного зондирования аэрозоля, метод зондирования температуры по сигналам молекулярного рассеяния света и метод дифференциального поглощения и рассеяния для зондирования концентрации озона в тропосфере и стратосфере.

Во втором параграфе рассматриваются возможности применения лазеров на парах металлов (ЛПМ) в качестве специфичных источников зондирования некоторых параметров атмосферы. Обычно для зондирования стратосферного аэрозоля и озона используются мощные импульсные твердотельные и эксимерные лазеры с энергией в импульсе от десятков до сотен мДж и с частотой следования единицы-десятки Гц. Регистрация лидарных сигналов от верхней тропосферы и стратосферы ведется на высокочувствительные ФЭУ в режиме счета фотонов. При этом вследствие засветки ФЭУ мощным отраженным сигналом от ближней зоны зондирования возникает насыщение ФЭУ. которое ведет к просчету фотонов в большом динамическом диапазоне лидарных сигналов и искажению всей формы сигнала. Устранение или значительное ослабление насыщения ФЭУ при работе в тропосфере и стратосфере возможно при использовании лазеров с меньшей энергией в импульсе излучения, которые обеспечивают достаточную среднюю мощность за счет посылки импульсов большей частоты следования (кГц). Помимо устранения насыщения ФЭУ это обуславливает малые времена накопления сигнала в режиме счета фотонов (для тропосферы это могут быть секунды и минуты, для стратосферы - минуты и десятки минут).

В качестве источников дополнительных длин волн при многочастотном зондировании аэрозоля могут быть использованы лазеры на атомарных парах меди или марганца, золота, свинца и ионах стронция. В таблице 1 приведен возможный набор длин волн. Средняя мощность генерации в 1-2 Вт может быть получена в этих лазерах при работе с неустойчивым резонатором, что обеспечивает необходимую расходимость выходного излучения 0,2-0,3 мрад без применения дополнительной коллимирующей оптики. На СЛС такие параметры генерации реализованы в разработанных лазерных источниках на парах меди, золота и свинца.

Табл.1. Возможный набор длин волн генерации ЛПМ для многочастотного

зондирования аэрозоля.

Элемент Аи Си Мп Си Аи РЬ

Я, нм 312,2 430,5 510,6 534,1 578,6 627,8 722.9

Для лазерного зондирования озона в настоящем времени в основном используются эксимерные ХеС1. ХеИ, к.ги лазеры и генераторы 4-ой гармоники М:УАС лазера в сочетании с техникой преобразования основных частот генерации на основе эффекта вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) в различных газах. При этом для зондирования мощного озонного слоя стратосферы обычно используется пара линий 308/353 им (основная частота излучения ХеС1 лазера и первая стоксовая компонента ее ВКР-преобразования в водороде). Эта техника обеспечивает зондирование в диапазоне высот 10-50 км. Для зондирования слабого слоя тропосферного озона, в области полосы Хартли (200-300 нм). где сечения поглощения озона больше, часто используется пара линий 297/313 нм - первая и вторая стоксовые компоненты ВКР-преобразования в водороде основной частоты эксимерного КтР лазера (24Н.5 нм). Для усцтанения насыщения ФЭУ мощным сигналом от ближней зоны зондирования в этих случаях применяют механическую отсечку оптического лндарного сигнала от ближней зоны, электронное управление усилением ФЭУ и др. методы сокращения большого динамического диапазона лидарных сигналов.

С учетом того, что зондирование тропосферного озона в полосе Хартли характеризуется малыми величинами световых фонов и того, что дальности зондирования в тропосфере небольшие; для зондирования тропосферного озона в режиме счета фотонов возможно использование лазерных источников с меньшей (по сравнению с эксимерными лазерами) энергией в импульсе, но с большей частотой следования, которая обеспечит накопление достаточного уровня сигнала от дальней зоны зондирования. В качестве таких источников можно рассматривать лазеры на парах меди, золота и марганца с нелинейным преобразованием их основных частотах излучения в УФ область спектра. В

полосу поглощения озона от 255 до 314 им попадают вторые гармоники и суммарные частоты излучения этих лазеров, таблица 2. Кроме линии 255,3 нм, которая попадает-практически в максимум (254 нм) полосы поглощения озона, можно рассматривать несколько пар линии в зависимости от условий зондирования (ночь или день) и высотного интервала зондирования. Для дневного зондирования используется "солнечно-слепая" для ФЭУ область спектра короче 290 нм.

Табл. 2. Длины волн, соответствующие основным, суммарным (пересечение строки и столбца) и удвоенным (диагональ таблицы) частотам излучения лазеров на

парах меди, марганца и золота.

Си Мп Мп Си А и

X. нм 510,6 534,1 542,0 578,2 627,8

Си 510,6 255,3 261 262,9 271,2 281,6

Мп 534.1 267 269 277.6 288,6

Мп 542,0 271 279,8 290,9

Си 578,2 * 289,1 301

Ли 627,8 313,9

В высокоэффективных кристаллах ß - ßaß-,0^ (ВВО) при оптимизации пространственных характеристик тлучения накачки реализованы средние мощности генерации около 500 мВт на вторых гармониках и суммарно]'! частоте излучения лазера на парах меди при частоте следования импульсов 7 кГц и расходимости выходного излучения ~ 0,3 мрад. Для полученных значений параметров генерации на линиях "оп"-27! и "off-289 нм, с учетом реального пропускания спектральных элементов лндара и чувствительности ФЭУ. было проведено численное моделирование ошибки зондирования озона тропосферы при регистрации лидарных сигналов на зеркало диаметром 0.5 м. Результаты показали, что измерения концентрации озона с ошибкой менее 20" о возможны в интервале 1-5 км днем и 1-7 км ночью.

Развитие методов лазерного зондирования атмосферы и их широкое использование в практике регулярного мониторинга во многом связано с совершенствованием лазерных источников. Значительным шаг ом в области разработки лидарной техники для широкого практического применения была бы разработка такого источника лазерного излучения, который сочетал бы п себе как можно большее число качесш тлучения, необходимого для зондирования различных атмосферных параметров. В качестве одного из таких источников в настоящее время рассматривается перестраиваемый лазер на кристаллах сапфир-титан - 77". Последние международные конференции по лазерному

зондированию атмосферы (17-я, Япония 1994 г. и 18-я. Германия 1996 г.) демонстрируют

увеличение числа работ по использованию этого лазера для зондирования атмосферных газов и аэрозоля. В качестве источников накачки рабочих кристаллов сапфир-титан при этом в основном используется 2-я гармоника Ь'сГУАС-лазера (532 нм) или же применяется ламповая накачка. Нами исследовался подобный лазер при накачке кристаллов излучением лазера на парах меди, линии генерации которого попадают практически в центр полосы поглощения кристаллов А/гОг.ТГ*. Результаты таких исследований приводятся в третьем параграфе. Экспериментально исследованы энергетические, спектральные и пространственные характеристики генерации в неселективном, селективном резонаторах и в системе "задающий генератор-усилитель". На основе последней создан макет источника высокоинтенсивною, перестраиваемого в области 680960 нм излучения со средней выходной мощностью - 2,6 Вт. шириной линии 1-2 пч и близкой к дифракционной расходимостью. Лазер может быть использован для зондирования водяного пара и температуры в полосах НО; и О: (0.72: 0.94 и 0.76 мкм. соответственно); а также для расширения спектрального диапаына при многочасто] ном зондировании аэрозоля в область 6X0-960 нм.

В четвертом параграфе дается описание раграбогки ,\11:УД(> лазер:!, коюрмй используется нами для целей регулярною монигоршп а отических харак I ерис 1 ик аэрозоля на длине волны 532 нм. для оценки качественного хода распределения частиц по размерам 1п данных 2-х частотного зондирования на длинах волн 532 и 1064 нм и лля измерения температурных профилей верхней стратосферы и мезосферы по сигналам молекулярного рассеяния на длине волны 532 нм. Этот :кнер надежен и прост I. эксплуатации, что очень важно при проведении регулярных измерений. По данным справочника ЫАЗА (1993 г.) из 152 зарегистрированных в мире регулярно действующих лидарных установок по зондированию атмосферных параметров, более чем в 90 лидарах лля зондирования аэрозолей используется КёЛ'АО лазер. Зондирование оптических характеристик аэрозоля на стандартной длине волны 532 нм ношоляег сравнивай, результаты измерений на различных географических широтах

С целью увеличения потолка зондирования п точности регистрируемых эхо-сигналов на длине волны 1064 нм. которая в отличие от линии 532 нм расположена в спектральной области минимальной чувствительности ФЭУ. применен дополнительный канал усиления выходного ИК излучения. Лазерный источник разработан на базе стандартных квантронов К-104Г и выполнен по схеме: тадающий генератор в неустойчивом резонаторе - усилитель I - спектроделитель па отражение линии 532 и пропускание линии 1064 нм - усилитель 2. Выходная энер[ ия импульсов генерации л 1я .пины полны 532 нм на выходе снектроделителя составляет 50 мДж. для длины волны 1064 нм после второго усилителя 130 мДж. при частоте следования И) Гц и рас холимое т

излучения ~ 0,2 мрад. Энергетический потенциал и схемное построение лазера позволяют осуществлять одновременное зондирование температуры средней атмосферы и двухчастное зондирование аэрозоля стратосферы.

В пятом_параграфе приведены результаты исследований эффективности ВКР

преобразования линии 532 им с целью использования преобразованных частот в схемах многочастотного зондирования аэрозоля и эффективности преобразования линии 308 им эксимерного ХеС'| лазера с точки зрения использования пары линий 308-353 им для зондирования стратосферного озона. При определенных условиях, эффективность преобразования в ячейках высокого давления с водородом для первых стоксовых компонент \'с1:УЛО и ХеО лазеров (683 и 353 им соответственно) получена на уровне более 40"п: что позволяет использовать эти линии в соответствующих схемах зондирования. Обсуждается также возможность использования стоксовых компонент более высоких порядков при многочастотном зондировании аэрозоля.

Во второй главе рассматриваются попроси связанные с разработкой аппаратуры и метлик и »морений ларампроп атмосферы на базовом (основном) зилзрном комплексе СЛС и на его лоиолшпельных канатах зондирования, исследуется эффсыивиоси, различных схем лидарных прием« '-порода I чиков.

В качество Гм «>вого нами рассма гривается лиларный комплекс, обеспечивающий основную задачу исследовании: одновременное зондирование стратосферного а .роили, озона и температуры в режиме регулярных измерений. Дополнительные каналы 'ондирования используются при мноючастотном зондировании стра 1 осфержм з > аэрозозя и лтя тропосферных измерений 1! таблице 3 приведены технические характеристики разработанного к настоящему времени мнот очастотпото. многоканального лидарного комплекса. Из таблицы видно, какие лазерные источники и приемные зеркала используются для зондирования определенных параметров.

Разрабзчано несколько вариантов построения оптических схем многочас т отных много.шертурных ли тарных приемо-нерелатчиков Рассмотрены схемы, использующие элемент!,! волоконной оптики лля передачи оптического лидарного сигнала от фокальной плоскости главною приемною зеркала к кюветам спектральной селекции и фотоэлектронной рсч нстранин. Проанализированы схемы с передачей 2-х частотною зондирующего излучения в одном пучке с последующим спектральным делением лидарного сингала на приеме и схемы с передачей и приемом 2-х частотного излучения по ра злотый,! хг к а па и м

1еомстрит ти.гарных прпехго-нере.ы I чиков р.тссчнг т.гв.т :аз 1 из \г товии того чтоз'ьт |з г роох с хг' > м ¡а. г'.чнпч и н ! .'ри.тл-1 зон 1 и р 11 и;!! т п я 1 Оз-хю г р и ч 01 к и и ф.П'юр лнлара раННЯ.'КЯ единице Для сокращения ботытгого аинлхгнческо: з~> лиагга зона зн.тарнт.тх сигна.'ютз дм

уровня интенсивности сигналов, обеспечивающего линейный режим работы ФЭУ, применялись следующие методы: прием сигналов на зеркала с большой и малой площадью и с разными базами между осями приемника и передатчика; прием сигналов на одно большое зеркало с последующим делением светового потока светоделительнымн пластинами на потоки разной интенсивности; полевые диафрагмы; ослабляющие светофильтры; отсечка ближней зоны регистрируемых сигналов механическим затвором; электронное управление усилением ФЭУ. В работе рассмотрены особенности использования этих методов в различных схемах.

Табл. 3. Технические характеристики многочастотного лидарного комплекса СЛС

ПЕРЕДАТЧИК

Лазерный источник X, нм Е, мДж , Вт f. Гц

Nd:YAG Nd : YAG + кристалл KTP 532 + ВКР(Н2) XeCl ' XeCl + ВКР(Н2) Au Си Си + кристалл (ß - ВВО) * Расходимость 0.1-0.2 мрад 1064 532 683 308 353 628 511 578 289 271 130 50 30 60 30 2 2 1 0.5 0.5 10 10 10 50 50 2500 2500 2500 7000 7000

ПРИЕМНИК

Диаметр зеркала, м Фокусное расстояние, м Длина волны зондирования, нм Тропосфера Стратосфера

Аэрозоль Озон Аэрозоль Озон

0.3 1.0 532 0.5 1.5 271/289 2.2 10 353+1064 (томпор.тр.! 532) 1 2 308/353

РЕГИСТРАЦИЯ

Режим счета фотонов Фотоприемники : ФЭУ -142, ФЭУ -130, ФЭУ -83 Пространственное разрешение : 100-500 метров Временное разрешение : тропосфера 5-15 мин, стратосфера 15-30 мин (для температуры 1.5-2.0 часа)

Результаты одночастотного зондирования вертикального распределения атмосферного аэрозоля представлены в работе в виде высогных профилей отношения рассеяния Я(Н), отношение суммарного объемного коэффициента обратного рассеяния к молекулярному:

/з ию+Ртлю

ß.(H)

где /3^(//) и [}"(//) - коэффициенты обратного аэрозольного и молекулярного рассеяния, соответственно; Н высота. Временный ход профилен Я(Н) показывает динамику стратификации аэрозольных слоев и их относительную интенсивность. Результаты многолетних лидарных измерений стратосферного аэрозоля обычно представляют в виде

временного ряда величины В„- интегральный коэффициент обратного аэрозольного

рассеяния (ИКОР) для определенного интервала высот Л, и Л,: Вг -jPlt(И)dH.

Л,

В четвертом параграфе рассматривается методика двухчастотного зондирования аэрозоля. Для качественной оценки спектра размеров частиц мы использовали параметр Х(Н), представляющий собой показатель степени в соотношении

/пи2) Ч

где Я, - меньшая длина волны зондирования, Я, - большая. Это отношение следует из теории Ми II интерпретируется следующим образом, чем больше X, тем больше мелких частиц в рассеивающем объеме, более оптически активных в коротковолновом участке спектра. Если полагать, что стратосферный аэрозоль во всем рассматриваемом высотном диапазоне, в основном, одной природы, то малые значения X должны характеризовать наличие крупных частиц, большие значения Х- мелкодисперсный аэрозоль. Учитывая, что

= (-■-)''. а для длин ноли 532 и 1064 им = 2: то можно получить выражение для

р:О.:) Я,

Х(Н) через Я(Н):

Н//, 4. : :,Л'|/л 1 (3)

1м 2 /?,(//)-!

В работе анализируется высотный ход параметра X на разных стадиях загрязнения стратосферы вулканическим аэрозолем и в различных синоптических ситуациях. В частности, ход параметра X отслеживает процесс седиментации крупных аэрозольных частиц.

В пятом параграфе коротко излагается методика зондирования температуры по сигналам молекулярного рассеяния, анализируются ошибки измерений и приводятся некоторые результаты зондирования.

В настоящее время релеенские лидары широко используются в известных лидарных обсерваториях. Потолок зондирования в основном 70-8(1 км. Однако, важным вопросом при этом является достижение приемлемых точностей восстановления температуры. Точность восстановления температурного профиля зависит от самого сигнала и точности его измерений, так и от выбранного высотного диапазона обработки

сигнала и вводимой априорной информации. Общая ошибка будет состоять из вклада случайной и систематической ошибок. Случайная ошибка определяется величиной лидарного сигнала и уровнем шума (фон плюс шумы фотоэлектронного регистратора). Систематическая зависит от точности выбора температуры на максимальной высоте калибровки. Анализ ошибок в нашем случае показал, что общая ошибка измерений изменяется от ± 2 К на высоте 35 км до ± 15 К на высоте 65 км. Для увеличения потолка зондирования и точности измерений температуры в нашем случае необходимо увеличивать энергетику зондирующих импульсов.

В шестом параграфе приводятся и анализируются первые экспериментальные результаты по зондированию тропосферного озона на линиях 271-289 им.

Лидарный сигнал по линии 289 нм наблюдается до -10 км, для линии 271 нм примерно до 5 км. Меньшая дальность последнего сигнала обусловлена большим поглощением для линии 271 нм, которая находится ближе к центру (254 нм) полосы поглощения озона, чем линия 289 нм. Достигнутая дальность регистрации сигналов соответствует высотам зондирования, наблюдаемым при использовании близких по спектру, ВКР преобразованных линий излучения КгР лазера, хотя в последнем случае энергия стоксовых компонент, направляемых непосредственно в атмосферу, была более чем на два порядка выше энергетики линий 271-289 нм.

Профиль концентрации озона из полученных сигналов восстанавливается в диапазоне 1 - 4,5 км. Для увеличения потолка зондирования в настоящее время ведутся работы по оптимизации параметров лидара: увеличение мощности генерации на линии 271 нм, оптимизация всех оптических элементов и фотоэлектронной системы регистрации. Тем не менее, поскольку все заметные изменения в концентрации тропосферного озона происходят до высот ~ 4 км (от 4 км до примерно 10 км пониженная концентрация озона практически не изменяется), можно говорить о возможности использования разработанного лидара на линиях 271-289 нм для измерении тропосфернот о озона.

В третьей главе представлены результаты исследований процессов формирования и релаксации стратосферного аэрозольного слоя после извержения вулкана Пинатубо по наблюдениям на разработанном лидарном комплексе СЛС. Динамика слоя подробно анализируется из рассмотрения большого объема регулярно наблюдаемых профилей Я(Н).

Трансформация спектра размера частиц и процессы седиментации частиц исследовались из данных многочастотного и двухчастотного зондирования. Укрупнение аэрозольных частиц наблюдалось весной-летом 1992 года.

Итоги многолетних лидарных наблюдений оптических характеристик аэрозоля представлены на рис. 1 и 2. На рис. 1 приведены усредненные по данным летних

Н, (км]

18

15

10"5 10"4 10'3

Рис. I. Средние летние профили коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния (кмхср)-'

Годы

Рис.2. Временной ход шпегрального коэффициента образного аэрозольного рассеяния (15-40 км).

измерений средние летние профили коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния за 1987 - 95 г.г. От 92 к 93 г. наблюдается уменьшение значений коэффициента и снижение верхней границы высотного диапазона возмущения стратосферы. Форма профиля за 199-1 год близка к форме профиля за 1987 г. в плане четко выраженного максимума на высотах слоя Юнге (~19 км). Если на профиле за 94 г. отражаются следы аэрозольного загрязнения от вулкана Пинатубо, то на профиле 87г. возможно наблюдаются следы извержения вулканов Руис (декабрь 85 г.) и вулкана Ыуатигацна в 1986 г. Отсутствие че1ко выраженного максимума на высотах слоя Юнге в фоновых 1988, 89 и 95 гл. I сворит о том , что слой Юнге имеет преимущественно вулканическое происхождение.

На рис. 2 представлен ход ИКОР полученный по результатам наших многолетних измерений . Ход коэффициента отражает процесс развития загрязнения стратосферы вулканическим аэрозолем, с достижением пика загрязнения в январе-феврале 1992 г.. релаксации его до фонового уровня к лету 1995 г. Пики аэрозольного рассеяния наблюдались также в зимние периоды (преимущественно январь) 92/93 и 93/94 годов. В эти периоды наблюдаются максимумы величины ИКОР и отношения рассеяния со спадающей год от года амплитудой. Наблюдаемые максимумы могут объясняться сезонным зимним переносом аэрозоля из экваториального резервуара к полярным районам.

В четвертом параграфе приводятся некоторые результаты зондирования стратосферного озона в период загрязнения стратосферы продуктами вулканического извержения. Расчет концентрации озона осуществлялся по методике, учитывающей различия в рассеивающих свойствах аэрозоля на длинах волн зондирования в условиях аномального аэрозольного наполнения стратосферы , когда обратное аэрозольное рассеяние в несколько раз превышает молекулярное. Методика аэрозольной коррекции основана на использовании данных о микрострукгурных и рассеивающих характеристиках аэрозоля , получаемых при зондировании на допчлшпсльных длинах волн. Многочастотный режим работы СЛС позволяет осуществлять такую коррекцию. В качестве дополнительных длин волн зондирования обычно использовались линии 532 и 628 нм с привлечением информации о характеристиках аэрозоля на длине волны 353 нм. В начальный период после извержения, в июле 1991 г. на профилях концентрации озона наблюдались локальные минимумы, которым соответствовали максимумы выраженных аэрозольных слоев на профилях Я(Н). Максимальные значения И регистрировались в январе-феврале 1992 г., в этот же период регистрировались и минимальные, по сравнению с аналогичным периодом предыдущего года, значения концентрации озона в сфатсфере. В работе обсуждаются некоторые возможные механизмы десгрукнии озона. Однако.

имеющегося фактического материала недостаточно для строгого обоснования какого-либо определенного механизма,

В пятом параграфе описаны случаи регистрации в январе 1995 года аэрозольных слоев с аномально высоким значением R для этого периода измерений. Время наблюдений этих слоев совпадало с резким понижением температуры на тех же высотах (16-18 км), до -76° С, что нетипично для наших широт, и с большим повышением влажности в нижней стратосфере. В этот же период наблюдались пониженные значения ОСО. Анализ имеющихся фактов позволяет предположить, что природа наблюдаемых аэрозольных образований аналогично природе полярных стратосферных облаков.

В шестом параграфе из литературных данных довольно подробно анализируются результаты наблюдений вулканического возмущения стратосферы на мировой 'сети лндарных станций; результаты сравниваются с нашими измерениями. Сравнительный анализ результатов показывает, что измерения на СЛС в Томске коррелируют с измерениями станций средних северных широт и отслеживают широтные распределения. Можно отметить, что измерительная компания после извержения вулкана Пинатубо была самой интенсивной за всю историю лндарных измерений по исследованиям вулканического аэрозольного слоя стратосферы и стимулировала создание новых лндарных станций и развитие существующих.

В седьмом параграфе рассматриваются сравнительные результаты наземного и космического лидарного зондирования, полученные во время синхронных измерений по программе NASA LITE. В сентябре 1994 года NASA осуществило эксперимент LITE (Lidar in-Space Technology Experiment) по лазерному зондированию параметров атмосферы с борта Шаттла из космоса. Для корреляционных измерений была задействована сеть наземных лндарных станций Америки. Европы, Азии и Австралии. В эту сеть была включена и СЛС.

Данные одновременного зондирования стратосферного аэрозоля на СЛС и из космоса показали совпадение результатов. Максимальные значения R на длине волны 532 нм были сопоставимы: 1,22-1,24. Позднее, на IX ой Международной конференции по лазерному зондированию (Берлин. 1996), в докладе М. Осборн по итогам наблюдений стратосферного аэрозоля из космоса в кампанию LITE сообщалось, что значения R наблюдались от величины 1.5 на экваторе до 1,2-1.3 на средних и высоких широтах. Совпадение результатов позволяет говорить о достоверности данных зондирования аэрозоля на СЛС.

В заключении сформулированы основные ре!ультаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе кристаллов сапфир-титан с накачкой лазером на парах меди разработан макет перестраиваемого лазерного источника, пригодного для целей зондирования атмосферных газов и аэрозоля. В области перестройки 680-960 нм получена средняя выходная мощность 2,6 Вт при ширине линии генерации 1-2 пм и дифракционной расходимости излучения.

2. На базе стандартных квантронов разработан лазерный источник на кристаллах алюмоиттриевого граната, работающий по схеме задающий генератор-два усилителя, энергетический потенциал которого позволяет осуществлять одновременное зондирование температуры средней атмосферы и двухчастотное зондирование аэрозоля в стратосфере.

3. Экспериментально исследованы режимы ВКР преобразования в водороде частот излучения Nd:YAG и ХеС1 лазеров с целью оптимизации выходных параметров стоксовых компонент излучения, используемых для зондирования аэрозоля и озона.

4. На Сибирской лидарной станции с главным приемным телескопом диаметром 2.2 метра разработаны каналы многочастотного зондирования стратосферного аэрозоля и озона в диапазоне длин волн 308-1064 нм. Разработана методика измерений и реализовано зондирование стратосферного аэрозоля на длинах волн 511, 532, 578, 628, 683 и 1064 нм и стратосферного озона на длинах волн 308 и 353 нм.

5. Для лидарных измерений концентрации тропосферного озона предложено использование лазерных источников на основе нелинейных преобразователей частот излучения лазеров на парах металлов, имеющих большую частоту следования и меньшую энергию импульсов излучения, по сравнению с традиционно используемыми эксимерными лазерами.

6. Впервые реализовано зондирование тропосферного озона по методу дифференциального поглощения на паре линий преобразованных частот излучения медного лазера (271-289 нм) до высот ~ 4,5 км ночью и 3,5 км днем.

7. Достигнут потолок зондирования атмосферы -85 км, что позволило определять по сигналам молекулярного рассеяния профили температуры с ошибкой измерений менее 10 К в интервале высот 35-60 км.

8. Впервые зарегистрированы в стратосфере над Томском аэрозольные образования типа полярных стратосферных облаков, их наличие в стратосфере коррелировало с пониженным содержанием озона и низкими значениями температуры.

9. В рамках сравнительных измерений по программе NASA "LITE" проведены наземные лидарные измерения оптических характеристик стратосферного аэрозоля одновременно с

зондированием аналогичных параметров из космоса. Измерения показали качественное совпадение результатов.

10. Продолжено накопление данных многолетних измерении оптических характеристик стратосферного аэрозоля, которые могут быть использованы при анализе результатов последующих измерений и для уточнения региональной модели стратосферного аэрозоля юга Западной Сибири.

11. Регулярное лидарное зондирование стратосферного аэрозоля в течении 1991-1995 г.г. позволило исследовать динамику развития и релаксации аэрозольного загрязнения стратосферы продуктами извержения вулкана Пинатубо. Выделено несколько этапов этого процесса:

- регистрация первичных слоев загрязнения на высотах 16-18 км в июле-августе 1991 года и наличие отрицательной корреляции в поведении вертикального распределения аэрозоля и озона в этих слоях;

- наблюдение максимального загрязнения на высотах выше 20 км в январе-феврале 1992 года и одновременно связанного с ним пониженного содержания стратосферного озона;

- укрупнение аэрозольных частиц весной-летом 1992 года и последующее поступление аэрозоля в тропосферу под действием седиментации и в результате процессов тропосферно-стратосферного обмена;

- ежегодная регистрация пиков аэрозольного загрязнения в зимний период за счет усиления меридиональной составляющей циркуляции с вюржением в средние широты тропических масс воздуха:

- достижение фонового аэрозольного состояния спустя четыре года после извержения, к лету 1995 года и формирование выраженного стратосферного аэрозольного слоя на высотах слоя Юнге из остаточного вулканического аэрозоля.

По теме диссертационной работы автором опубликовано 9 статей в центральной и 4 в зарубежной печати, сделано 16 докладоп на Межреспубликанских и региональных конференциях и совещаниях, 9 докладов на Международных конференциях.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Бартошевич С.Г., Бурлаков В.Д.. Зуев В.В.. Полунин Ю.П.. Скрипко Г.А. Мощный квазинепрерывный излучатель на кристалле 7/'u. перестраиваемый в диапазоне 680-960 нм. с накачкой лазером на парах мели // Оптика атмосферы. I988, т.1. NM 2. с.87-93.

2. Bartoshevich S.O.. Burlakov V.I).. Zuev V.V.. Nazarenko N.P.. Maltzev A.N., Skripko G A.

Source of tunable radiation based on 77 :A/,Ox civstals pumped by a copper vapoi laser. // Applied Optics. 1492. v.3l. N36, p.7575-75X0.

3. Бурлаков В.Д., Ельников A.B., Зуев В.В., Маричев В.П., Правдив В.Л. Следы извержения вулкана Пинатубо в стратосфере над Западной Сибирью (Томск, 56°с.ш.) // Оптика атмосферы и океана. 1992, т.5, N6, с.602-604.

4. Бурлаков В.Д., Ельников A.B., Зуев В.В., Маричев В.Н., Правдин В.Л., Щеглов В.Б., Шарабарин Е.В. Многочастотный лидар на базе приемного телескопа с диаметром 2,2 м для одновременного зондирования вертикального распределения озона и аэрозоля в стратосфере. //Оптика атмосферы и океана. 1992, т.5, N10, с. 1022-1027.

5. Бурлаков В.Д., Зуев В.В., Евтушенко Г.С., Ельников A.B., Маричев В.Н., Правдин В.Л. Лазеры на парах металлов для дистанционного зондирования атмосферного аэрозоля. // Оптика атмосферы и океана. 1993, т.6, N3, с.326-331.

6. Бурлаков В.Д., Ельников A.B., Зуев В.В., Маричев В.П., Правдин В.Л., Смирнов C.B. Результаты лидарных наблюдений аэрозоля и озона стратосферы после извержения вулкана Пинатубо (Томск, 56°с.ш., 85°в.д.). // Оптика атмосферы и океана. 1993. т.6, N10, с. 1224-1233.

7. Бондаренко С.Л., Бурлаков В.Д.. Гришаев М.В., Зуев В.В., Маричев В.П., Правдин В.Л. Лазерное зондирование мезосферы на Сибирской лидарной станции. // Оптика атмосферы и океана. 1994, т.7, N11. с.1652-1655.

8. Бурлаков В.Д., Зуев В.В.. Евтушенко Г.С., Катаев М.Ю.. Смирнов C.B., Троицкий В.О. Лидар для зондирования тропосферного озона с использованием нелинейных преобразователей излучения лазера на парах меди. // Оптика атмосферы и океана. 1994. т.7, N11, с. 1614-1618.

9. Burlakov V.D.. Zuev V.V., Evtushenko G.S.. Kataev M.Vu.. Mitzel A.A.. Troitskii V.O. Copper vapor laser lidar for tropospherie ozone sounding. // Proceedings SPIE. 1995. v.2619. p.270-275.

10. Бурлаков В.Д., Зуев В.В.. Ельников A.B.. Гришаев М.В.. Правдин В.Л. Лазерное зондирование стратосферного аэрозоля на длинах волн 532 и 1064 им по программам SATOR и LITE в 1994 году. //Оптика атмосферы и океана. 1995, i.K. N10. с. 1496-1500.

11. Бурлаков В.Д., Зуев В.В.. Гришаев М.В.. Ельников A.B. Сравнительные результаты наземного и космического лидарного зондирования, полученные во время синхронных измерений по программе LITE. //Оптика атмосферы и океана. 1996, т.9, N3. с.347-350.

12. Zuev V.V., Burlakov V.D.,EI'nikov A.Y.. Smirnov S.V. Long-term lidar observations of stratospheric volcanic aerosols over Western Siberia // 18th ILRC Abstract book. Berlin. Germany. 1996, p. 115.