Исследование неселективного поглощения коротковолнового излучения водяным паром и атмосферным аэрозолем методом импульсной оптико-акустической спектроскопии тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

Тихомиров Алексей Борисович

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСЕЛЕКТИВНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ КОРОТКОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВОДЯНЫМ ПАРОМ И АТМОСФЕРНЫМ АЭРОЗОЛЕМ МЕТОДОМ ИМПУЛЬСНОЙ ОПТИКО-АКУСТИЧЕСКОЙ СПЕКТРОСКОПИИ

Специальность 01.04.05 - оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Томск-2006

Работа выполнена в Институте оптики атмосферы СО РАН.

Научный руководитель: Научный консультант:

доктор физико-математических наук Панченко Михаил Васильевич

кандидат физико-математических наук Тихомиров Борис Александрович

Официальные оппоненты: член-корреспондент РАН, профессор

Творогов Станислав Дмитриевич

кандидат физико-математических наук Карапузиков Александр Иванович

Ведущая организация: Институт физики атмосферы

им. A.M. Обухова РАН, г. Москва

Защита состоится 12 мая 2006 г. в 14 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 003.029.01 в Институте оптики атмосферы СО РАН по адресу: 634055, г. Томск, пр. Академический, 1.

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

Автореферат разослан апреля 2006 г.

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

Веретенников В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность и состояние вопроса

Важность экспериментальных исследований поглощения оптического излучения в атмосфере Земли и получение количественных данных о коэффициентах поглощения обусловлены как необходимостью понимания природы самого поглощения, так и задачами, связанными с переносом оптического излучения в атмосфере. Исследования спектров резонансного и нерезонансного поглощения атмосферных газов дают исходную информацию для развития теоретических моделей и методов молекулярной спектроскопии. Кроме того, широкий круг метеорологических и геофизических задач требует все более точных экспериментальных данных о характеристиках молекулярного и аэрозольного поглощения оптического излучения в атмосферном воздухе. К числу таких проблем относится задача по выяснению природы «аномального» поглощения коротковолнового излучения (0,4-4 мкм) в атмосфере.

Водяной пар и содержащая частички сажи мелкодисперсная фракция атмосферных аэрозолей являются главными компонентами атмосферного воздуха, вносящими наибольший вклад, соответственно, в молекулярное и аэрозольное поглощение радиации в атмосфере [1,2]. В качестве возможных причин существования «аномального» поглощения в литературе рассматриваются континуальное поглощение водяного пара и аэрозольное поглощение. Общими свойствами для этих составляющих поглощения радиации являются небольшая величина коэффициента поглощения и неселективность, проявляющаяся в слабой зависимости коэффициента поглощения от длины волны. Небольшое по величине, но неселективное по спектру поглощение может приводить к эффекту в радиационном балансе атмосферы, сравнимому с вкладами от селективного (резонансного) поглощения излучения отдельными атмосферными газами. По недавно полученным данным [3], сажевая компонента атмосферных аэрозолей вносит в глобальное потепление больший вклад, чем метан. Согласно работе [4] контроль сажевых частиц в атмосфере с целью изучения их влияния на климат в настоящее время, возможно, даже более необходим, чем контроль за содержанием СОг. В литературе отмечается, что влияние атмосферного сажевого аэрозоля в радиационном балансе Земли наиболее весомо при поглощении приходящего солнечного излучения, т.е. в коротковолновой области спектра.

На сегодняшний день установлено [5], что вклад континуального поглощения Н20 в атмосферный радиационный баланс в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах спектра является недостаточным, чтобы объяснить «аномальное» поглощение солнечного излучения в атмосфере. Поэтому получение экспериментальных данных о величине коэффициента кон-

тинуального поглощения излучения

спек-

тральных диапазонах представляет большой интерес, в первую очередь для проверки теоретических моделей континуума Н20.

Небольшая величина и неселективность коэффициентов поглощения создают сложности при экспериментальном исследовании континуального поглощения водяного пара и аэрозольного поглощения в атмосферном воздухе. Согласно литературным данным, поглощение коротковолнового излучения атмосферным аэрозолем характеризуется эффективностью поглощения "на длине волны А. = 0,55 мкм <5 = кМц ~ Юм2-г"1, где к -коэффициент аэрозольного поглощения; Мц - массовое содержание сажевых частиц, которое в приземном атмосферном воздухе варьирует около средней величины 1 мкг-м"3. Расчетные значения коэффициентов «внутрипо-лосового» континуального поглощения водяного пара в диапазоне длин волн А. = 0,5-1,5 мкм при концентрации водяного пара ~10 г - м"3 варьируют около Ю-7 см-1. Из этого следует, что для экспериментальных исследований требуются приборы с пороговой чувствительностью по коэффициенту поглощения не хуже 10~8 см" , позволяющие проводить измерения в отсутствие фоновых сигналов. Создание такой спектральной аппаратуры является актуальной и достаточно сложной задачей.

К настоящему времени большинство данных о поглощательных свойствах атмосферных аэрозолей получено фильтровыми методами измерений. Оптические характеристики частиц, осажденных на фильтре, отличаются от оптических характеристик частиц, взвешенных в воздухе. Кроме того, из-за влияния рассеяния фильтровые методы, как правило, дают завышенные значения коэффициентов аэрозольного поглощения. Для исследований поглощения взвешенными в воздухе атмосферными аэрозольными частицами используется метод резонансной оптико-акустической лазерной спектроскопии [6, 7]. Однако такие измерения являются немногочисленными и при определении спектральной зависимости эффективности аэрозольного поглощения дают результаты, сильно отличающиеся от результатов фильтровых измерений. Измерения коэффициентов континуального поглощения водяного пара в ближнем инфракрасном диапазоне также немногочисленны, а для видимого диапазона спектра данные измерений коэффициентов континуального поглощения в литературе отсутствуют.

Цель работы

Исследование слабого аэрозольного поглощения в области 0,5-1,1 мкм в приземной атмосфере и континуального поглощения водяного пара в области 0,694 мкм в газах методом импульсной оптико-акустической спектроскопии.

Основные задачи

1. Разработка и создание высокочувствительного оптико-акустического спектрометра с импульсными твердотельными лазерами, позволяющего

измерять коэффициенты слабого аэрозольного поглощения и континуального поглощения водяного пара в коротковолновой области спектра. Отработка методик эксперимента.

2. Измерения эффективности аэрозольного поглощения на длинах волн излучения импульсных лазеров 0,532; 0,694 и 1,064 мкм в приземном атмосферном воздухе. Определение спектральной зависимости эффективности аэрозольного поглощения в области 0,5-1,1 мкм.

3. Измерения спектров поглощения водяного пара при самоуширении и уширении азотом в области генерации лазера на рубине. Расчеты спектров поглощения водяного пара с использованием базы данных Н1Т11АМ. Определение величины коэффициента континуального поглощения водяного пара в области 0,694 мкм.

Научная новизна

1. Для исследования слабого аэрозольного поглощения и континуального поглощения водяного пара в коротковолновой области развит метод импульсной оптико-акустической спектроскопии. Создан высокочувствительный оптико-акустический спектрометр с импульсными твердотельными лазерами, позволяющий измерять коэффициенты поглощения в газах на нулевом фоне. Разработана методика калибровки спектрометра для измерений характеристик аэрозольного поглощения.

2. Впервые для трех значений длины волны (0,532; 0,694 и 1,064 мкм) выполнены оптико-акустические измерения коэффициента аэрозольного поглощения синхронно с аэталометрическими измерениями массовой концентрации сажевых частиц в приземном воздухе. Данные об эффективности аэрозольного поглощения коротковолнового оптического излучения в атмосфере, полученные в результате синхронных измерений, аппроксимируются спектральной зависимостью, близкой к теоретической зависимости для мелкодисперсных частиц и хорошо согласуются с экспериментальными результатами независимых фильтровых измерений.

3. Впервые в видимой области спектра (0,694 мкм) измерен коэффициент континуального поглощения водяного пара.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Оптико-акустический спектрометр, созданный на основе ячейки с концентратором акустического сигнала давления, позволяет получать количественные данные о коэффициенте аэрозольного поглощения и о коэффициенте континуального поглощения водяного пара в коротковолновой области спектра. Спектрометр обеспечивает измерения коэффициентов поглощения в газах на нулевом фоне и характеризуется пороговой чувствительностью по коэффициенту поглощения киин = 1,5 • Ю-9 см-1.

2. Спектральный ход эффективности аэрозольного поглощения коротковолнового оптического излучения в приземной атмосфере a(k) = k(X)Ms , определенный в результате синхронных измерений коэффициента аэрозольного поглощения к для излучения с длинами волн 0,532; 0,694 и 1,064 мкм (оптико-акустический спектрометр) и массовой концентрации сажевых частиц в воздухе Ms (аэтапометр), аппроксимируется зависимостью, близкой к теоретической для мелкодисперсных частиц. В макроокнах прозрачности приземной атмосферы в спектральной области 0,5 - 1,1 мкм поглощение атмосферным аэрозолем более чем на порядок превышает молекулярное поглощение.

3. Впервые зарегистрированное в видимой области спектра континуальное поглощение водяного пара в смеси с азотом характеризуется сечением поглощения аконх = (2,2 ± 0,7)-10~26 см2 мол"|'атм"1 = 0,69430 мкм) и лучше всего соответствует модели континуума водяного пара MT_CKD.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использовались следующие методы измерений: фильтровый метод (метод диффузного ослабления) для измерений массовой концентрации сажевых частиц в атмосферном воздухе, метод импульсной оптико-акустической спектроскопии с временным разрешением сигналов для измерений коэффициентов поглощения. Для расчетов форм импульсных оптико-акустических сигналов в газах использовались стандартные методы интегрирования. Расчет коэффициентов молекулярного поглощения производился с использованием метода полинейного счета (iline-by-line). При обработке результатов измерений применялись методы математической статистики.

Достоверность результатов и выводов работы обеспечивается воспроизводимостью полученных данных, их статистической обеспеченностью, а также их согласием с результатами расчетов и независимых исследований.

Научная ценность и практическая значимость

Результаты, полученные в настоящей работе, развивают существующие представления о поглощении коротковолнового оптического излучения в приземной атмосфере. Данные о коэффициентах аэрозольного поглощения и континуального поглощения водяного пара, а также данные о спектральной зависимости эффективности аэрозольного поглощения могут быть использованы для создания и усовершенствования радиационных и климатологических моделей атмосферы, моделирования процессов переноса излучения в атмосфере, верификации теоретических представлений в атмосферной оптике и молекулярной спектроскопии.

Разработанный оптико-акустический спектрометр может служить основой для создания высокочувствительных лазерных газоанализаторов с обнаружительной способностью < 1 ppb.

Работа выполнялась в рамках плана научно-исследовательских работ Института оптики атмосферы СО РАН в период с 2001 по 2005 год. Она была поддержана грантами РФФИ №№ 00-05-65204, 02-05-06121, 03-0564787, 03-05-06038, 04-05-64569, Программой Отделения физических наук РАН «Фундаментальная оптическая спектроскопия», Фондом содействия отечественной науке.

Публикации и апробация работы

По материалам выполненных исследований опубликовано 3 статьи в отечественном журнале «Оптика атмосферы и океана» и 1 статья в зарубежном журнале «Optical Engineering». Результаты докладывались на Международных конференциях: «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы» (Иркутск, 2001; Томск, 2002, 2004, 2005); «Атмосферная радиация» (С.-Петербург, 2002); «Atmospheric Radiation Measurement-2002» (США, 2002); Международной конференции по аэрозолям (Тайвань, 2002); Международной конференции по спектроскопии высокого разрешения «HighRus-2003» (Красноярск, 2003); Рабочих группах «Аэрозоли Сибири» (Томск, 2001, 2002, 2004, 2005); 11-й Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 2005).

Вклад автора

Автор работы принимал прямое участие в разработке экспериментальной техники, проведении экспериментов, обработке и интерпретации полученных данных. Большинство экспериментов и расчетов выполнено автором лично.

Структура и объем

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы; изложена на 153 страницах, включая 42 рисунка, 4 таблицы и списка литературы из 144 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении дается общая характеристика работы, обосновывается актуальность, определяется тематика и формулируется цель работы, кратко излагаются основные задачи исследования и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе рассматриваются основные характеристики ослабления, рассеяния и поглощения оптического излучения в атмосфере.

Сделан краткий обзор методов и результатов измерений слабого аэрозольного поглощения в атмосферном воздухе и континуального поглощения водяного пара в коротковолновой области спектра.

Из анализа литературных данных установлено, что исследование аэрозольного поглощения в натурных условиях путем прямого измерения пропускания на протяженных оптических трассах является весьма сложной задачей, так как вклад в ослабление излучения за счет поглощения часто маскируется молекулярным или аэрозольным рассеянием.

Для исследования характеристик поглощения излучения атмосферным аэрозолем наиболее часто используются фильтровые методы, которые в комбинации со стандартной спектральной аппаратурой позволяют весьма просто в относительных единицах получать спектральные зависимости коэффициента аэрозольного поглощения исследуемых образцов. В большинстве случаев коэффициент поглощения аэрозольной пробы пропорционален А,-1, что хорошо согласуется с теоретическими представлениями для мелкодисперсных частиц (рэлеевское поглощение). Однако когда речь заходит об измерениях абсолютных значений коэффициентов и эффективно-стей аэрозольного поглощения, многие авторы отмечают, что получаемые для аккумулированных на фильтрах частиц данные о поглощении не соответствуют условиям реальной атмосферы. Также отмечается, что влияние эффектов рассеяния часто приводит к завышению значений характеристик аэрозольного поглощения, измеряемых фильтровыми методами, на 20-60%.

Оптико-акустической метод лазерной спектроскопии считается наиболее перспективным для исследований аэрозольного поглощения, поскольку позволяет проводить измерения с аэрозольными частицами, взвешенными в воздухе, в реальном масштабе времени. Результаты измерений поглощательных характеристик атмосферных аэрозолей немногочисленны. Спектральная зависимость эффективности аэрозольного поглощения в области 0,4-0,8 мкм, полученная на основе оптико-акустических измерений, аппроксимируется функцией

Анализ литературы по проблеме континуального поглощения позволяет сделать выводы о том, что исследования континуального поглощения наиболее часто проводились в макроокнах прозрачности атмосферы в тепловом инфракрасном диапазоне спектра. На основе этих измерений создана полуэмпирическая модель континуума Н20 - СКГ) (С1о1^Ь, Кпе1г1з, Бау!е5 [8]). Данные измерений коэффициентов континуального поглощения водяного пара в ближнем ИК-диапазоне спектра немногочисленны, а для- видимого диапазона спектра - отсутствуют. Получение экспериментальных данных о величине коэффициента континуального поглощения излучения водяным паром в указанных спектральных диапазонах представляет большой интерес, в первую очередь для проверки теоретических моделей континуума.

В конце главы делается вывод о необходимости применения метода оптико-акустической лазерной спектроскопии в настоящей работе, формулируются требования к разработке оптико-акустического спектрометра.

Во второй главе обсуждаются принципы оптико-акустического метода, рассматриваются физические основы генерации оптико-акустических сигналов при поглощении коротких световых импульсов. Процесс генерации и распространения в пространстве оптико-акустического сигнала описывается линеаризованным волновым уравнением для импульса давления

где г-расстояние от центра пучка до точки наблюдения; /-время; с — скорость звука в газе; у - адиабатическая постоянная; 1{г,!) - скорость тепловыделения в единице объема. Решением волнового уравнения является интеграл вида

где (V-плотность энергии, выделившейся в центре лазерного пучка; ХО~ функция, характеризующая процесс тепловыделения; г0 - радиус лазерного пучка. На основе численного решения выражения (2) моделируется форма оптико-акустических сигналов, генерируемых в результате поглощения излучения лазеров водяным паром и сажевым аэрозолем.

Обсуждаются достоинства оптико-акустического метода в исследованиях слабого поглощения в молекулярных газах и атмосферном воздухе, представлены методы повышения чувствительности импульсных оптико-акустических спектрометров и способы уменьшения влияния фоновых сигналов. Дается сравнение оптико-акустического метода с другими методами лазерной абсорбционной спектроскопии.

Рассматривается работа созданного автором высокочувствительного оптико-акустического спектрометра с импульсными твердотельными лазерами. Спектрометр включает в себя моноимпульсные лазеры на рубине (0,694 мкм) и иттриево-алюминиевом гранате (0,532 и 1,064 мкм), оптико-акустический детектор с блоками усиления и регистрации сигнала, приборы для измерения энергетических, пространственно-временных и спектральных параметров лазерных импульсов.

Особое внимание уделяется описанию разработанного оптико-акустического детектора с временным разрешением сигналов. Корпус цилиндрической поглощающей ячейки с объемом около 10 дм3 выполнен из нержавеющей стали. Использование внутри оптико-акустической ячейки

Р(г, /):

(1)

0 о

концентратора импульса давления, состоящего из двух параболических рефлекторов, позволило увеличить чувствительность спектрометра более чем на порядок (рис. 1).

Размеры ячейки и геометрия концентратора выбраны так, чтобы обеспечить разделение полезного сигнала (поглощение в газе) и фоновых сигналов (поглощение окнами и стенками ячейки) по времени их воздействия на микрофон. Благодаря временному разрешению сигналов, детектор позволяет регистрировать поглощение в исследуемых газах на нулевом фоне.

Данные о характеристиках разработанного спектрометра представлены в табл.1.

Для случая немонохроматического излучения с центральной частотой ул при записи спектров поглощения с помощью оптико-акустического спектрометра измеряется спектральное распределение величины эффективного коэффициента поглощения к^, связанное с амплитудой оптико-акустического сигнала и, энергией лазерного импульса Е и спектральным распределением истинного коэффициента поглощения к(у), следующим соотношением:

к* = иЕГ1а[ = JЦу)/(уя-V) сЬ>, (3)

Ду

где а - чувствительность оптико-акустического спектрометра (калибровочная постоянная);/-функция, характеризующая спектр лазерного излучения. Для проведения количественных измерений коэффициентов погло-

щения необходима калибровка оптико-акустического спектрометра, т.е. определение величины а. В работе калибровка спектрометра осуществляется по известному поглощению излучения лазера на рубине в максимумах линий поглощения водяного пара. Для этого производятся измерения величины иКх и расчеты к(у) для максимума линии поглощения при нескольких значениях парциального давления Н20. С использованием базы данных Н1ТИА1М-2004 чувствительность а может быть определена с погрешностью, не превышающей 11 %.

Таблица 1

Технические характеристики импульсного оптико-акустического спектрометра

Наименование характеристики Активный элемент лазера

рубин

гранат

Волновое число V, см"' 14395-14402 9394,6 18789,2

Длина волны излучения X, мкм 0,69415-0,69450 1,064 0,532

Энергия в импульсе Е, мДж 50+10 55±10 30±5

Длительность импульса т„, не 50±5 5 4

Ширина спектра излучения 8у, см"' 0,040±0,005 0,05±0,01 0,05±0,01

Чувствительность при атмосферном 3,7±0,9* 3,7±0,9* 3,7+0,9*

давлении а, 107 В • см • Дж"' 6,8+0,4**

Пороговая чувствительность по коэффициенту 2,7* 1,5** 2,5* 4,5*

поглощения при атмосферном

давлении киш = 11ш а"1 £"', 10"' см"1

Давление газа в ячейке Р, мбар 0,01-1030

Цш = 5 мВ - уровень шума оптико-акустического детектора.

* - с параболическим концентратором и однократным проходом лазерного излучения через объем ячейки.

** - с параболическим концентратором и трехкратным проходом лазерного излучения через объем ячейки.

На основе результатов численного моделирования и измерений характеристик оптико-акустических сигналов в зависимости от пространственных и энергетических параметров лазерного пучка, времени релаксации возбужденных частиц определяются ограничения, накладываемые на размер лазерного пучка при проведении калибровки спектрометра и последующих измерений коэффициентов аэрозольного поглощения. Показано, что калибровку импульсного оптико-акустического спектрометра и измерения коэффициентов аэрозольного поглощения в атмосферном воздухе оптимально проводить при радиусе лазерного пучка г0« 1,5-2 мм. В этом случае чувствительность оптико-акустического спектрометра остается достаточно высокой и сохраняется при переходе от калибровки спектрометра по известному молекулярному поглощению к измерениям коэффициентов неизвестного аэрозольного поглощения. На основе экспериментальных

результатов показано, что зависимость амплитуды оптико-акустического сигнала при поглощении излучения лазерных импульсов с энергией < 50 мДж атмосферными аэрозолями от энергии импульсов излучения является линейной.

Представлены методики расчетов молекулярного поглощения, необходимых для калибровки спектрометра, а также методики измерений коэффициентов аэрозольного поглощения и континуального поглощения водяного пара.

В заключительной части главы кратко рассматриваются устройство и принцип работы измерителя массовой концентрации сажевых частиц в воздухе - аэталометра. Обсуждаются источники основных погрешностей измерений коэффициентов аэрозольного поглощения и коэффициента поглощения водяного пара.

Третья глава содержит результаты измерений характеристик аэрозольного поглощения в приземном атмосферном воздухе.

В первом разделе главы представлены результаты предварительных синхронных измерений коэффициента аэрозольного поглощения к в воздухе с помощью оптико-акустического спектрометра с импульсным лазером на рубине и массовой концентрации сажевых частиц Мх с помощью аэталометра. Образец зарегистрированного в этом эксперименте поведения коэффициента аэрозольного поглощения на длине волны X = 0,69430 мкм и массовой концентрации сажевых частиц в зависимости от времени взятия проб атмосферного воздуха представлен на рис. 2. Результаты предварительных измерений показали хорошие возможности созданной аппаратуры для проведения дальнейших исследований. Была отработана методика забора проб воздуха, определены методологические вопросы для дальнейшей проработки.

8-10

6 • ю-8 -

§ 4 • 10"*

2•10" -

X = 0,694300 мкм уЧ I ^ спектрометр /I XV -А-£

- аэталометр

2,5

18 19

ч

Рис. 2 Результаты предварительных синхронных измерений ЬМ

Во втором разделе представлены результаты синхронных измерений коэффициентов аэрозольного поглощения к на трех динах волн (0,532; 0,694 и 1,064 мкм) и массовой концентрации сажевых частиц в воздухе А/у. Из наклонов линейных зависимостей к от Мц определены значения эффек-тивностей аэрозольного поглощения о(Х) = к(к)М^г>. Результаты, полученные в разное время, собраны в табл. 2.

Таблица 2

Эффективность аэрозольного поглощения в приземном воздухе

Длина волны X, мкм Эффективность аэрозольного поглощения ст, м2 • г"1

11.02.2002 | 24 04.2002

0,532 7,09 ± 4,69 5,49 ± 3,57

0,694 5,05 ± 3,39 4,46 + 2,61

1,064 2,98 ±2,03 2,87+1,84

На основе полученных экспериментальных данных определена спектральная зависимость эффективности аэрозольного поглощения коротковолнового излучения в атмосферном воздухе. Показатель степени Ь в формуле Ангстрема (а = А\~Л, где Л - коэффициент), с использованием которой аппроксимируются экспериментальные данные, близок к единице (см. рис. 3), что согласуется с теоретическим спектральным ходом эффективности аэрозольного поглощения о ~ ХГ1 для мелкодисперсных частиц, а также с экспериментальными зависимостями, полученными с помощью фильтровых методов измерений.

Я., мкм

Рис 3 Спектральная зависимость эффективности аэрозольного поглощения коротковолнового излучения в приземном воздухе

На рис. 3 для эффективностей аэрозольного поглощения приведены только погрешности относительных измерений. Систематические погрешности, связанные с калибровкой оптико-акустического спектрометра

и аэталометра, при определении спектральной зависимости являются несущественными.

Полученные в настоящей работе значения эффективности аэрозольного поглощения а излучения с длиной волны 0,532 мкм в приземном атмосферном воздухе составили для различных дней измерений 7,09 и 5,49 м2 г-1, что, соответственно, в 1,4 и 1,8 раза меньше общепринятого значения этого параметра на длине волны 0,550мкм ст= Юм2 - г-1, используемого в радиационных моделях атмосферы (см. табл. 2).

Из сравнения полученных спектральных зависимостей эффективно-стей аэрозольного поглощения с результатами расчетов спектров молекулярного поглощения в атмосфере установлено, что в макроокнах прозрачности в области 0,5-1,1 мкм аэрозольное поглощение в приземном воздухе по величине коэффициента поглощения более чем на порядок превышает молекулярное поглощение (рис. 4).

0,7 0,8 0,9 X., мкм

Рис 4 Поглощение коротковолнового излучения в приземной атмосфере

В третьем разделе представлены результаты исследований влияния относительной влажности воздуха на амплитуду сигнала, генерируемого в оптико-акустической ячейке из-за поглощения импульсов излучения атмосферным аэрозолем. Установлено, что увеличение относительной влажности атмосферного воздуха от 50 до 90% приводит к уменьшению амплитуды оптико-акустического сигнала на 15-20%.

Четвертая пава посвящена экспериментальным исследованиям континуального поглощения водяного пара в области генерации рубинового лазера.

Первоначально попытка зарегистрировать континуальное поглощение водяного пара в указанной спектральной области была выполнена с опти-

ко-акустической ячейкой без концентратора. Однако из-за недостаточной чувствительности спектрометра и большой неопределенности исходной спектроскопической информации о параметрах линий поглощения водяного пара в литературе и базе данных Н1Т11АМ-96, необходимой для проведения калибровки оптико-акустического спектрометра, цель не была достигнута. Тем не менее в этих экспериментах впервые удалось получить четкие сигналы от поглощения излучения водяным паром в смесях с азотом или воздухом в микроокне прозрачности около у=14398,90см"1 (\=0,69430 мкм). Экспериментально полученная зависимость коэффициента поглощения от парциального давления водяного пара в азоте в пределах погрешностей измерения совпала с расчетной зависимостью. Для атмосферного воздуха значения коэффициента поглощения, измеренные в зависимости от влажности воздуха, намного превысили результаты расчета. Превышение выходит за рамки погрешностей эксперимента и связано с аэрозольным поглощением в воздухе.

С целью обнаружения новых, слабых линий поглощения Н20 и определения оптимального спектрального участка для измерений коэффициента континуального поглощения в области 14395- 14401 см"1 записан спектр поглощения водяного пара при самоуширении (Рн2о = 16 мбар). Экспериментально зарегистрировано несколько слабых линий поглощения Н20, отсутствующих в базе данных ШТЯЛЫ-2001 и позднее представленных в Н1Т11А]^-2004.

Выполнены измерения спектров поглощения для смесей водяного пара с азотом (рис. 5) при общем атмосферном давлении смеси. Экспериментальные спектры сравниваются со спектрами, рассчитанными с использованием базы данных спектральных линий Н1Т11АМ-2004 и двух версий С КО модели континуума водяного пара - СКО_2.4 и МТСКБ.

X, мкм

0,69440 0,69435 0,69430 0,69425 0,69420

10"' I—1-.-р-.-1-.-1---1—

Калибровка спектрометра ¥* о Эксперимент \ а

I |-Расчет (ШТЯАЫ-2004 + СКЭ2 4^,

I Расчет (Н1ТЯАМ-2004 б/к) В\й \

Я Измерение § \

Я \ континуального §

Я Чь поглощения в

\-1-,-1-,-х-,-1-,-1—

14397 14398 14399 14400 14401

V, см 1

Рис 5 Спектр поглощения водяного пара в области генерации лазера на рубине Смесь водяного пара с азотом' Л 1,0 = 15 мбар, Робт ~ 1002 мбар, Т = 294 К

Установлено, что регистрируемое в эксперименте поглощение водяного пара в микроокне прозрачности меньше всего отличается от поглощения, рассчитанного по модели континуума МТСКХ). Уточненные количественные данные о коэффициенте континуального поглощения были получены из измерений и расчетов зависимостей коэффициентов поглощения смесей Н20 с азотом от парциального давления водяного пара для фиксированных значений волнового числа: в максимуме линии поглощения с V = 14400,329 см-1 (калибровка спектрометра) и в микроокне прозрачности (V = 14398,90 см"1).

Величина коэффициента континуального поглощения водяного пара была определена по разнице в наклонах между линейной регрессией экспериментальных данных для нерезонансного поглощения и расчетной зависимостью коэффициентов селективного поглощения от парциального давления водяного пара (рис.6) и составила ккот = (0,53 ± 0,18)10~9 см-1 при общем давлении смеси водяного пара с азотом />общ = 1000 мбар, парциальном давлении водяного пара РНг0 = 1 мбар и температуре Т= 295 К. Данному значению коэффициента континуального поглощения соответствует сечение континуального поглощения Н20 стконт = (2,2 ± 0,7)-10 26 см2-мол~'-атмЛ

6 Ю-8

3 4 10"» 2 КГ*

0

Рис 6. Коэффициент поглощения излучения рубинового лазера смесью Н20 с азотом в микроокне прозрачности (у = 14398,9 см"1) в зависимости от парциального давления-Н20

Л*™ = 1000 мбар, Г =295 К

В заключении формулируются основные результаты работы. 1. Для исследования слабого неселективного поглощения излучения в газах и атмосферном воздухе развит метод импульсной оптико-акустической спектроскопии с временным разрешением сигналов. Разработан и создан оптико-акустический спектрометр с импульсными лазерами, который позволяет проводить измерения коэффициентов слабого аэрозоль-

ного поглощения в атмосферном воздухе и молекулярного поглощения, в том числе континуального поглощения водяного пара, на нулевом фоне. Использование оптико-акустической ячейки больших размеров, параболического акустического концентратора и других способов, обеспечивающих увеличение чувствительности оптико-акустического спектрометра и минимизацию влияния фоновых сигналов, позволило достигнуть величины минимально измеряемого коэффициента поглощения £„„„= 1,5 • 10"9 см"1 при энергии лазерного импульса Е = 50 мДж и атмосферном давлении газа в ячейке.

2. Выполнены модельные расчеты, и проведены эксперименты по выбору параметров лазерного пучка, на основе которых разработана методика калибровки оптико-акустического спектрометра для измерений аэрозольного поглощения. Результаты калибровки (значение чувствительности) оптико-акустического спектрометра с временным разрешением сигналов по известному молекулярному поглощению импульсного излучения лазера на рубине водяным паром можно использовать в исследованиях аэрозольного поглощения в атмосферном воздухе при радиусе лазерного пучка г0> 1,5 мм.

3. В результате синхронных измерений коэффициента аэрозольного поглощения к на длинах волн 0,532; 0,694 и 1,064 мкм (оптико-акустический спектрометр) и массовой концентрации сажевых частиц в воздухе Ms (аэталометр) определена спектральная зависимость эффективности аэрозольного поглощения коротковолнового оптического излучения в приземной атмосфере а(Х) = к(Х)М~\ Показатель степени b в формуле Ангстрема (ст = AX~h, где А - коэффициент), с использованием которой аппрок-смируются полученные экспериментальные данные, близок к единице, что согласуется с теоретическим спектральным ходом эффективности аэрозольного поглощения о ~ ХГ1 для мелкодисперсных частиц (рэлеевское поглощение), а также с экспериментальными зависимостями, полученными с помощью фильтровых методов измерений.

4. Установлено, что в макроокнах прозрачности в коротковолновой области спектра 0,5-1,1 мкм аэрозольное поглощение в приземной атмосфере более чем на порядок превышает молекулярное поглощение.

5. Полученные в настоящей работе значения эффективности аэрозольного поглощения а излучения с длиной волны 0,532 мкм в приземном воздухе составляют для различных дней измерений 7,09 и 5,49 м2 • г~', что, соответственно, в 1,4 и 1,8 раза меньше общепринятого значения этого параметра на длине волны 0,550 мкм ст= 10 м2-г"', используемого в радиационных моделях атмосферы.

6. Исследовано влияние относительной влажности воздуха на амплитуду оптико-акустического сигнала, генерируемого в ячейке спектрометра

в результате поглощения излучения атмосферным аэрозолем. Установлено, что увеличение относительной влажности атмосферного воздуха от 50 до 90% приводит к уменьшению амплитуды оптико-акустического сигнала на 15-20%.

7. В области перестройки лазера на рубине экспериментально зарегистрировано несколько слабых линий поглощения Н20, отсутствующих в базе данных HITRAN-2001 и позднее представленных в HITRAN-2004.

8. Впервые в видимой области спектра (0,694 мкм) экспериментально зарегистрировано континуальное поглощение водяного пара и определены его характеристики. Сечение континуального поглощения Н20 в смеси с азотом в области около 14400 см"1 при температуре Г= 295 К составляет 0конт=(2,2±О,7)' 10"26 см2-мол~1-атм~1, что лучше всего соответствует расчету с использованием полуэмпирической модели континуума Н20 - MT CKD.

Основные публикации по теме диссертации

1. Тихомиров Б.А , Тихомиров А Б, Фирсов К.М Нерезонансное поглощение импульсного излучения лазера на рубине атмосферным воздухом и смесью Н20 с азотом // Оптика атмосферы и океана 2001 Т. 14. №9 С 740-747 2 Козлов В С, Панченко М В, Тихомиров А Б, Тихомиров Б А Измерение аэрозольного поглощения излучения с длиной волны 694,300 нм в приземном слое воздуха // Оптика атмосферы и океана 2002. Т. 15 № 9. С. 756-761. 3. Козлов В С, Тихомиров Л Б, Панченко М В, Тихомиров Б А Аппаратура и методика оценки альбедо однократного рассеяния для локальных объемов воздуха // Международный симпозиум стран СНГ «Атмосферная радиация» (МСАР-02) СПб Россия 18-21 июня 2002 С. 63

4 Kozlov V.S., Panchenko М V, Tikhomirov А.В, Tikhomirov В A. Investigations of the absorption properties of near-ground aerosol by the methods of optical-acoustic spectrometry and diffuse extinction // Proceedings of 12th Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Science Team Meeting, St Petersburg, FL D Carrothers, Ed , U S Department of Energy, Richland, WA 2002 httpV/www arm gov/publications/proceedings/eonfl2/extended_abs/ko7lov-vs pdf 5. Kozlov VS, Panchenko M.V, Tikhomirov А В., Tikhomirov B.A. Investigations of absorbing characteristics of submicron atmospheric aerosol // Abstracts of the 6th International Aerosol Conference, Chui-Sen Wang, Ed, International Aerosol Research Assembly, Taipei, Taiwan 2002. V. 1 P 319-320

6 Panchenko M V., Ponomarev Yu N, Tikhomirov А В, Tikhomirov В A Time-resolved photo-acoustic spectrometer for the study of weak molecular and aerosol absorption // XIV Symposium on High Resolution Molecular Spectroscopy HighRus-2003, Krasnoyarsk' Abstracts of Reports -Tomsk Institute of Atmospheric Optics SB RAS 2003. P 54

7. Tikhomirov А В, FirsovKM, KozlovVS, Panchenko M V, Ponomarev YN, Tikhomirov В A Investigation of spectral dependence of shortwave radiation absorption by ambient aerosol using time-resolved photoacoustic technique//Optical Engineering. 2005. V. 44 №7. P. 071203 1-11

8. Ptashmk I.V., Tikhomirov А В, Tikhomirov B.A. Measurements of water vapor continuum absorption in the spectral region 14400 cm"1 // Proceedings of XII Joint International Symposium «Atmospheric and Ocean Optics Atmospheric Physics» Tomsk' Institute of Atmospheric Optics SB RAS 2005 P. 53-54.

9. Козлов B.C, Панченко M.B, Тихомиров А.Б, ТихомировБА Влияние относительной влажности воздуха на эффективность аэрозольного поглощения на длинах волн 0,532 и

1,064 мкм // Аэрозоли Сибири XII Рабочая группа Тез докл Томск Изд-во Института оптики атмосферы. 200S. С. 8.

10. Тихомиров А Б. Исследования молекулярного и аэрозольного поглощения коротковолнового оптического излучения в атмосферном воздухе методом импульсной оптико-акустической спектроскопии // Сборник тезисов 11 Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых' Тез докл. Екатеринбург' Изд-во АСФ России. 2005. С. 331-332.

11 ТихомировАБ, Тихомиров Б. А, Пташник И.В Влияние аппаратной функции оптико-акустического спектрометра на погрешности определения коэффициента континуального поглощения Н20 в области 14400 см"' // Оптика атмосферы и океана. 2006 Т. 19. №4. С.291-293.

Список цитируемой литературы

1. Зуев В Е„ Титов Г А Современные проблемы атмосферной оптики. Т. 9. Оптика атмосферы и климат Л.: Гидрометеоиздат. 1996. 272 с.

2. РозенбергГ.В. О природе аэрозольного поглощения в коротковолновой области спектра// Физика атмосферы и океана. 1979. Т 15. № 12 С. 1280-1292.

3. Jacobson M.Z. Strong radiative heating due to the mixing slate of black carbon in atmospheric aerosols//Nature. 2001. V 409 P. 695-697

4 Hansen J, Sato M, RuedyR., LacisA., and Omas V Global warming in the 21-st century' an alternative scenario // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2000. V 97. P. 9875-9880.

5. НесмеловаЛИ, Родимова О Б., ТвороговСД Поглощение водяным паром в близкой инфракрасной области и некоторые геофизические следствия // Оптика атмосферы и океана. 1997. Т. 10. №2. С. 131-135.

6 Adams К М Real-time in situ measurements of atmospheric optical absorption in the visible via photoacoustic spectroscopy 1 Evaluation of photoacoustic cells // Applied Optics 1988. V 27. № 19. P. 4052-4056.

7 Moosmuller H, ArnottWP, RodgersCF., ChowJC, FrazierCA, Sherman LE, Dietrich D L Photoacoustic and filter measurements related to aerosol light absorption during the Northern Front Range Air Quality Study (Colorado 1996/1997) // Journal of Geophysical Research 1998 V. 103. P. 28149-28157.

8 Chugh S, Kneizts F, Davies R Line shape and water vapor continuum // Atmospheric Research 1989. V. 23. P. 229-241.

Г-731 3

¿ообА-

Печ. л. 1. Уч -изд. л 1,2. Тираж 120 экз. Заказ №61.

Тираж отпечатан в типографии ИОА СО РАН

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. НЕСЕЛЕКТИВНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ КОРОТКОВОЛНОВОГО ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В АТМОСФЕРЕ.

1.1. Характеристики аэрозольного ослабления оптического излучения в атмосфере.

1.2. Исследования поглощения излучения атмосферным аэрозолем.

1.2.1. Данные измерений на протяженных атмосферных трассах.

1.2.2. Данные фильтровых измерений.

1.2.3. Данные оптико-акустических измерений.

1.3. Континуальное поглощение излучения водяным паром.

1.3.1. Модели континуального поглощения.

1.3.2. Данные исследований континуального поглощения водяного пара.

Выводы.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ТЕХНИКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.

2.1. Абсорбционные методы лазерной спектроскопии.

2.2. Генерация оптико-акустического сигнала при импульсном возбуждении.

2.2.1. Форма импульсного оптико-акустического сигнала (решение волнового уравнения).

2.2.2. Генерация импульсного оптико-акустического сигнала в различных ячейках.

2.2.3. Способы повышения чувствительности импульсных оптико-акустических спектрометров.

2.3. Оптико-акустический спектрометр с импульсными твердотельными лазерами.

2.3.1. Импульсные твердотельные лазеры на рубине и иттриево-алюминиевом гранате.

2.3.2. Оптико-акустические ячейки с временным разрешением сигналов.

2.3.3. Измерение параметров лазерного излучения.

2.3.4. Технические характеристики импульсного оптико-акустического спектрометра.

2.4. Методики эксперимента и расчета.

2.4.1. Методика калибровки импульсного оптико-акустического спектрометра.

2.4.2. Приготовление газовых смесей и забор проб атмосферного воздуха.

2.4.3. Методика расчета коэффициентов поглощения водяного пара.

2.4.4. Методика измерений.

2.4.5. Оптимизация размера лазерных пучков в измерениях коэффициентов аэрозольного поглощения.

2.5. Аэталометр.

2.6. Анализ погрешностей измерений аэрозольного поглощения и континуального поглощения водяного пара.

Выводы.

ГЛАВА 3. АЭРОЗОЛЬНОЕ ПОГЛОЩЕНИЕ В

КОРОТКОВОЛНОВОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА.

3.1. Предварительные измерения характеристик аэрозольного поглощения в области генерации лазера на рубине.

3.2. Синхронные измерения коэффициентов аэрозольного поглощения на трех длинах волн (0,532, 0,694 и 1,064 мкм) и массовой концентрации сажевых частиц в воздухе.

3.3. Исследование зависимости эффективности аэрозольного поглощения от относительной влажности атмосферного воздуха.

Выводы.

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ КОНТИНУАЛЬНОГО ПОГЛОЩЕНИЯ ВОДЯНОГО ПАРА В ОБЛАСТИ 14400 СМ"1.

4.1. Измерения нерезонансного поглощения водяного пара в области генерации лазера на рубине.

4.2. Результаты измерений спектра поглощения водяного пара при самоуширении.

4.3. Измерения континуального поглощения водяного пара в области генерации лазера на рубине.

Выводы.

Актуальность и состояние вопроса

Важность экспериментальных исследований поглощения оптического излучения в атмосфере Земли обусловлена как необходимостью понимания природы самого поглощения, так и задачами, связанными с переносом излучения в атмосфере. Исследования спектров резонансного и нерезонансного (в окнах прозрачности) поглощения атмосферных газов дают исходную информацию для развития теоретических моделей и методов молекулярной спектроскопии. Кроме того, широкий круг ф метеорологических и геофизических задач требует все более точных экспериментальных данных о характеристиках молекулярного и аэрозольного поглощения оптического излучения в атмосферном воздухе. К числу таких проблем относится задача по выявлению природы "аномального" поглощения коротковолнового излучения (0,4-4 мкм) [1, 2], которое проявляется в том, что поглощение излучения, полученное из натурных измерений полных потоков над и под облаками, часто превышает величину, рассчитанную с помощью радиационных моделей, учитывающих вклад всех атмосферных газов. В работе [3] отмечается, что ^ решение этой задачи очень важно для количественной оценки основных факторов, влияющих на альбедо Земли и определяющих ее радиационный баланс, как при наличии облаков, так и в безоблачной атмосфере.

Среди различных причин, существования "аномального" поглощения коротковолнового оптического излучения в атмосфере, рассматривалось слабоселективное (зависимость от длины волны плавная) континуальное поглощение излучения водяным паром [4-6]. Континуальное поглощение излучения водяным паром экспериментально зарегистрировано в макроокнах прозрачности атмосферы в тепловом инфракрасном (ИК) # диапазоне спектра [6-10]. Известным примером здесь является 5 поглощение в окне прозрачности в области длин волн А, = 8-14мкм (v = 700-1250 см-1, v-волновое число) [9], характеризуемое сечением континуального поглощения стк0„т~ Ю-24 см2-мол1*атм-1, что при содержании водяного пара в воздухе ~10г-м3 соответствует величине коэффициента континуального поглощения &K01IX ~ 10"6 см-1. Расчеты с использованием существующих моделей континуального поглощения (CKD0 [11], CKD2.4 [12], MTCKD [13]) дают значения для стконт и ккот в онах прозрачности в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра на несколько порядков меньше. Поэтому надежные экспериментальные данные о коэффициентах континуального поглощения в этих диапазонах немногочисленны, а для видимого диапазона данные измерений коэффициентов континуального поглощения Н20 в литературе отсутствуют.

На сегодняшний день установлено [4, 14], что вклад континуального поглощения НгО в атмосферный радиационный баланс в видимом и ближнем ИК диапазонах спектра является недостаточным, чтобы объяснить "аномальное" поглощение солнечного излучения в атмосфере [15]. Поэтому получение экспериментальных данных о величине коэффициента континуального поглощения излучения водяным паром в указанных спектральных диапазонах представляет большой интерес, в первую очередь для проверки теоретических моделей континуума.

В качестве другой причины "аномального" поглощения коротковолнового оптического излучения в атмосфере рассматривают аэрозольное поглощение [16-20]. К настоящему времени известно, что основной поглощающей компонентой в составе атмосферного аэрозоля в коротковолновой области спектра является содержащая сажу ("soot") тонкодисперсная фракция аэрозоля. Эта фракция также имеет слабоселективный спектр поглощения в широкой области, вплоть до среднего ИК диапазона.

Необходимость учета влияния поглощающей тонкодисперсной фракции аэрозоля в радиационных моделях земной атмосферы и в формировании климата на планете подчеркивалась в работах [16, 17]. Автором работы [16] делается вывод о том, что "малоселективное коротковолновое поглощение аэрозоля в основном связано с существованием отдельной субмикронной субфракции, образованной частицами сажи (преимущественно захваченными непоглощающей компонентой) с модальным радиусом частиц около 0,02-0,03 мкм и, вероятно, логнормальным распределением по размерам. Концентрация этих частиц широко варьирует примерно от 0,1 до 50 кг-км~3 в зависимости от активности антропогенных и природных источников. Остальные фракции аэрозоля играют в его коротковолновом поглощении заведомо второстепенную роль. Иными словами, радиационное и климатологическое влияние аэрозоля ("поглощающего аэрозоля") целиком связано с его сажевой компонентой, что и должно лежать в основе модельных расчетов".

По недавно полученным данным [21] "soot" вносит в глобальное потепление больший вклад, чем метан. Согласно работе [22] контроль сажевых частиц в атмосфере с целью изучения их влияния на климат в настоящее время, возможно, даже более необходим, чем контроль за содержанием СОг- Поэтому неудивительно, что в последние годы возрос интерес к экспериментальным исследованиям поглощательных свойств аэрозоля в атмосфере (см., например, литературу к [20-23]).

Считается, что поглощение коротковолнового излучения сажевым аэрозолем в атмосферном воздухе характеризуется эффективностью <j = kMs~l~ 10 м2-г-1 [23-25], где к- коэффициент аэрозольного поглощения; Ms- массовая концентрация сажевых частиц, которая в приземном атмосферном воздухе обычно варьирует около средней 7 величины 1 мкг-м~3 [23,26]. Из этого следует, что для измерений аэрозольного поглощения в условиях реальной атмосферы требуются приборы с пороговой чувствительностью по коэффициенту поглощения не хуже 10~8 см-1.

Большинство данных о поглощательных свойствах атмосферного аэрозоля получено так называемым фильтровым методом измерений [20,27-38]. Для этого сажевые частицы накапливаются на фильтре в процессе их гравитационного осаждения или прокачки через фильтр атмосферного воздуха. Затем абсорбционные характеристики частиц измеряются с помощью спектральных приборов. Таким образом, сама возможность измерений величины коэффициента (эффективности) аэрозольного поглощения достигается за счет накопления аэрозольных частиц на фильтре в течение продолжительного времени [20]. Кроме того, многие исследователи полагают, что получаемые для адсорбированных на фильтрах частиц данные о поглощении не соответствуют условиям реальной атмосферы.

Для исследований слабого поглощения оптического излучения атмосферными газами и аэрозолем весьма перспективным считается метод лазерной оптико-акустической (OA) спектроскопии [39—41 ]. Обладая высокой чувствительностью, метод позволяет осуществлять измерения с малыми объемами газа в контролируемых лабораторных условиях. Использование различных лазеров в качестве источников излучения позволяет перекрыть спектральный диапазон от ультрафиолетового (УФ) до дальнего ИК. Кроме того, OA метод позволяет проводить измерения с аэрозольными частицами, находящимися в естественных условиях, т.е. взвешенными в воздухе. Однако OA измерения характеристик аэрозольного поглощения являются единичными, и при определении спектральной зависимости эффективности аэрозольного поглощения дают результаты, сильно отличающиеся от результатов фильтровых измерений. 8

Таким образом, исследования слабого аэрозольного и нерезонансного молекулярного поглощения в коротковолновой области спектра в контролируемых лабораторных условиях в настоящее время являются весьма актуальными. Результаты этих исследований представляют большой интерес для задач атмосферной оптики, климатологии и молекулярной спектроскопии.

Для проведения измерений характеристик слабого неселективного поглощения требуется разработка высокочувствительной спектральной аппаратуры (с пороговой чувствительностью по коэффициенту

8 —1 поглощения не хуже 10 см ), позволяющей проводить измерения в отсутствие влияния фоновых сигналов. Создание такой спектральной аппаратуры само по себе является актуальной и достаточно сложной задачей.

Цель работы: Исследование слабого аэрозольного поглощения в области 0,5-1,1 мкм в приземной атмосфере и континуального поглощения водяного пара в области 0,694 мкм в газах методом импульсной оптико-акустической спектроскопии.

Основные задачи:

1. Разработка и создание высокочувствительного оптико-акустического спектрометра с импульсными твердотельными лазерами, позволяющего измерять коэффициенты слабого аэрозольного поглощения и континуального поглощения водяного пара в коротковолновой области спектра. Отработка методик эксперимента.

2. Измерения эффективности аэрозольного поглощения на длинах волн излучения импульсных лазеров 0,532, 0,694 и 1,064 мкм в приземном атмосферном воздухе. Определение спектральной зависимости эффективности аэрозольного поглощения в области 0,5-1,1 мкм.

3. Измерения спектров поглощения водяного пара при самоуширении и уширении азотом в области генерации лазера на рубине. Расчеты спектров поглощения водяного пара с использованием базы данных HITRAN. Определение величины коэффициента континуального поглощения водяного пара в области 0,694 мкм.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использовались следующие методы измерений: фильтровый метод (метод диффузного ослабления) для измерений массовой концентрации сажевых частиц в атмосферном воздухе; метод импульсной OA спектроскопии с временным разрешением сигналов для измерений коэффициентов поглощения. Для расчетов форм импульсных OA сигналов в газах использовались стандартные методы интегрирования. Расчет коэффициентов молекулярного поглощения производился с использованием метода полинейного счета (line-by-line). При обработке результатов измерений применялись методы математической статистики.

Защищаемые положения:

1. Оптико-акустический спектрометр, созданный на основе ячейки с концентратором акустического сигнала давления, позволяет получать количественные данные о коэффициенте аэрозольного поглощения и о коэффициенте континуального поглощения водяного пара в коротковолновой области спектра. Спектрометр обеспечивает измерения коэффициентов поглощения в газах на нулевом фоне и характеризуется пороговой чувствительностью по коэффициенту поглощения кмин= 1,5-10"9 см"1.

2. Спектральный ход эффективности аэрозольного поглощения коротковолнового оптического излучения в приземной атмосфере

10 ст(^) = к(Х) Ms~\ определенный в результате синхронных измерений коэффициента аэрозольного поглощения к для излучения с длинами волн 0,532, 0,694 и 1,064 мкм (оптико-акустический спектрометр) и массовой концентрации сажевых частиц в воздухе Ms (аэталометр), аппроксимируется зависимостью близкой к теоретической для мелкодисперсных частиц. В макроокнах прозрачности приземной атмосферы в спектральной области 0,5-1,1 мкм поглощение атмосферным аэрозолем более чем на порядок превышает молекулярное поглощение.

3. Впервые зарегистрированное в видимой области спектра континуальное поглощение водяного пара в смеси с азотом характеризуется сечением поглощения стконт = (2,2 ± 0,7)-10-26 2 11 см -мол" -атм" (X = 0,69430 мкм) и лучше всего соответствует модели континуума водяного пара MTCKD.

Научная новизна

Для исследования слабого аэрозольного поглощения и континуального поглощения водяного пара в коротковолновой области развит метод импульсной OA спектроскопии. Создан высокочувствительный OA спектрометр с импульсными твердотельными лазерами, позволяющий измерять коэффициенты поглощения в газах на нулевом фоне. Разработана методика калибровки спектрометра для измерений характеристик аэрозольного поглощения.

Впервые для трех значений длины волны (0,532, 0,694 и 1,064 мкм) выполнены OA измерения коэффициента аэрозольного поглощения синхронно с аэталометрическими измерениями массовой концентрации сажевых частиц в приземном воздухе. Данные об эффективности аэрозольного поглощения коротковолнового оптического излучения в атмосфере, полученные в результате синхронных измерений, аппроксимируются спектральной зависимостью, близкой к теоретической

11 зависимости для мелкодисперсных частиц и хорошо согласуются с результатами независимых фильтровых измерений.

Впервые в видимой области спектра (0,694 мкм) измерен коэффициент континуального поглощения водяного пара.

Достоверность результатов и выводов работы обеспечивается воспроизводимостью полученных данных, их статистической обеспеченностью, а также согласием с результатами расчетов и независимых исследований.

Научная ценность и практическая значимость

Результаты, полученные в настоящей работе, развивают существующие представления о поглощении коротковолнового оптического излучения в приземной атмосфере. Данные о коэффициентах аэрозольного поглощения и континуального поглощения водяного пара, а также данные о спектральной зависимости эффективности аэрозольного поглощения могут быть использованы для создания и усовершенствования радиационных и климатологических моделей атмосферы, моделирования процессов переноса излучения в атмосфере, верификации теоретических представлений в атмосферной оптике и молекулярной спектроскопии.

Разработанный OA спектрометр может служить основой для создания высокочувствительных лазерных газоанализаторов с обнаружительной способностью < 1 ppb.

Работа выполнялась в рамках плана научно-исследовательских работ Института оптики атмосферы СО РАН в период с 2001 по 2005 год. Работа была поддержана грантами РФФИ №№ 00-05-65204, 02-05-06121, 03-0564787, 03-05-06038, 04-05-64569, Программой Отделения физических наук РАН "Фундаментальная оптическая спектроскопия", "Фондом содействия отечественной науке".

Публикации и апробация работы

По теме диссертационной работы опубликовано: статей в центральных отечественных и зарубежных научных журналах - 4 [42-45] (1 статья принята в печать [46]); трудов и тезисов докладов Всероссийских и Международных конференций - 20 [47-66].

Результаты работы докладывались на Международных конференциях: "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы" (Иркутск, 2001; Томск, 2002, 2004, 2005); "Атмосферная радиация" (С.-Петербург, 2002); "Atmospheric Radiation Measurement-2002" (США, 2002); Международной конференции по аэрозолям (Тайвань, 2002); Международной конференции по спектроскопии высокого разрешения "HighRus-2003" (Красноярск, 2003); Рабочих группах "Аэрозоли Сибири" (Томск, 2001, 2002, 2004, 2005); 11-й Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 2005).

Личный вклад автора

Автор работы принимал прямое участие в разработке экспериментальной техники, проведении экспериментов, обработке и интерпретации полученных данных. Большинство экспериментов и расчетов выполнено автором лично.

Структура и объем

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы; изложена на 153 страницах, включая 42 рисунка, 4 таблицы и списка литературы из 144 наименований.

Выводы

1. В области перестройки лазера на рубине экспериментально зарегистрировано несколько слабых линий поглощения Н20, отсутствующих в базе данных HITRAN-2001 и позднее представленных в HITRAN-2004. При этом экспериментальный и расчетные спектры несколько отличаются по положениям центров и интенсивностям слабых линий.

2. Впервые в видимой области спектра (0,694 мкм) экспериментально зарегистрировано континуальное поглощение водяного пара и определены его характеристики. Сечение континуального поглощения Н20 в смеси с азотом в области около 14400 см-1 при температуре Г=295 К составляет акоит = (2,2 ± 0,7)-10~26 см2-мол1-атм-1 и лучше всего соответствует расчету с использованием полуэмпирическои модели континуума Н20 - MTCKD.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Работа посвящена экспериментальному исследованию слабого ® аэрозольного поглощения и континуального поглощения водяного пара в коротковолновой области спектра. Для получения экспериментальных результатов в работе применяется метод OA лазерной спектроскопии с временным разрешением сигналов. Создан высокочувствительный OA спектрометр с импульсными лазерами на рубине и гранате.

В диссертационной работе получены следующие основные ^ результаты:

1. Для исследования слабого неселективного поглощения излучения в газах и атмосферном воздухе развит метод импульсной OA спектроскопии с временным разрешением сигналов. Разработан и создан OA спектрометр с импульсными лазерами, который позволяет проводить измерения коэффициентов слабого аэрозольного поглощения в атмосферном воздухе и молекулярного поглощения, в том числе континуального поглощения водяного пара, на нулевом фоне. Использование OA ячейки больших размеров, параболического акустического концентратора и других способов, обеспечивающих увеличение чувствительности OA спектрометра и минимизацию влияния фоновых сигналов, позволило достигнуть величины минимально измеряемого коэффициента поглощения кмш = 1,5-10-9 см-1 при энергии лазерного импульса Е = 50 мДж и атмосферном давлении газа в ячейке.

2. Выполнены модельные расчеты и проведены эксперименты по выбору параметров лазерного пучка, на основе которых разработана методика калибровки OA спектрометра для измерений аэрозольного поглощения. Результаты калибровки (значение чувствительности) OA спектрометра с временным разрешением сигналов по известному

131 молекулярному поглощению импульсного излучения лазера на рубине водяным паром можно использовать в исследованиях аэрозольного поглощения в атмосферном воздухе при радиусе лазерного пучка г0 > 1,5 мм.

3. В результате синхронных измерений коэффициента аэрозольного поглощения к на длинах волн 0,532, 0,694 и 1,064 мкм (OA спектрометр) и массовой концентрации сажевых частиц в воздухе Ms (аэталометр) определена спектральная зависимость эффективности аэрозольного поглощения коротковолнового оптического излучения в приземной атмосфере о(Х) = к(Х) Ms~l. Показатель степени b в формуле Ангстрема (g = A Х~ь, где А - коэффициент), с использованием которой аппроксмируются полученные экспериментальные данные, близок к единице, что согласуется с теоретическим спектральным ходом эффективности аэрозольного поглощения а ~ Х-1 для мелкодисперсных частиц (рэлеевское поглощение), а также с экспериментальными зависимостями, полученными с помощью фильтровых методов измерений.

4. Установлено, что в макроокнах прозрачности в коротковолновой области спектра 0,5-1,1 мкм аэрозольное поглощение в приземной атмосфере более чем на порядок превышает молекулярное поглощение.

5. Полученные в настоящей работе значения эффективности аэрозольного поглощения с излучения с длиной волны 0,532 мкм в приземном воздухе составляют для различных дней измерений 7,09 и

О 1

5,49 м -г , что, соответственно, в 1,4 и 1,8 раза меньше общепринятого

2 —1 значения этого параметра на длине волны 0,550 мкм а = 10 м-г , используемого в радиационных моделях атмосферы.

6. Исследовано влияние относительной влажности воздуха на амплитуду OA сигнала, генерируемого в ячейке спектрометра в результате поглощения излучения атмосферным аэрозолем. Установлено, что увеличение относительной влажности атмосферного воздуха от 50 до 90% приводит к уменьшению амплитуды OA сигнала на 15-20%.

7. В области перестройки лазера на рубине экспериментально зарегистрировано несколько слабых линий поглощения Н20, отсутствующих в базе данных HITRAN-2001 и позднее представленных в HITRAN-2004.

8. Впервые в видимой области спектра (0,694 мкм) экспериментально зарегистрировано континуальное поглощение водяного пара и определены его характеристики. Сечение континуального поглощения Н20 в смеси с азотом в области около 14400 см-1 при температуре Т= 295 К составляет аКОнт = (2,2 ± 0,7)-10~26 см2-мол~1-атм~1 и лучше всего соответствует расчету с использованием полуэмпирической модели континуума Н20 - MTCKD.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

OA - оптико-акустический

СФ - спектрофотометрический

BP — внутрирезонаторный

ИК - инфракрасный

УФ - ультрафиолетовый

ИАГ — иттриево-алюминиевый гранат

ВС - black carbon

ЕС - elemental carbon

Ms - массовая концентрация сажевых частиц у - адиабатическая постоянная

S, Si - интенсивность спектральной линии у,-- коэффициент уширения спектральной линии

Р - давление

Т- температура

Тут- время колебательно-поступательной релаксации молекул т5 - время тепловой релаксации аэрозольной частицы т - длительность процесса тепловыделения X - длина волны излучения v - волновое число ти - длительность лазерного импульса го - радиус лазерного пучка к, Ыу), к(Х), кп - коэффициент поглощения a, g(v), о(А-) - сечение поглощения Е - энергия лазерного импульса U- амплитуда OA сигала UЕ~] - сигнал OA спектрометра а - чувствительность OA спектрометра 8 - чувствительность микрофона с — скорость звука t - время

Ар - амплитуда импульса давления То,5 - длительность импульса сжатия RH- относительная влажность воздуха

1. Кондратьев К.Я. Радиационные факторы современных изменений глобального климата. - Л.: Гидрометеоиздат. 1983. - 224 с.

2. Stephens G.L., Tsay S-C. On the cloud absorption anomaly // The Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 1990. V.116. №493. P.671-704.

3. Пхалагов Ю.А., УжеговВ.Н., Щелканов H.H. К вопросу о непрерывном ослаблении оптического излучения в коротковолновой области спектра // Оптика атмосферы и океана. 1998. Т.П. №4. С.315-319.

4. Несмелова Л.И., Родимова О.Б., Творогов С.Д. Поглощение водяным паром в близкой инфракрасной области и некоторые геофизические следствия // Оптика атмосферы и океана. 1997. Т. 10. №2. С. 131-135.

5. Несмелова Л.И., Пхалагов Ю.А., Родимова О.Б., Творогов С.Д., Ужегов В.Н., Щелканов Н.Н. К вопросу о природе атмосферного аномального поглощения коротковолновой радиации // Оптика атмосферы и океана. 1999. Т. 12. №3. С.288-293.

6. Арефьев В.Н., Дианов-Клоков В.И., Иванов В.М., Сизов Н.И. Континуальное поглощение излучения 8-13 мкм водяным паром. М. 1979.-434 с.

7. Фомин В.В. Молекулярное поглощение в инфракрасных окнах прозрачности. Новосибирск: Наука. 1986. - 234 с.

8. Burch D.E., Gryvnak D.A. Continuum absorption by H20 vapor in infrared and millimeter regions // Atmospheric water vapor. N.Y.: Academic Press Inc. 1980. P.47-76.

9. Burch D.E., Alt R.L., Continuum absorption by H20 in the 700-1200 cm-1 and 2400-2800 cm-1 windows // Report AFGL-TR-84-0128. Hanscom Air Force Base, Massachusetts: U.S. Air Force Geophysics Laboratory. 1984.

10. Burch D.E. Absorption by H20 in narrow windows between 3000 and 4200 cm-1 // Report AFGL-TR-85-0036. Hanscom Air Force Base, Massachusetts: U.S. Air Force Geophysics Laboratory. 1985.

11. Clough S., Kneizis F., Davies R. Line shape and water vapor continuum // Atmospheric Research. 1989. V.23. P.229-241.

12. MlawerE.J., Clough S.A., Brown P.D., and Tobin D.C. Collision-induced effects and water vapor continuum // Proceedings of the 9th Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Science Team Meeting. 1999. P.503-511.

13. Mlawer E.J., Tobin D.C., Clough S.A. A Revised Perspective on the Water Vapor Continuum: The MTCKD Model. // 2004. in preparation.

14. ArkingA. Absorption of solar energy in the atmosphere: discrepancy between model and observations // Science. 1996. V.273. №5276. P.779-782.

15. Розенберг Г.В. О природе аэрозольного поглощения в коротковолновой области спектра // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1979. Т. 15. №12. С. 1280-1292.

16. Розенберг Г.В. Тонкодисперсный аэрозоль и климат // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1982. Т. 18. №11. С.1192-1198.

17. Любовцева Ю.С., Яскович Л.Г. Аэрозольное поглощение в области спектра 0,25-0,8 мкм // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1982. Т. 18. №9. С.922-932.

18. Любовцева Ю.С., Юдин Н.И., Яскович Л.Г. Состав и оптические свойства субмикронной фракции атмосферного аэрозоля // Оптика атмосферы и аэрозоль. М.: Наука, 1986. - С.65-81.

19. Jacobson M.Z. Strong radiative heating due to the mixing slate of black carbon in atmospheric aerosols //Nature. 2001. V.409. P.695-697.

20. Hansen J., Sato M., Ruedy R., Lacis A., and Oinas V. Global warming in the 21-st century: an alternative scenario // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 2000. V.97. P.9875-9880.

21. Arnott W.P., Moosmuller H., Walker I.W. Nitrogen dioxide and kerosene-flame soot absorption of photoacoustic instrument of light absorption by aerosol // Review of scientific instruments. 2000. V.71. №12. P.4545-4552.

22. DillnerA.M., Stein C., Larson S.M., Hitzenberger R. Measuring of mass extinction efficiency of elemental carbon in rural aerosol // Aerosol Science and Technology. 2001. V.35. P. 1009-1021.

23. Козлов B.C., Панченко M.B., Яушева Е.П. Особенности временной изменчивости содержания мелкодисперсного аэрозоля и сажи в приземном слое воздуха // Тезисы докладов VII Международного симпозиума "Оптика атмосферы и океана". Томск. 2000. С. 125.

24. Lin C.-I., Baker М., Charlson R.J. Absorption coefficient of atmospheric aerosol: a method for measurement // Applied Optics. 1973. V.12, P. 1356— 1363.

25. Clarke A.D. Integrating sandwich: a new method of measurement of thelight absorption coefficient for atmospheric particles // Applied Optics. 1982. V.21. №16. P.3011-3020.

26. Clarke A.D. Effects of filter internal reflection coefficient on light absorption measurements made using the integrating plate method // Applied Optics. 1982. V.21. №16. P.3021-3031.

27. Rosen H., Novakov T. Optical transmission through aerosol deposits on diffusely reflective filters a method for measuring the absorbing component of aerosol particles // Applied Optics. 1983. V.22. №1. P.1265-1267.

28. Hansen A.D.A., Rosen H., Novakov T. The aethalometer an instrument for the real-time measurement of optical absorption by aerosol particles // Science of the Total Environment. 1984. V.36. №1. P. 191-196.

29. Хансен А.Д.А., Капустин B.H., Копейкин B.M., Жилет Д.А., Бодейн В.А. Оптическое поглощение аридным аэрозолем в регионах Средней Азии // Советско-американский эксперимент по изучению аридного аэрозоля. Санкт-Петербург: Изд-во СПГУ. 1992. С.84-90.

30. Hansen A.D.A., Kapustin V.N., Kopeikin V.M., Gillette D.A., and Bodhaine D.A. Optical absorption by aerosol black carbon and dust in a desert region of central Asia // Atmospheric Environment. 1993. V.27(A). P.2527-2531.

31. Gundel L.A., Dor R.L., Rosen H., Novakov T. The relationship between optical attenuation and black carbon concentration for ambient and source particles // Science of the Total Environment. 1984. V.36. P. 197-202.

32. Horvath H. Atmospheric light absorption a review // Atmospheric Environment. 1993. V.27A(3). P.293-317.

33. Bodhaine B.A. Aerosol absorption measurements at Barrow, Mauna Loa and South Pole // Journal of Geophysical Research. 1995. V.100(D5), P.8967-8975.

34. Bond T.C., Anderson T.L., Campbell D. Calibration and intercomparison139of filter-based measurements of visible light absorption by aerosol // Aerosol Science and Technology. 1999. V.30. P.582-600.

35. Bond T.C., Covert D.S., Kramlich J.C., Larson T.V., and Charison R.J. Primary particle emissions from residential coal burning: optical properties and Size distributions // Journal of Geophysical Research. 2002. V.107(D21). P.ICC 9-1 to ICC 9-14.

36. RosencwaigA. Photoacoustics and photoacoustic spectroscopy. Wiley & Sons. New York. 1980.

37. Жаров В.П., Летохов B.C. Лазерная оптико-акустическая спектроскопия. М.: Наука. 1984. - 320 с.

38. АнтиповА.Б., Капитанов В.А., Пономарев Ю.Н., Сапожникова В.А. Оптико-акустический метод в лазерной спектроскопии молекулярных газов. Новосибирск: Наука. 1984. - 128 с.

39. Тихомиров Б.А., Тихомиров А.Б., Фирсов К.М. Нерезонансное поглощение импульсного излучения лазера на рубине атмосферным воздухом и смесью Н20 с азотом // Оптика атмосферы и океана. 2001. Т. 14. №9. С.740-747.

40. Козлов B.C., Панченко М.В., Тихомиров А.Б., Тихомиров Б.А. Измерение аэрозольного поглощения излучения с длиной волны 694,300 нм в приземном слое воздуха // Оптика атмосферы и океана. 2002. Т. 15. №9. С.756-761.

41. Тихомиров А.Б., Пташник И.В., Тихомиров Б.А. Измерения коэффициента континуального поглощения водяного пара в области 14400 см-1 (0,69 мкм) // Оптика и спектроскопия. 2006. (в печати).

42. Kozlov V.S., Panchenko M.V., Tikhomirov A.B., Tikhomirov B.A. Investigations of the absorption properties of near-ground aerosol by the methods of optical-acoustic spectrometry and diffuse extinction //

43. Proceedings of 12th Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Science

44. Team Meeting, St. Petersburg, FL. D. Carrothers, Ed., U.S. Department of Energy, Richland, WA. 2002. http://www.arm.gov/publications/ proceedings/confl2/extendedabs/kozlov-vs.pdf

45. Козлов B.C., Тихомиров А.Б., Панченко M.B., Тихомиров Б.А. Аппаратура и методика оценки альбедо однократного рассеяния для локальных объемов воздуха // Международный симпозиум стран СНГ

46. Ф "Атмосферная радиация" (МСАР-02). С.-Пб., Россия. 18-21 Июня2002. С.63.

47. Тихомиров А.Б. Калибровка импульсного оптико-акустического спектрометра в измерениях аэрозольного поглощения // Аэрозоли Сибири. IX Рабочая группа: Тезисы докладов. Томск: Изд-во Института оптики атмосферы. 2002. С.67.

48. ПташникИ.В., Тихомиров А.Б., Тихомиров Б.А., ФирсовК.М. Измерения коэффициента континуального поглощения водяного пара в области 0,69 мкм // Аэрозоли Сибири. XI Рабочая группа: Тезисы докладов. Томск: Изд-во Института оптики атмосферы. 2004. С.61.

49. Фукс И.А. Механика аэрозолей. М.: Изд-во АН СССР. - 1955. -350 с.

50. Юнге X. Химический состав и радиоактивность атмосферы. М.: Мир, - 1965.-425 с.

51. Кабанов М.В., Панченко М.В. Рассеяние оптических волн дисперсными средами. Ч. III Атмосферный аэрозоль. Томск. Изд-во

52. ТФ СО АН СССР. 1984. - 188 с.144

53. Колмогоров А.Н. Доклады АН СССР. 1941. Т. 13. №2. С.99.

54. Ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами. М.:ИЛ. 1961. — 536 с.

55. Борен К.Ф., Хафмен Д.Р. Поглощение и рассеяние света малыми частицами: Пер. с англ. М.: Мир. 1986. - 664 с.

56. Кастров В.Г. Труды ЦАО. №32. 1959.

57. Теснер П.А. Образование углерода из углеводородов газовой фазы. Химия, М. 1972.- 136 с.

58. Голубицкий Б.М., Танташев M.B. О применении оптико-акустического эффекта для исследования поглощения аэрозолем // Известия АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1976. Т. 12. №4. С.442-443.

59. Bruce С.W. and Pinnick R.G. In-situ measurements of aerosol absorption with a resonant CW laser spectrophone // Applied Optics. 1977. V.16. P. 1762-1765.

60. Roessler D.M., Faxvog F.R. Optoacoustic measurement of opticalabsorption in acetylene smoke I I Journal of the Optical Society of America. 1979. V.69. №12. P. 1699-1704.

61. Foot J.S. Spectrophone measurements of the absorption of solar radiation by aerosol // The Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society. 1979. V.105. P.275-283.

62. Bruce C.W. and Richardson N.M. Propagation at 10 цт trough smoke produced by atmospheric combustion of diesel fuel // Applied Optics. 1983. V.22. P.1051-1055.

63. Terhune R.W., Anderson J.E. Spectrophone measurements of the absorption of visible light by aerosols in the atmosphere // Optics Letters. 1977. V. 1. №2. P.70-72.

64. Roessler D.M. Photoacoustic insights on diesel exhaust particles // Applied Optics. 1984. V.23.P.1148-1155.

65. Bruce C.W., Stromberg T.F., GurtonK.P., MozerJ.B. Trans-spectral absorption and scattering of electromagnetic radiation by diesel soot // Applied Optics. 1991. V.30. №12. P.1537-1546.

66. Adams K.M. Real-time in situ measurements of atmospheric optical absorption in the visible via photoacoustic spectroscopy. 1: Evaluation of photoacoustic cells // Applied Optics. 1988. V.27. №19. P.4052^056.

67. Adams K.M., Davis L.I. Jr., Japar S.M., Finley D.R., and Cary R.A. Measurement of atmospheric elemental carbon: real-time data for Los Angeles during summer 1987 // Atmospheric Environment. 1990. V.24A. P.597-604.

68. TurpinB.J., Huntzicker J .J., and Adams K.M. Intercomparison of photoacoustic and thermal-optical methods for the measurement of146atmospheric elemental carbon // Atmospheric Environment. 1990. V.24A. P. 1831—1835.

69. Arnott W.P., Moosmuller H., Rogers C.F., Jin Т., and Bruch R. Photoacoustic spectrometer for measuring light absorption by aerosol: instrument description // Atmospheric Environment. 1999. V.33. P.2845-2852.

70. RaspetR., Slaton W.V., Arnott W.P., and Moosmuller H. Evaporation-Condensation Effects on Resonant Photoacoustics of Volatile Aerosols // Journal of Atmospheric and Oceanic Technology. 2003. V.20. P.685-695.

71. Зуев B.E., Комаров B.C. Современные проблемы атмосферной оптики. Т.1 Статистические модели температуры и газовых компонент атмосферы. JL: Гидрометеоиздат. - 1986. - 264 с.

72. Tang К., Toth R.A., Vander Auwera J., Varanasi P., and Yoshino K. The HITRAN molecular spectroscopic database: edition of 2000 including updates through 2001 // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 2003. V.82. №1-4. p.5-44.

73. Elsasser W.M. Note of atmospheric absorption caused by a rotational water band // Physical Review. 1938. V.53. P.768.

74. Elsasser W.M. Mean absorption and equivalent absorption coefficient of a band spectrum//Physical Review. 1938. V.54. P.126-129.

75. Varanasi P., Chou S., and Penner S.S. Absorption coefficients for water vapor in the 600-1000 cm-1 region // Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer. 1968. №8. P. 1537-1541.

76. Tobin D.C., Strow L.L., Lafferty W.J., Olson W.B. Experimental investigation of self- and ^-broadened continuum within the Vi band of water vapor // Applied Optics. 1996. V.35. №24. P.4724-4734.

77. Fulghum S.F., TillemanM.M. Interferometric calorimeter for the measurement of water-vapor absorption // Journal of the Optical Society of148

78. America В. 1991. V.8. №12. P.2401-2413.

79. Капитанов В.А., Пономарев Ю.Н., Тырышкин И.С. Поглощение излучения ближнего ИК- и видимого диапазонов спектра в микроокнах прозрачности атмосферы // Оптика атмосферы и океана. 1997. Т.10. №12. С.1481-1484.

80. ЗуевВ.Е., Макушкин Ю.С., Пономарев Ю.Н. Современные проблемы атмосферной оптики. Т.З Спектроскопия атмосферы. JL: Гидрометеоиздат. - 1987. - 248 с.

81. Тырышкин И.С. Исследование уширения линий атмосферного водяного пара в видимом диапазоне методом лазерной спектрофотометрии высокого разрешения: Автореф. дис. канд. физ.-мат. наук. Томск: ИОА СО АН СССР. 1983. - 19 с.

82. Сучков А.Ф. Линейчатая структура спектров генерации ОКГ с неоднородно уширенной линией усиления // Препринт. ФИАН СССР. №126. М. 1970.- 16 с.

83. Пахомычева JI.A., Свириденков Э.А., Сучков А.Ф. Линейчатая структура спектров генерации ОКГ с неоднородным уширением линии усиления // Письма в ЖЭТФ. 1970. Т. 12. №2. С.60-63.

84. Лукьяненко С.Ф., Макогон М.Н., Синица Л.Н. Внутрирезонаторная лазерная спектроскопия. Новосибирск: Наука. 1985. - 120 с.

85. Зайдель А.Н., Островская Г.В., Островский Ю.И. Техника и практика спектроскопии. М.: Наука. 1972. - 376 с.

86. Bell A.G. Article 34 on the production and reproduction of sound by light // American Journal of Science. 1880. V.20. P.305.

87. Bell A.G. Upon the production of sound by radiant energy // Philosophical149

88. Magazine and Journal of Science. 1881. V.ll. P.510-528.

89. Пономарев Ю.Н., Агеев Б.Г., ЗигристМ.В., Капитанов B.A., Куртуа Д., Никифорова О.Ю. Лазерная оптико-акустическая спектроскопия межмолекулярных взаимодействий. Под ред. Синицы JI.H. Томск: МГП «Раско». 2000. - 200 с.

90. Goldan P., Goto К. An acoustically resonant system for detection of low level infrared absorption in atmospheric pollutants // Journal of Applied Physics. 1974. V.45. №10. P.300-303.

91. Джиджоев Д.С., Попов B.K, Платоненко B.T., Чугунов A.B. Зависимость параметров оптоакустического сигнала от радиуса возбуждаемой области // Квантовая электроника. 1984. Т.Н. №2.1. C.414-416.

92. Агеев Б.Г., Пономарев Ю.Н., Тихомиров Б.А. Нелинейная оптико-акустическая спектроскопия молекулярных газов. Новосибирск: Наука. 1987.- 128 с.

93. Koch К.Р. and Lahmann W. Optoacoustic detection of sulphur dioxide below the parts per billion level // Applied Physics Letters. 1978. V.32. №5. P.289-291.

94. TamA.C. Signal enhancement and noise suppression considerations in photothermal spectroscopy // in Photoacoustic and photothermal phenomena III. (Springer series in optical sciences) ed. by D. Bicanic. -Springer-Verlag. 1992. V.69. P.447^162.

95. Carrer I., Fiorina L., ZanzotteraE. High-sensitivity cell for pulsed photoacoustic spectroscopy in gases and liquids // in Photoacoustic and photothermal phenomena III. (Springer series in optical sciences) ed. by

96. D. Bicanic. Springer-Verlag. 1992. V.69. P.568-571.

97. Пилипович B.A., Ковалев А.А. Оптические квантовые генераторы с просветляющимися фильтрами. Минск: Наука и техника. 1975. -216 с.

98. Белостоцкий Б.Р., Любавский Ю.В., Овчинников В.М. Основы лазерной техники. Твердотельные ОКГ. М.: Советское радио. 1972. -408 с.

99. Тырышкин И.С., Пономарев Ю.Н., Могильницкий Б.С., Тихомиров Б.А. Лазерная система на ИАГ:Ш с пассивной модуляцией добротности для генерации высокоэнергетичных импульсов излучения с малой расходимостью // Оптика атмосферы. 1989. Т.2. №6. С.668-670.

100. Тихомиров Б.А. Исследование линейного и нелинейного поглощения паров воды методом импульсной оптико-акустической спектроскопии: Автореф. дис. канд. физ.-мат. наук. Томск: ИОА СО АН СССР. 1986. - 19 с.

101. Дмитриев Д.В., Поплавский Ю.А., Синица Л.Н., Матульян Ю.А., Щербаков А.П. Спектр поглощения диоксида азота (N02) в диапазоне 3900-8000 А // Оптика атмосферы и океана. 2002. Т. 15. №9. С.778-781.

102. Мицель А.А., Фирсов К.М., Фомин Б.А. Перенос оптического излучения в молекулярной атмосфере. Томск: STT. 2001. - 444 с.126. http://www.vacuubrand.de127. http://www.microfor.ru

103. Heritier J.-M. Electrostrictive limit and focusing effects in pulsed photoacoustic detection // Optics Communications. 1983. V.44. №4. P.267-272.

104. Beck K.M., Gordon R.J. Theory and application of time resolved optoacoustics in gases // The Journal of Chemical Physics. 1988. V.89. №9. P.5560-5567.

105. Diebold G.J. Application of the photoacoustic effects to studies of gas phase chemical kinetics // in Photoacoustic, phototermal and photochemical processes in gases (Topics in current Physics) ed. by P. Hess. Springer151

106. Verlag. 1989. V.46. P.125-172.

107. Kapitanov V.A. and Tikhomirov B.A. Pulse photoacoustic technique to study of vibrational relaxation in gases // Applied Optics. 1995. V.34. P.969-972.

108. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. -9-е изд. М: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. 1982. - 208 с.

109. Baklanov A.M., Kozlov V.S., Panchenko M.V., Ankilov A.N., and Vlasenko A.L. Generation of soot particles in submicron range // Journal of Aerosol Science. 1998. V.29. P.919-920.

110. Отчет о научной и научно-организационной работе Института оптики атмосферы СО РАН за 2001 г // Томск: ИОА СО РАН. -2001.

111. Михайлов Е.Ф., Власенко С.С., Киселев А.А., Рышкевич Г.И. Факторы структурной изменчивости сажи // Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 1998. Т.34. №3. С.345-356.

112. Colbeck I., Appleby L., Hardman E.J., Harrison R.M. The optical properties and morphology of cloud-processed carbonaceous smoke // Journal of Aerosol Science. 1990. V.21. P.527-538.

113. Панченко M.B., Свириденков M.A., Терпугова C.A., Козлов B.C. Активная спектронефелометрия в исследовании микрофизических характеристик субмикронного аэрозоля // Оптика атмосферы и океана. 2004. Т. 17. №5-6. С.428-436.

114. Long R.K. Atmospheric absorption of laser radiation // Ohio State University. Engineering Publication Bull. №199. Columbus. Ohio. 1966. P.24.

115. Воронин Б.А. Теоретическое исследование спектров поглощения изотопных модификаций воды в ближней ИК-области: Автореф. дис. канд. физ.-мат. наук. Томск: ИОА СО РАН. 2002. - 19 с.

116. Зуев В.Е., Лопасов В.П., Тырышкин И.С. Экспериментальные исследования уширения контура линии поглощения водяных паров азотом // Квантовая электроника. 1977. Т.4. №6. С. 13 75-1377.