Спектроскопия комбинационного рассеяния жидко-капельной и газообразной фаз воды в атмосфере тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

СТОЛЯРЧУК СЕРГЕЙ ЮРЬЕВИЧ

Спектроскопия комбинационного рассеяния жидко-капельной и газообразной фаз воды в атмосфере

01 04 05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Владивосток - 2007

003069804

Работа выполнена в лаборатории Лазерной оптики и спектроскопии Тихоокеанского океанологического института им В И Ильичева ДВО РАН

Защита состоится 23 мая 2007 года в 1 б00 часов на заседании диссертационного совета ДМ 218 003 01 при Дальневосточном государственном университете путей сообщения по адресу 680021, Хабаровск, ул Серышева, 47, ауд 230

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Дальневосточного государственного университета путей сообщения

Научный руководитель

доктор физико-математических наук, профессор Букин Олег Алексеевич

Официальные оппоненты

доктор физико-математических наук, профессор Кузьменко Александр Павлович

доктор физико-математических наук, доцент Луговой Владимир Александрович

Ведущая организация

Институт космофизических исследований и распространения радиоволн ДВО РАН

Автореферат разослан_ преля 2007 года

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

Шабалина Т Н

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность выполнения данной работы обусловлена, как необходимостью исследования процессов взаимодействия лазерного излучения с жидко-капельной и парообразной фазами воды, находящимися в реальной атмосфере, так и решением практических задач, связанных с изучением процессов конденсации влаги в атмосфере, механизмов взаимодействия в системе океан-атмосфера, а так же условий распространения радиоволн и мощного лазерного излучения в приповерхностном слое атмосферы Быстрое развитие оптических дистанционных методов зондирования, создание глобальной лидарной сети и широкое использование лидарных методов для мониторинга окружающей среды с целью решения фундаментальных и прикладных проблем в исследовании океана и атмосферы, ставят задачу разработки оперативного и универсального метода изучения динамики полей влажности в нижнем слое атмосферы и исследования механизмов взаимодействия жидко-капельного атмосферного аэрозоля с лазерным излучением

Целью данной работы являлось исследование физических процессов взаимодействия мощного лазерного излучения с водным аэрозолем при его распространении в атмосфере, определение возможностей метода спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) для измерения концентрации водяного пара и жидкой фазы воды в нижнем слое атмосферы над океаном, создание аппаратурных комплексов для исследования динамики полей влажности в пограничном слое морской атмосферы, изучение динамики фазовых переходов воды

В задачу исследований входило:

1 Изучение процесса распространения мощного лазерного излучения над морской поверхностью при наличии водного аэрозоля

- измерение распределения интенсивности в спектральной полосе об-ратнорассеянного рамановского сигнала при различных концентрациях водного аэрозоля в атмосфере над морской поверхностью,

- исследование спектральных распределений КР с целью выделения спектрального интервала, подходящего для количественной диагностики жидкой фазы воды,

- определение вклада вынужденных процессов в сигналы комбинационного рассеяния

2 Определение величины сигналов КР от жидкой фазы воды и сигнала широкополосной флуоресценции морского аэрозоля в спектральном интервале регистрации КР водяного пара при различных атмосферных условиях

3 Разработка методики коррекции рамановского сигнала водяного пара при измерении в атмосфере, содержащей водный аэрозоль

4 Разработка аппаратурного комплекса - стационарного и судового ли-дара КР, методики абсолютной калибровки двухканального КР лидара, измерение вертикальных профилей концентрации водяного пара в пограничном слое атмосферы над океаном

Научная новизна работы

Впервые проведено измерение спектров КР водного аэрозоля в атмосфере, исследованы структурные особенности полученных спектров Выявлены специфические особенности спектров водного аэрозоля, а также зависимость формы спектра от микрофизических параметров водного аэрозоля

Интерпретация полученных данных проведена в рамках теории вынужденного комбинационного рассеяния в водных каплях, которые нужно рассматривать не только как источники стоксовых фотонов, но и как резонаторы-усилители фотонов при их движении к источнику излучения

Впервые проведены измерения величины сигнала широкополосной флуоресценции аэрозоля над морской поверхностью, которые позволили получить оценки минимально обнаружимых концентраций водяного пара, измеряемых методом спектроскопии КР

Изучены угловые характеристики лазерного излучения пикосекундной длительности при его распространении в морской атмосфере, содержащей водный аэрозоль

Впервые в водном атмосферном аэрозоле зарегистрирована спектральная компонента комбинационного рассеяния, обусловленная несимметричными ОН - колебаниями молекул воды, находящихся на границе раздела пар - жидкость

Практическая значимость работы

Практическая ценность работы состоит в возможности использования полученных результатов

- в исследованиях распространения мощного лазерного излучения в реальной атмосфере и изучении вынужденных процессов, возникающих при взаимодействии с жидко-капельным аэрозолем,

- при измерении концентрации водяного пара в атмосфере методом комбинационного рассеяния при наличии жидко-капельной влаги и морского аэрозоля,

- в исследованиях динамики полей влажности над морской поверхностью при решении задач взаимодействия океана и атмосферы и прогнозирования условий распространения радиоволн УКВ и СВЧ диапазонов над морской поверхностью

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1 Взаимодействие лазерного излучения, с плотностью мощности более 0,5 ГВт/см2 на длине волны 532 нм, с жидко-капельным аэрозолем приводит к возникновению эффекта вынужденного комбинационного рассеяния

2 Наличие вынужденного КР на водном аэрозоле приводит к изменению формы спектра КР жидкой фазы воды При этом наблюдается разрешение линий симметричного колебания - V! и второго обертона деформационного колебания - 2м2 , находящихся в резонансе Ферми, перераспределение интенсивности этих линий, смещение центров этих линий

3 При распространении лазерных импульсов пикосекундной длительности с мощностью порядка 0,1 ГВт в атмосфере, содержащей жидко-капельный аэрозоль, наблюдается значительное перераспределение плотности мощности в поперечном сечении лазерного пучка в результате эффекта мелкомасштабной фокусировки

4 Наличие сигнала широкополосной флуоресценции морского аэрозоля в атмосфере увеличивает значения минимально обнаружимых концентраций паров воды, регистрируемых методом спектроскопии КР

5 Присутствие в атмосфере мелкодисперсного аэрозоля приводит к проявлению в спектре комбинационного рассеяния свободных несимметричных ОН колебаний с частотным сдвигом около 3750 см"1, которые наблюдают-

ся в виде разрешенного пика, либо в виде перегиба на длинноволновом крыле симметричных колебаний v-i водяного пара Апробация работы

Результаты работы докладывались на следующих конференциях Всесоюзная конференция "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле", Хабаровск 1981 г, 10-ой Всесоюзной конференции по Высокоскоростной фотографии и метрологии быстро-протекающих процессов Москва 1981, VIII Всесоюзном Симпозиуме по Лазерному и Акустическому Зондированию Атмосферы, Томск,1984, 12-th Conference Coherent and Nonlinear Optic Moscow, USSR, 1985, 13th Joint International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics/ Atmospheric Physics - Tomsk, 2006, International workshop ISTC Baikal 2006, Всесоюзной конференции "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле" Хабаровск 1987 Личный вклад соискателя

Автор проводил экспериментальные лабораторные и натурные измерения, неоднократно участвовал в разработке лидарных комплексов, проведении лазерного зондирования атмосферы в морских экспедициях Проводил сбор, обработку и анализ данных лазерного зондирования, участвовал в интерпретации результатов, в подготовке материалов и написании статей, перечисленных в списке публикаций Участвовал в разработке процедуры восстановления вертикальных профилей влажности и коэффициентов рефракции атмосферы для радиодиапазона по данным лидарного зондирования Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы Работа изложена на 166 страницах, включая 4 таблицы, 52 рисунка и списка литературы, содержащего 186 наименований

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении определены актуальность и задачи диссертационной работы Даны основные положения, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов

В первой главе приводятся характеристики спектров КР основных газовых компонент атмосферы (включая пары воды), жидко - капельной фазы воды и результаты развития метода спектроскопии комбинационного рассеяния, который используется для дистанционного исследования динамики жидкой и газообразной фаз воды в атмосфере

В параграфе 1.1 проводится описание спектральной структуры молекулярного рассеяния, даны основные формулы, описывающие процесс комбинационного рассеяния Сделан обзор литературы, в которой приведены экспериментальные значения сечений рассеяния основных атмосферных газов, включая пары воды Обсуждается структура спектра КР жидкой фазы воды, а так же имеющиеся в литературе данные относительно величин сечений рассеяния жидкой фазы воды Отмечены те трудности, которые возникают при измерении величины сечения комбинационного рассеяния жидкой фазы воды, особенно водного аэрозоля, и тот разброс значений сечений, который вызван трудностями экспериментальных измерений Отмечается отсутствие в лите-

ратуре экспериментальных работ по измерению рамановских спектров реального жидко - капельного аэрозоля

В параграфе 1.2 обсуждаются вопросы, связанные с распространением лазерного излучения в реальной атмосфере, содержащей жидко-капельную воду Рассматриваются теоретические работы, в которых проводится расчет рамановских сигналов при наличии жидко-капельного аэрозоля, с учётом вклада многократного рассеяния Показано, что существенное влияние на величину фактора многократного рассеяния оказывает угол поля зрения приёмника лидара и отличия индикатрис рамановского и рассеяния Ми

Обсуждаются результаты отдельных теоретических работ, в которых на основе простых моделей, учитывающих входные и выходные резонансы внутреннего оптического поля водных микросфер, показано, что сечение рамановского рассеяния по направлению назад вдвое превышает значение сечения для сплошного объема воды Главным отличием индикатрисы рамановского рассеяния водных капель от индикатрисы рассеяния водяного пара является ее несимметричность, обусловленная всеми типами резонансов внутреннего оптического поля При распространении мощных лазерных пучков в аэрозольной атмосфере необходимо учитывать, что совместное действие дифракции, интерференции дифрагированных волн и фокусировки прозрачными каплями приводит к перераспределению интенсивности по сечению пучка В некоторых горячих точках, образующихся в результате этих явлений, интенсивность светового поля может превышать среднее значение в 10 - 103 раз, что обуславливает возможность проявления нелинейных эффектов в локальных областях светового пучка, а также возможность оптического пробоя отдельных капель водного аэрозоля, сопровождающегося увеличением широкополосного фона

В параграфе 1.3 рассматриваются эффекты, которые возникают из-за резонансных свойств прозрачных капель, обусловленные их симметрией Обсуждаются теоретические и экспериментальные результаты по вынужденному рассеянию и флуоресценции на жидко-капельном монодисперсном аэрозоле Отмечено, что наличие резонансов внутреннего оптического поля приводит к увеличению интенсивности в отдельных точках поверхности водного аэрозоля на несколько порядков Это является причиной возникновения вынужденных процессов в жидко - капельном аэрозоле, изменения формы спектров флуоресценции и рамановского рассеяния жидко - капельной влаги

Во второй главе проводится описание параметров лидарных систем и лабораторных комплексов, которые были разработаны для проведения измерений

В параграфе 2.1 приводится анализ факторов, влияющих на эффективность лидарных систем, предназначенных для регистрации рамановских сигналов Обосновывается выбор параметров лазерных излучателей, используемых в лидарных и лабораторных системах, а так же параметров приемных и спектральных систем

В параграфе 2.2 описан стационарный КР лидар, разработанный для исследования спектров комбинационного рассеяния составляющих атмосферы Предложена и реализована двухканальная система приема сигналов обратного рассеяния, которая позволяет учесть влияние геометрического фактора в ближней зоне при измерении концентрации паров воды в атмосфере

Это достигается путем одновременного измерения интенсивности КР от атмосферного азота в обоих каналах регистрации, что позволяет определить зависимость от расстояния до зондирующего объема аппаратурной функции

Приводится описание лазерного излучателя лидара, который был разработан специально для лидара комбинационного рассеяния Конструкция резонатора позволяла осуществлять надёжное выделение одной поперечной моды с расходимостью, близкой к дифракционной, а два каскада оптического усиления обеспечивали импульсную мощность излучения второй гармоники № УАв лазера на уровне 13 МВт при длительности импульса 12 не (по полувысоте)

В параграфе 2 3 Описаны разработки, которые были сделаны в процессе изготовления судового варианта лидара КР Малогабаритные блоки питания лазера и оптических усилителей были разработаны с учетом особенностей условий работы на научно-исследовательских судах Конструкция приемного двухканального блока лидара приведена на рис 1 Для регистрации слабых сигналов КР использовались фотоумножители в режиме счета фотонов, которые отбирались по специальной, предложенной методике Эта процедура обеспечивала выбор ФЭУ с максимальными чувствительностями и минимальными шумами Система регистрации включала в себя многоканальные счетчики фотонов Основные параметры судового лидара КР приведены в таблице 1

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований спектров КР жидко - капельной воды в атмосфере, проведенные на разработанной аппаратуре. Проводится оценка уровней широкополосной флуоресценции атмосферного аэрозоля на основе натурных измерений Приводятся экспериментальные результаты по исследованию распространения мощного лазерного излучения (пико и нано секундной длительности) в реальной атмосфере, содержащей жидко-капельную влагу Обсуждаются особенности спектров КР водного аэрозоля

В параграфе 3.1 приведены экспериментальные результаты исследования спектров КР чистой атмосферы и проведена оценка уровней флуоресценции атмосферного аэрозоля (как в городской атмосфере, так и над морской поверхностью) Проведены измерения вклада сигнала флуоресценции атмосферного аэрозоля в спектральные интервалы КР паров воды и жидкой фазы воды На основе этих измерений сделаны оценки минимально обнару-жимых концентраций жидкой фазы воды и ошибки, которые возникают при измерении газообразной воды в присутствии сигнала широкополосной флуоресценции атмосферного аэрозоля

На рис 2 приведены спектры КР основных газовых компонент, где стрелками указаны центры линий и спектральных интервалов, в которых измерялся уровень сигнала широкополосной флуоресценции

В параграфе 3.2 описаны результаты натурных экспериментов по распространению пикосекундных лазерных импульсов с мощностью 10® Вт в атмосфере Исследовалось распространение лазерных импульсов длительностью порядка 20 псек, с длиной волны 532нм, на высоте 3 м над морской поверхностью, в присутствии водного аэрозоля на трассе длиной порядка 500м На рис 3 приведена фотография распределения интенсивности в фокальной плоскости объектива в конце трассы

Длительность импульса 12 нс по полувысоте

Длина волны излучения 532 нм

Энергия импульса 180 мДж

Частота посылок лазерных импульсов от 0,7 Гц до 50 Гц

Габариты излучатель блок питания 1050x230x120 мм3 480x500x160 мм3

Приемный объектив (двухлинзовый) диаметр 30 см Относительное отверстие 110

Полихроматор с обратной линейной дисперсией 20 А/мм

Фотоприемники (3 канала) ФЭУ-79.ФЭУ-136

Плата стробируе-мых счетчиков в стандарте ЭВМ с быстродействием 200 Мгц

Минимальное пространственное разрешение 13,5м

Время измерения профиля при относительной ошибке не превышающей 10% 15 мин

Габариты 1500x500x310 мм-5

Масса 80 кг

Рис1 Блок-схема судового лидара КР Таб 1 Параметры судового лидара

На рис 1 показано ФД - фотодиод для запуска системы регистрации, Ф1-ФЗ - приёмные фотоумножители, ДР - дифракционная решётка, БФ-блок фильтров для подавления сигнала упругого рассеяния, ПЧ-преобразователь частоты лазерного излучения, ОУ1,2-оптические усилители, ЗГ-одномодовый лазерный генератор, У1-УЗ-широкополосные усилители одноэлектронных импульсов, БПЛ1,2-блоки питания лазера и оптических усилителей

Изменение исходного углового распределения интенсивности характерно для явления самофокусировки Появление дополнительного кольца в структуре пространственного спектра было обусловлено явлением мелкомасштабной самофокусировки в результате перераспределения плотности мощности по сечению пучка в процессе интерференции волн, дифрагированных на водном аэрозоле, с основным лазерным пучком, создающим градиент показателя преломления Результаты анализа пространственного спектра, характерного для неоднородной структуры поперечного сечения пучка, когда интенсивность в локальных точках на порядок может превышать начальную, хорошо согласуются с результатами численных экспериментов других авторов

Рис.2, а - Спектр КР чистой атмосферы

б-линия КР водяного пара

i N2

N ítl

13 ■ Ьги.ед.

2

3

1

I

-А

ню

Рис.3

1-г

660 580 600

640 660 нм

В параграфе 3.3 приведены результаты экспериментальных измерений в ближней зоне лидара спектров КР водного аэрозоля в реальной атмосфере. Установлено существенное отличие спектров КР водного аэрозоля от спектров КР объёмной воды, что отражено на рис. 4.

В спектрах водного аэрозоля наблюдается чётко выраженная разрешённая структура, в которой всегда присутствовали максимумы на частотах, близких к частотным сдвигам, которые соответствуют симметричному колебанию у-| {3420 см"1) и обертону деформационного колебания 2.\г {3225 см"1). Наблюдалась линия свободных несимметричных ОН колебаний с частотным сдвигом около 3750 см"1, проявляющаяся либо в виде разрешённого пика, либо в виде перегиба на крыле линии симметричных колебаний водяного пара. Соотношение интенсивностей этих двух колебаний изменяется в широких пределах и зависит от параметров водного аэрозоля. Положение центра линии КР водяного пара во всех экспериментах оставалось неизменным, а указанные максимумы интенсивности в спектре водного аэрозоля смещались в зависимости от его микроструктуры. Наблюдалось усиление регистрируемого сигнала в полосе жидкой фазы воды по сравнению с сигналом спонтанного комбинационного рассеяния, рассчитанного по известным данным о сечении рассеяния и концентрациям жидкой фазы, соответствующим условиям измерений. Кроме этого, отношение интенсивностей колебания 2м2 к интенсивности колебания VI, находящихся в резонансе Ферми, сильно зависело от микроструктуры водного аэрозоля, распределенного по трассе зондирования. Если в спектре комбинационного рассеяния в объеме жидкой воды это отношение составляет величину порядка 0,9 . то в спектрах водного аэрозоля оно изменялось от 0,6 до 2, На рис.5 приведен пример обращения интенсивностей в дублете Ферми, когда интенсивность

обертона деформационного колебания более чем в два раза превосходит интенсивность симметричного колебания

Рис 4 Спектр КР объемной воды (1), Рис 5 Обращение интенсивности и водного аэрозоля (2) в дублете Ферми

В параграфе 3.4. представлен анализ наблюдаемых особенностей в спектрах комбинационного рассеяния водного аэрозоля, проведенный в рамках теории вынужденного комбинационного рассеяния, из которой следует, что при наличии резонанса Ферми в сплошной водной среде такие параметры, как острота резонанса Л, изменение частот Ш12, расположение центров линий при вынужденном комбинационном рассеянии относительно их центров при спонтанном рассеянии и относительно их общего центра С, сильно зависят от величины приложенного поля Е0 Эти зависимости определяются следующими соотношениями

Д=1/2(со, 2 - со, 2') + («2,2 - а2'>2')Ео2(1/Ь), С=1/2(ши + со, 2') +(а2 2 + а2',2' -2а, ,)Е02(1/Ь),

<01,2 =С±х, X= (Р2+Д2)"2, Р = а22'Е02(1/Ь),

где а)1|2- частоты колебаний, измененные под действием поля лазера, С -центр тяжести смещенных линий, Р - наведенная ангармоничность, А -острота резонанса Ферми, а^ - матричные элементы поляризуемости по состояниям ],к, х- характеризует расстояние между компонентами расщепления Проявления эффекта вынужденного комбинационного рассеяния в аэрозольной среде имеет особенности, поскольку в каждой отдельной капле, находящейся внутри зондируемого объема, формируется свое поле накачки, величина которого определяется индивидуальными параметрами аэрозоля Условие входного резонанса будет выполняться лишь для небольшого числа капель Спектр вынужденного комбинационного рассеяния, с наблюдаемым смещением центра тяжести С линий 2у2 и V-,, находящихся в резонансе Ферми, формируется водяными каплями, размеры которых группируются относительно наиболее вероятного радиуса частиц, т к в них возникают примерно одинаковые поля накачки Е0 и условия выходных резонансов внутреннего оптического поля Поэтому многопичковая структу-

ра, характерная для процесса вынужденного комбинационного рассеяния на каплях монодисперсного аэрозоля, будет сглажена

В четвертой главе рассматриваются вопросы применения метода спектроскопии комбинационного рассеяния для исследования динамики ночного поля влажности в пограничном слое атмосферы над морской поверхностью в различных районах океана и результаты применения этого метода для прогнозирования условий распространения радиоволн

В параграфе 4.1. приведена методика калибровки двухканального приемника рамановского лидара, позволяющая проводить измерения абсолютной концентрации паров воды, которая определяется из соотношения

сг нгох.п„гх.ТАНЮ{К)х.Т

где N1. - число Лошмидта, Т0 - абсолютная температура при нормальных условиях, Т - температура воздуха при которой проводилось измерение, сЛчг.^тео. Пмг, пН2о - сечения обратного рамановского рассеяния и скорости счета фотоэлектронов, обусловленные рамановскими сигналами от азота и воды соответственно Т л Т л нго(^) - отношение коэффициентов пропускания атмосферы для рамановских длин волн азота и паров воды соответственно К(Я) - отношение геометрических факторов, коэффициентов пропускания приемной оптики, чувствительностей фотоумножителей и последующих электронных трактов регистрации для сигналов рассеяния на азоте и парах воды в соответствующем канале

Таким образом, для определения абсолютных концентраций водяного пара необходимо измерить величину К(Я) Сущность метода заключается в том, что для определения К(Я) производится регистрация сигнала от атмосферного азота, распределенного по трассе зондирования по известному закону, одновременно в оба канала регистрации для тех же интервалов усреднения сигнала, что и в последующих измерениях влажности

На рис 6 приведена зависимость К(Я), полученная при приеме в два канала сигнала от атмосферного азота

При калибровке определялись отношения геометрических факторов, чувствительностей ФЭУ и эффекгивностей счета одноэлектронных импульсов электронных трактов двух каналов на длине волны 603,7 нм После из-

мерения К(И) делался пересчет этой величины для длины волны 660,3 нм в приближении равенства коэффициентов пропускания оптики «сигнального» канала на двух длинах волн (^ЛМ2 = $лнго). что достаточно хорошо выполняется для линий КР атмосферного азота и спектральных интервалов, соответствующих жидкой и газообразной фазам воды при использовании дифракционных селектирующих элементов Поправка на величину спектральной чувствительности ФЭУ проводилась из относительного распределения спектральной чувствительности фотокатода фотоумножителя

Сравнение данных лидарного зондирования со стандартными психрометрическими измерениями при отработке методики лидарных измерений, проводилось на горизонтальных трассах для различных значений абсолютной влажности атмосферы Измерения охватывали широкий диапазон абсолютных значений влажности воздуха в различные сезоны года Была отмечена хорошая корреляция лидарных и психрометрических измерений, сделанных в пределах первого строба лидара

В параграфе 4.2 проводится сравнение известных методик коррекции рамановского сигнала водяного пара, регистрируемого на фоне спектров жидкой фазы воды и широкополосной флуоресценции, с методикой, используемой в наших измерениях Отличие разработанной методики заключается в том, что используется не априорная информация о распределении интенсивности в рамановском спектре жидкой воды, а данные измерений в двух характерных спектральных интервалах, которые выделены в результате анализа особенностей распределения интенсивности в рамановских спектрах водного аэрозоля

На рис 7 приведены измеренные нами рамановские спектры водного аэрозоля в атмосфере при различном содержании жидкой фазы Стрелками показано положение спектральных интервалов в полосе жидкой фазы воды, в которых измерялись уровни сигнала, используемые затем для коррекции сигнала от водяного пара Оба спектральных интервала расположены симметрично относительно центра линии пара, поэтому линейная интерполяция результатов измерения вне линии пара на ее центр (пунктирные линии на рис 7) упрощается до вычисления среднего значения Полученное в результате усреднения значение относительной интенсивности сигнала жидкой фазы на длине волны 660,3 нм, затем вычитается из общей относительной интенсивности сигнала на этой же длине волны Проведенная таким образом коррекция для спектров на рис 7 дает значения относительной интенсивности сигнала пара 0 2 (для спектра А) и 0 25 (для спектра Б) о

Рис 7 По вертикали отложены относительные скорости счета о фотоэлектронов в канале регистрации рамановского спектра воды (1МС) и в «опорном» о канале регистрации сигнала от азота (Ы0)

Полученные в результате коррекции значения отличаются на 20% С учетом того, что измерения проводились практически при одинаковой температуре воздуха, а статистическая погрешность измерений была на уровне 15%, можно говорить о практической пригодности используемого метода коррекции

В параграфе 4.3 приведены наиболее характерные результаты из многочисленных измерений высотного распределения влажности над морской поверхностью, которые были проведены с использованием судового ра-мановского лидара Наиболее подробно было проведено исследование высотных распределений концентраций паров воды летнее время года в Средиземном море По характеру изменения влажности высотные профили разбиваются на две группы Первая группа более многочисленная, она характерна для районов Средиземного моря, значительно удаленных от суши Для всех профилей этой группы наблюдается падение влажности с высотой до высот 50 м - 70 м не противоречащее логарифмическому закону Типичный вид профилей приведен на рис 8 (а - первая группа профилей, б - вторая группа)

Рис 8а Рис 86

Выше этого слоя профили первой группы обнаруживают тенденцию к образованию слоя, постоянного по содержанию молекул водяного пара на уровне (3-6)х1017 см "3 до высот 300 м, после которого затем следовало достаточно резкое уменьшение концентрации молекул воды

Вторая группа профилей показала сильный инверсный ход влажности выше 150 м - 200 м (рис 8 б) Именно для профилей подобного типа были зарегистрированы процессы развития ночной конвекции Пример регистрации процесса возникновения конвективного потока приведен на рис 9, на

котором представлен временной ход влажности в градациях цвета от 3 1017см'3 до 8 1017см"3 на различных высотах.

23;(Ю (Н]:0(1 <Х>:30 01:00 О I : ЭО 02;О(1 02:.ЧО

»>)»<■ м ы

Рис.9. Процесс развития ночной конвекции по данным лидарного зондирования,

В параграфе 4.4 приводятся результаты применения метода дистанционной рамановской спектроскопии для прогнозирования условий распространения радиоволн по данным измерений высотных профилей влажности с помощью лидара. Проведенная нами разработка аппаратуры и метода дистанционной рамановской спектроскопии для измерения концентрации водяного пара, позволила применить лидарное зондирование для исследования параметров приподнятых радиоволноводов. Для получения дополнительной информации об условиях распространения в атмосфере УКВ излучения регистрировался уровень сигнала погодных спутников ИООА-б и МООА-9, передающих метеоинформацию на частотах 137,5 МГц и 137,62 МГц во время их пролета. Кроме этого проводились эксперименты по прямому радиопросвечиванию трассы при обнаружении инверсных профилей влажности. Так, при измерении профиля влажности с сильным инверсным ходом, полученным в Средиземном море, было осуществлено одновременное радиопросвечивание и лидарное зондирование, а по измеренным профилям влажности, один из которых представлен на рис 10.а, были восстановлены М - профили (профили индекса рефракции радиоволн) и рассчитаны параметры волновода. На рис. 10.6 приведен М- профиль, рассчитанный по данным зондирования. Из формы профиля следует наличие приповерхностного волновода с М - дефицитом ДМ = 60 М единиц и высотой порядка 200 метров, что позволило установить устойчивую радиосвязь на частоте 156,6 Мгц между двумя судами. При этом расстояние между судами, определенное по координатам их расположения, составляло 260 км.

Устойчивость обнаруженных волноводов исследовалась путем проведения серии последовательных зондирований. На рис. 11 отражена динамика

разрушения приподнятого волновода а течение ночи. На вертикальной шкале справа отложены значения М-единиц.

Рис.10, а - высотный профиль влажности; б - рассчитанный высотный М -профиль.

ОО ОО ОО

02 ОО 03 ОО

время

05:00 Об 00

Рис.11. Процесс разрушения приподнятого над морской поверхностью волновода в течение ночи.

Проведенные экспериментальные исследования по обнаружению и прогнозированию условий волноводного распространения УКВ излучения над морской поверхностью, позволяют сделать заключение о перспективности применения дистанционной рамановской спектроскопии в этой области

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты, полученные в работе

1 Разработан судовой лидар с излучателем на второй гармонике Nd YAG, приемный двухканальный спектральный блок с дифракционной решеткой, позволяющий осуществить абсолютную калибровку с использованием сигнала рамановского рассеяния на атмосферном азоте, система регистрации сигнала в режиме счета фотоэлектронов, что обеспечило проведение измерения высотного распределения абсолютных концентраций водяного пара, уровней флуоресценции морского аэрозоля и спектров жидкой фазы воды в различных атмосферных условиях над морской поверхностью

2 Разработанный метод отбора фотоумножителей, которые обладают наиболее высокими отношениями величин сигнала к шуму при регистрации слабых световых потоков в режиме счета, позволил определить оптимальные режимы питания для отобранных ФЭУ, что увеличило в несколько раз эффективность регистрации слабых сигналов комбинационного рассеяния от жидкой и газообразной фаз воды в атмосфере

3 Проведены измерения уровней сигнала широкополосной флуоресценции морского аэрозоля в различных атмосферных и климатических условиях

4 Исследованы особенности спектров KP жидкой фазы водных дымок, туманов и дождя Они выявили существенные отличия распределения интенсивности в спектрах водного аэрозоля от спектров спонтанного комбинационного рассеяния жидкой воды, что позволяет говорить о проявления нелинейного взаимодействия водного аэрозоля и излучения с импульсной мощностью порядка или более 10 МВт, используемого при зондировании

5 Проведены экспериментальные исследования распространения пикосе-кундного лазерного излучения с импульсной мощностью порядка 100 МВт над морской поверхностью в условиях образования водного аэрозоля Наблюдаемые в эксперименте изменения углового распределения интенсивности в световом пучке обусловлены мелкомасштабной самофокусировкой за счет перераспределения плотности мощности по сечению пучка

6 Наиболее вероятным нелинейным процессом в ближней зоне, в случае зондирования лазерными импульсами наносекундной длительности и импульсной мощностью порядка 10 МВт, который соответствует экспериментальным данным, является процесс встречного вынужденного рамановского усиления стоксовых фотонов в водных каплях, находящихся в поле накачки зондирующего импульса

7 Методика калибровки двухканапьного рамановского лидара позволила проводить измерения абсолютных концентраций паров воды в атмосфере Сравнение результатов лидарных измерений и результатов стандартных психрометрических измерений показало хорошую корреляцию, что позволяет говорить в высокой степени достоверности лидарных измерений Разработанные аппаратные средства зондирования, методики абсолютной калибровки и кор-

рекции результатов обеспечили проведение измерений высотного распределения паров воды в условиях морских экспедиций на ходу судна При зондировании под углом к горизонту профиль влажности восстанавливался до высот порядка 1 км с пространственным разрешением 50 м и относительной погрешностью на уровне 15% при времени усреднения сигнала обратного рассеяния 15 минут

8 Продемонстрированы возможности дистанционной рамановской спектроскопии для исследования изменчивости полей влажности в морском пограничном слое атмосферы, процессов развития ночной конвекции и динамики планетарного пограничного слоя

9 Проведены экспериментальные исследования по обнаружению и прогнозированию условий волноводного распространения УКВ излучения над морской поверхностью, позволяющие сделать заключение о перспективности применения дистанционной рамановской спектроскопии в этой области Достоверность лидарных измерений параметров приподнятых волноводов подтверждена экспериментом по прямому радиопросвечиванию трассы

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА

1 Букин О А, Павлов А H , Салюк П А , Кульчин Ю H , Шмирко К А , Столяр-чук С.Ю., Бубновский А Ю // Особенности высотного распределения аэрозоля во время прохождения пылевых бурь над заливом Петра Великого в 2006 году и их воздействия на фитопланктонные сообщества Японского моря -Оптика атмосферы и океана. 20, №4.2007 г. с 43 - 50

2 OA Bukin, AN Pavlov, К A Shmirko, VA Krikun, S. Yu. Stolyarchuk. Atmosphere aerosol dynamics above Vladivostok during dust storm in the Gobi desert Proceedings of International workshop ISTC Baikal 2006 p 44-46

3 OA Bukin, A N Pavlov, J N Kulchin, К A Shmirko, P A Salyuk, S.Y. Stoluarchuk, Aerosol dynamics above the water area of the Peter the Great Bay during the dust storm in the Gobi desert // Proceedings of SPIE, 13th Joint International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics/ Atmospheric Physics -2006 -V 6522 - 652218

4 О А Букин, С.Ю.Столярчук. Лидар для измерения статистических характеристик обратнорассеянного света в атмосфере Тезисы Всесоюзной конференции "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле" Хабаровск 1987 с 235

5 В А Тяпкин, В H Лысун, О А Букин, Стопярчук С.Ю. Малогабаритный блок питания твердотельного лазера и оптического усилителя Приборы и Техника Эксперимента, №21,1986, с 176-178.

6 В Г Бородин, О А Букин, С.Ю.Столярчук, В А Тяпкин

Изменчивость профилей влажности воздуха над океаном по данным лидарно-го зондирования Известия АН СССР, Физика Атмосферы и Океана, №3, 1985, 324-327

7 В Г Бородин, О А Букин, С.Ю.Столярчук, В А Тяпкин Обнаружение условий волноводного распространения УКВ над морем с помощью лидара Радиотехника и Электроника,Т.ХХХ,№6,1985,с.1219-1221.

8 УХ Копвиллем, О А Букин, В M Чудновский, Столярчук С.Ю., Тяпкин В А Вынужденное комбинационное рассеяние назад на водяном аэрозоле в атмосфере Оптика и Спектроскопия, т.59, вып.2, с.306-310,1985

9 О А Букин, С.Ю Столярчук, В А Тяпкин Измерение прс)филей влажности в нижнем слое атмосферы методом спектроскопии спонтанного комбинационного рассеяния света Журнал Прикладной Спектроскопии,T.XLII,№4,1985,с.631-636.

10 U Н Kopvillem, О A Bukin, S.Yu.Stolyarchuk, V A Tyapkin, VI Chudnovsky Amplification of the stimulated Raman backscattering on the water aerosols in the atmosphere 12-th Conference Coherent and Nonlinear Optic Abstracts Moscow, USSR, 1985,p 170-171

11 О А Букин, В А Тяпкин, С.Ю.Столярчук Измерение концентрации жидкой фазы воды в атмосфере методом спектроскопии КР В сборнике "Переходные явления в океане, гидросфере, атмосфере и литосфере" Владивосток 1985 с 41-44

12 О А Букин, С.Ю. Столярчук, В А Тяпкин Измерение спектров КР жидкой фазы воды в атмосфере Труды VIII Всесоюзного Симпозиума по Лазерному и Акустическому Зондированию Атмосферы, Томск,1984,с 143

13 О А Букин, С.Ю. Столярчук, В А Тяпкин, Б М Шевцов О возможности статистического описания обратнорассеянного света в атмосфере Труды VIII Всесоюзного Симпозиума по Лазерному и Акустическому Зондированию Атмосферы, Томск, 1984,с 44

14 О А Букин, УХКопвиллем, С.Ю.Столярчук, В А Тяпкин Исследование спектров комбинационного рассеяния атмосферных газов Журнал Прикладной Спектроскопии, t.XXXVIII, вып.5, 1983, с.776-778.

15 О А Букин, С.Ю.Столярчук, В А Тяпкин Метод отбора фотоумножителей для регистрации слабых световых потоков Приборы и Техника Эксперимента, №5,1982, с.144-145.

16 А В Алексеев, О А Букин, У X Копвиллем, Столярчук С.Ю , Тяпкин В А Прохождение пикосекундных импульсов в атмосфере Тезисы докладов 10 Всесоюзной конференции по Высокоскоростной фотографии и метрологии быстропротекающих процессов Москва 1981 с 144

17 О А Букин, С.Ю.Столярчук, В А Тяпкин Зондирование атмосферы лазерным локатором В сборнике "Когерентные методы в акустических и оптических измерениях" Владивосток 1981 с 20-24.

18 О А Букин, С.Ю.Столярчук, В А Тяпкин Дистанционный лидарный контроль некоторых параметров атмосферы Всесоюзная конференция "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле" Тезисы докладов,Хабаровск 1981 с 9

19 О А Букин, В А Тяпкин, УХКопвиллем, С.Ю.Столярчук СКР лидар для исследования газового состава атмосферы ДЕПОН ВИНИТИ №5471-81

Столярчук Сергей Юрьевич

Спектроскопия комбинационного рассеяния жидко-капельной и газообразной фаз воды в атмосфере.

01 04 05 - Оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано к печати 11 04 2007 г Уч -изд л 1,0 Уел печ л 1,5 Формат 60x84/16 Тираж 100 экз Заказ №

Отпечатано в издательско-полиграфическом комплексе МГУ имени адмирала Г И Невельского 690059, г Владивосток, ул Верхнепортовая, 50а

Введение.

Глава I. Особенности спектров КР жидко-капельной и газообразной воды в атмосфере.

1.1. Комбинационное рассеяние света в атмосфере.

1.2. Распространение лазерного излучения в атмосфере, содержащей жидко-капельную воду

1.3. Особенности спектров КР воды в жидко-капельном состоянии, на границах раздела фаз, конденсированных состояниях и в атмосфере.

1.4. Выводы по главе.

Глава II. Лидарные комплексы для исследования спектров КР атмосферы.

2.1. Анализ параметров лидарных систем.

2.2. Стационарный лидар для регистрации спектров КР и измерения концентрации основных газовых составляющих атмосферы.

2.3. Судовой лидар КР.

2.4. Выводы по главе.

Глава III. Экспериментальные исследования спектров КР жидко- капельной воды в атмосфере.

3.1. Спектры КР чистой атмосферы и уровни флуоресценции водного аэрозоля в атмосфере.

3.2. Распространение мощного лазерного излучения в атмосфере, содержащей жидко-капельную воду.

3.3. Спектры КР водного аэрозоля.

3.4. Встречное вынужденное комбинационное рассеяние на водном аэрозоле в атмосфере.

3.5 Выводы по главе.

Глава IV. Использование КР спектроскопии для исследования полей влажности в нижней атмосфере.

4.1. Измерение вертикального распределения паров воды.

4.2. Учет особенностей спектров КР жидко-капельной фазы воды при измерении высотных распределений концентрации водяного пара.

4.3. Использование лидарной спектроскопии КР для исследования динамики паров воды над океаном.

4.4. Спектроскопия КР в исследовании условий распространения радиоволн над морской поверхностью.

4.5. Выводы по главе.

Вода, присутствующая в атмосфере в газообразной и жидкой фазе, является самым изменчивым её компонентом, который оказывает существенное влияние на планетарную жизнедеятельность. Фазовые переходы воды обеспечивают обменные энергетические процессы между океаном и атмосферой, которые в значительной степени определяют глобальные климатические условия [1]. Водяной пар является одним из парниковых газов и поглощение электромагнитных волн парами воды существенно влияет на радиационный баланс планеты. С другой стороны, в атмосфере присутствует жидкая фаза воды в виде капельного аэрозоля, который участвует в общем процессе воздействия атмосферного аэрозоля на ■радиационный баланс Земли путём рассеяния и поглощения солнечной радиации, а так же счёт модификации свойств облаков [2].

В настоящее время большая доля оперативной информации о процессах взаимодействия океана и атмосферы получается с помощью спутниковых измерительных комплексов [3]. Измерения интегрального по высоте содержания водяного пара проводится с использованием пассивных спутниковых измерителей и систем глобального позиционирования [4]. Однако на измеряемые из космоса характеристики излучения большое влияние оказывают подстилающая поверхность и пограничный слой атмосферы, в котором содержится большая доля водяного пара, подверженная значительным вариациям. В связи с этим возникает необходимость развития методов, позволяющих проводить дистанционные измерения высотного распределения концентрации паров воды. Задачи совершенствования систем получения и передачи информации, локации подвижных объектов, создания приборов, управляемых на расстоянии, требуют всестороннего изучения условий распространения электромагнитных волн различных диапазонов в атмосфере и установления связи между измеряемыми метеорологическими параметрами и особенностями распространения излучения в атмосферном канале. Одним из важных аспектов изучения механизмов распространения электромагнитных волн является оперативное обнаружение, учет и использование продолжительных отклонений состояния воздушной среды от среднего для целей передачи и получения информации. Такие отклонения наиболее характерны для пограничного слоя атмосферы (ПСА), в котором пространственно-временное распределение метеорологических параметров существенно зависит от подстилающей поверхности [5]. Наиболее выражено эти особенности проявляются в пограничном слое атмосферы над морской поверхностью. Недостаточность данных о структуре ПСА над океаном объясняется, в основном, трудностью метеоизмерений в первых сотнях метров атмосферы над океаном традиционными аэрологическими методами. Для детального изучения этого слоя требуются новые методы и аппаратура, способная оперативно измерять распределение основных метеопараметров с разрешением по высоте от морской поверхности до верхней границы атмосферного пограничного слоя. Традиционные аэрологические методы этим требованиям удовлетворяют не в полной мере, так как с помощью радиозондов нельзя восстановить вертикальный профиль с хорошим пространственным разрешением. Кроме того, датчики температуры и влажности радиозондов инерционны, показания датчиков температуры могут искажаться при контакте с жидкой фазой атмосферной влаги [6-8].

К сказанному выше необходимо добавить, что для решения широкого круга задач необходимо регистрировать наличие жидкой фазы воды в атмосфере, определять начало фазовых переходов из газообразного состояния в жидкую фазу и измерять концентрацию жидкой фазы воды в атмосфере. Это дает основание говорить о необходимости разработки оперативных, дистанционных методов мониторинга полей влажности в приводном слое атмосферы, которые обеспечивают необходимое пространственное и временное разрешение, а также позволяют изучать динамику фазовых переходов воды в атмосфере.

Наиболее перспективными методами получения оперативной информации о пространственном распределении основных метеорологических параметров в нижнем слое атмосферы являются методы лидарного зондирования [9,10]. Традиционная техника лазерного зондирования основана на интерпретации пространственно-временного изменения сигнала упругого рассеяния в исследуемой среде на одной или нескольких частотах оптического диапазона [11]. В последние десятилетия отмечается закономерная тенденция к расширению диапазона использования линейных и нелинейных, так называемых, трансспектральных процессов, проходящих с переизлучением в исследуемой среде на других частотах [12]. Наиболее практически значимыми являются процессы спонтанного комбинационного (рамановского) рассеяния [13,14] и лазерно-индуцируемой флуоресценции [Ю, 15].

Эти методы позволяют дистанционно, не внося возмущения в исследуемую среду, измерять с помощью лидаров вертикальное распределение влажности, температуры, давления, регистрировать наличие капельной влаги, в слое атмосферы толщиной до десяти километров с пространственным разрешением до 50 метров, как с наземных станций, так и с борта судна или самолёта [16-18].

В настоящее время известны такие методы определения влажности атмосферы с помощью лидаров, как метод регистрации интенсивности сигнала обратного аэрозольного рассеяния [19-24], метод резонансного дифференциального поглощения лазерного излучения молекулами воды [2528] и метод регистрации интенсивности обратного комбинационного рассеяния света в спектральном интервале, соответствующем рассеянию на молекулах водяного пара [6,13,16,29 - 37].

Первый из этих методов основан на регистрации интенсивности сигнала обратного рассеяния, который увеличивается за счёт конденсации влаги на аэрозолях при повышении влажности атмосферы. Эта же зависимость используется для оценок концентрации капельной влаги по измеренной метеорологической дальности видимости [38]. Хотя корреляция между этими явлениями многократно подтверждалась экспериментально, что послужило основанием для разработки процедур вычисления влажности по данным лидарного зондирования и водности по измерениям метеорологической дальности видимости, её нельзя считать достаточной для создания корректной вычислительной схемы в силу многообразия факторов, влияющих на величину сигнала обратного рассеяния.

Для корректного решения этой задачи требуется учёт микроструктуры аэрозоля и всей совокупности температурных, ветровых и конденсационных процессов, что практически трудно осуществимо. Поэтому данный метод применим лишь для получения качественной картины изменчивости влажности и для грубых оценок водности атмосферы, а также в качестве вспомогательного при использовании прямых методов измерения.

Для определения концентрации паров воды по методу резонансного дифференциального поглощения зондирование проводится обычно на двух длинах волн. Причем одна из длин волн должна попадать в центр линии поглощения водяного пара, а другая должна располагаться вне линии поглощения. Так как длины волн при перестройке излучателя изменяются в небольших пределах, поэтому коэффициенты аэрозольного и молекулярного ослабления, входящие в расчетные соотношения, обычно принимаются равными. При совместном решении системы уравнений для сигналов обратного рассеяния можно исключить эти коэффициенты и получить выражение для расчета концентрации водяного пара по трассе зондирования. В настоящее время данный метод является самым чувствительным методом лидарного измерения пространственного распределения концентрации водяного пара в атмосфере. В ряде работ сообщается об измерении влажности атмосферы этим методом на высотах порядка 15 км [26]. Однако практическая реализация этого метода встречается с рядом трудностей. Для получения высокой точности измерений необходимо обеспечить ширину линии излучения на порядок меньше, чем ширина линии поглощения. Лазерный излучатель должен обладать хорошей стабильностью, с высокой скоростью и точностью должен перестраиваться из одного спектрального участка вне линии поглощения в спектральный участок, который точно совпадает с центром линии. Эти жесткие требования на характеристики зондирующего излучения приводят к довольно сложной конструкции излучателя лидара и системы контроля его параметров [24]. Кроме этого, для получения профиля концентрации, необходимо учитывать изменение полуширины линии поглощения с высотой и проводить расчёт на вычислительных машинах с применением регуляризующих алгоритмов. В последнее время при многочастотном зондировании для упрощения вычислительных процедур и повышения степени достоверности получаемой измерительной информации используют дополнительный измерительный канал, регистрирующий сигнал комбинационного рассеяния на атмосферном азоте [39-41].

Для абсолютной калибровки подобных лидарных систем используются оптические кюветы с высокой концентрацией измеряемого газа, размещаемые на определенном расстоянии от лидара, что в условиях морского эксперимента трудно осуществимо. Трудности эксплуатации и неоднозначность процедуры калибровки аппаратуры в связи с расчетом геометрического фактора [42, 43] делают данный метод малопригодным для оперативного получения информации об изменчивости влажности на высотах до двух километров мобильными лидарами в полевых условиях. Кроме этого, данный метод не позволяет проведение исследований фазовых переходов атмосферной влаги на одной лидарной установке.

Метод спектроскопии комбинационного рассеяния (КР) света, называемый в современной литературе также рамановским методом, основан на измерении интенсивности сигнала обратного рассеяния на молекулах воды, содержащихся в зондируемом объеме атмосферы. Этот метод не налагает жестких требований на длину волны и стабильность зондирующего излучения, поэтому техническая реализация излучателя лидара осуществляется значительно проще, чем в методе дифференциального поглощения. Возможность получения информации о различных составляющих атмосферы при использовании одного излучателя, однозначность и простота интерпретации данных зондирования при высокой информационной ёмкости спектров комбинационного рассеяния, относительная несложность аппаратурной реализации этого метода, часто являются определяющими факторами при выборе метода измерения высотного распределения концентрации водяного пара мобильными лидарными системами. Кроме этого, данный метод позволяет раздельно регистрировать жидкую и парообразную фазу воды в атмосфере, а по спектрам жидкой фазы позволяет отслеживать конденсационные процессы. Особенностью метода спектроскопии комбинационного рассеяния является малое сечение неупругого взаимодействия света с веществом. Это существенно ограничивает дальность зондирования влажности первыми километрами атмосферы для мобильных лидарных систем или десятком километров при отсутствии облачности для стационарных лидарных станций [44]. Таким образом, метод спектроскопии комбинационного рассеяния в наибольшей степени соответствует требованиям получения информации о пространственно-временном распределении влажности и водности в пограничном слое атмосферы над океаном при изучении его влияния на распространение электромагнитных волн различных диапазонов.

Таким образом, актуальность постановки данной работы обусловлена, как необходимостью исследования процессов взаимодействия лазерного излучения с жидко-капельной и парообразной фазами воды, находящимися в реальной атмосфере, так и решением практических задач, связанных с изучением процессов конденсации влаги в атмосфере, механизмов взаимодействия в системе океан-атмосфера, а так же условий распространения радиоволн и мощного лазерного излучения в приповерхностном слое атмосферы. Быстрое развитие оптических дистанционных методов зондирования, создание глобальной лидарной сети и широкое использование лидарных методов для мониторинга окружающей среды с целью решения фундаментальных и прикладных проблем в исследовании океана и атмосферы ставят задачу разработки оперативного и универсального метода исследования динамики полей влажности в нижнем слое атмосферы и исследования механизмов взаимодействия жидко-капельного атмосферного аэрозоля с лазерным излучением.

Цель работы

Целью данной работы являлось исследование физических процессов взаимодействия мощного лазерного излучения при его распространение в атмосфере, содержащей водный аэрозоль. Исследование возможностей метода спектроскопии комбинационного рассеяния для измерения концентрации водяного пара и жидкой фазы воды в атмосфере в нижнем слое атмосферы над океаном, создание аппаратурных комплексов для исследования динамики полей влажности в морской атмосфере, изучение динамики фазовых переходов воды.

В задачу исследований входило: 1. Провести исследования процесса распространения мощного лазерного излучения над морской поверхностью при наличии водного аэрозоля: провести измерения распределения интенсивности в спектральной полосе обратнорассеянного рамановского сигнала при различных концентрациях водного аэрозоля в атмосфере над морской поверхностью; исследовать полученные спектральные распределения с целью выделения спектрального интервала, подходящего для количественной диагностики жидкой фазы воды; определить степень вклада вынужденных процессов в сигналы комбинационного рассеяния;

2. Определить величины сигналов от КР жидкой фазы воды и сигнала широкополосной флюоресценции морского аэрозоля в спектральный интервал регистрации КР водяного пара в различных атмосферных условиях.

3. Разработать методику коррекции рамановского сигнала водяного пара при измерении в атмосфере, содержащей водный аэрозоль.

4. Провести разработку аппаратурного комплекса - стационарного и судового лидара КР, методики абсолютной калибровки двухканального КР лидара и осуществить пространственно - разрешенные измерения концентрации водяного пара в пограничном слое атмосферы над океаном.

Научная новизна. Впервые проведено измерение спектров КР водного аэрозоля в атмосфере, исследованы структурные особенности полученных спектров. Выявлены специфические особенности спектров водного аэрозоля, а также зависимость формы спектра от микрофизических параметров водного аэрозоля. Интерпретация полученных данных проведена в рамках теории вынужденного комбинационного рассеяния в водных каплях, которые нужно рассматривать не только как источники стоксовых фотонов, но и как резонаторы-усилители фотонов при их движении к источнику излучения.

Впервые проведены измерения величины сигнала широкополосной флуоресценции аэрозоля над морской поверхностью, которые позволили получить оценки минимально обнаружимых концентраций водяного пара, измеряемых методом спектроскопии КР.

Изучены угловые характеристики лазерного излучения пикосекундной длительности при его распространении в морской атмосфере, содержащей водный аэрозоль.

Впервые в рамановском спектре водного атмосферного аэрозоля зарегистрирована спектральная компонента комбинационного рассеяния, обусловленная несимметричными ОН-колебаниями молекул воды, находящихся на границе раздела пар - жидкость.

Практическая ценность работы состоит в возможности использования полученных результатов:

- в исследованиях распространения мощного лазерного излучения в реальной атмосфере и изучении вынужденных процессов, возникающих при взаимодействии с жидко - капельным аэрозолем;

- при измерении концентрации водного пара в атмосфере методов комбинационного рассеяния при наличии жидко - капельной влаги и морского аэрозоля;

- в исследованиях динамики полей влажности над морской поверхностью и решении задач взаимодействия океана и атмосферы и прогнозирования условий распространения радиоволн УКВ и СВЧ диапазонов над морской поверхностью

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Взаимодействие лазерного излучения с плотностью мощности более 0,5 ГВт/см2 на длине волны 532 нм при его распространении в атмосфере, содержащей водный аэрозоль, приводит к возникновению эффекта вынужденного комбинационного рассеяния.

2. Наличие вынужденного КР на водном аэрозоле приводит к изменению формы спектра КР жидкой фазы воды: наблюдается разрешение линий симметричного колебания - VI и второго обертона деформационного колебания - 2у2 , находящихся в резонансе Ферми; перераспределение интенсивности этих линий; смещение центров этих линий.

3. При распространении лазерных импульсов пикосекундной длительности с мощностью порядка 0,1 ГВт в атмосфере, содержащей жидко - капельный аэрозоль наблюдается значительное перераспределение плотности мощности в поперечном сечении лазерного пучка, обусловленное эффектом мелкомасштабной фокусировки.

4. Наличие сигнала широкополосной флуоресценции морского аэрозоля в атмосфере увеличивает значения минимально обнаружимых концентраций паров воды, регистрируемых методом спектроскопии КР.

5. Присутствие в атмосфере мелкодисперсного аэрозоля приводит к проявлению свободных несимметричных ОН колебаний с частотным сдвигом около 3750 см'1 в спектре комбинационного рассеяния воды, которые наблюдаются в виде разрешённого пика, либо в виде перегиба на длинноволновом крыле симметричных колебаний VI водяного пара.

4.5. Выводы по главе.

Методика калибровки двухканального рамановского лидара позволила проводить измерения абсолютных концентраций паров воды в атмосфере. Сравнение результатов лидарных измерений и результатов стандартных психрометрических измерений показало хорошую корреляцию, что позволяет говорить в высокой степени достоверности лидарных измерений. Разработанные аппаратные средства зондирования, методики абсолютной калибровки и коррекции результатов обеспечили проведение измерений высотного распределения паров воды в условиях морских экспедиций на ходу судна при волнении до трех баллов. При зондировании под углом к горизонту профиль влажности восстанавливался до высот порядка 1 км с пространственным разрешением 50 м и относительной погрешностью на уровне 15% при времени усреднения сигнала обратного рассеяния 15 минут. Продемонстрированы возможности дистанционной рамановской спектроскопии для исследования изменчивости полей влажности в морском пограничном слое атмосферы, процессов развития ночной конвекции и динамики задерживающего слоя. Проведены экспериментальные исследования по обнаружению и прогнозированию условий волноводного распространения УКВ излучения над морской поверхностью, позволяющие сделать заключение о перспективности применения дистанционной рамановской спектроскопии в этой области. Достоверность лидарных измерений параметров приподнятых волноводов подтверждена экспериментом по прямому радиопросвечиванию.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе были получены следующие основные результаты:

1. Разработан судовой лидар с излучателем на второй гармонике Ш:УАв, приемный двухканальный спектральный блок с дифракционной решеткой, позволяющий осуществить абсолютную калибровку с использованием сигнала рамановского рассеяния на атмосферном азоте, система регистрации сигнала в режиме счета фотоэлектронов, что обеспечило проведение измерения высотного распределения абсолютных концентраций водяного пара, уровней флуоресценции морского аэрозоля и спектров жидкой фазы воды в различных атмосферных условиях над морской поверхностью.

2. Разработанный метод отбора фотоумножителей, которые обладают наиболее высокими отношениями величин сигнала к шуму при регистрации слабых световых потоков в режиме счета, позволил определить оптимальные режимы питания для отобранных ФЭУ, что увеличило в несколько раз эффективность регистрации слабых сигналов комбинационного рассеяния от жидкой и газообразной фаз воды в атмосфере.

3. Проведены измерения уровней сигнала широкополосной флуоресценции морского аэрозоля в различных атмосферных и климатических условиях.

4. Исследованы особенности спектров КР жидкой фазы водных дымок, туманов и дождя. Они выявили существенные отличия распределения интенсивности в спектрах водного аэрозоля от спектров спонтанного комбинационного рассеяния жидкой воды, что позволяет говорить о проявления нелинейного взаимодействия водного аэрозоля и излучения с импульсной мощностью порядка или более 10 МВт, используемого при зондировании.

5. Проведены экспериментальные исследования распространения пикосекундного лазерного излучения с импульсной мощностью порядка 100 МВт над морской поверхностью в условиях образования водного аэрозоля. Наблюдаемые в эксперименте изменения углового распределения интенсивности в световом пучке обусловлены мелкомасштабной самофокусировкой за счет перераспределения плотности мощности по сечению пучка.

6. Наиболее вероятным нелинейным процессом в ближней зоне, в случае зондирования лазерными импульсами наносекундной длительности и импульсной мощностью порядка 10 МВт, который соответствует экспериментальным данным, является процесс встречного вынужденного рамановского усиления стоксовых фотонов в водных каплях, находящихся в поле накачки зондирующего импульса. ' ' • У

7. Методика калибровки двухканального рамановского лидара позволила проводить измерения абсолютных концентраций паров воды в атмосфере. Сравнение результатов лидарных измерений и результатов стандартных психрометрических измерений показало хорошую корреляцию, что позволяет говорить в высокой степени достоверности лидарных измерений. Разработанные аппаратные средства зондирования, методики абсолютной калибровки и коррекции результатов обеспечили проведение измерений высотного распределения паров воды в условиях морских экспедиций на ходу судна при волнении до трех баллов. При зондировании под углом к горизонту профиль влажности восстанавливался до высот порядка 1 км с пространственным разрешением 50 м и относительной погрешностью на уровне 15% при времени усреднения сигнала обратного рассеяния 15 минут.

8. Продемонстрированы возможности дистанционной рамановской спектроскопии для исследования изменчивости полей влажности в морском пограничном слое атмосферы, процессов развития ночной конвекции и динамики планетарного пограничного слоя.

9. Проведены экспериментальные исследования по обнаружению и прогнозированию условий волноводного распространения УКВ излучения над морской поверхностью, позволяющие сделать заключение о перспективности применения дистанционной рамановской спектроскопии в этой области. Достоверность лидарных измерений параметров приподнятых волноводов подтверждена экспериментом по прямому радиопросвечиванию трассы.

1. Краус Э. Б. Взаимодействие атмосферы и океана. Л., Гидрометеоиздат.1976.467 с.

2. Хргиан А.Х. Физика атмосферы. М., Наука. 1986. 670 с.

3. Лазерное зондирование из космоса. Под ред. В. М. Захарова. Л., Гидрометеоиздат. 1988. 215 с.

4. Ware R. Н., Alber С., Rocken С., and Solheim F. Sensing integrated water vapor along GPS ray paths. Geophys. Res. Lett. 24. 1997. 417-420.

5. Изменчивость физических полей в атмосфере над океаном. Под ред. B.C. Самойленко. М.: Наука. 1983. 168 с.

6. Cooney J.A. Comparison of water vapor profiles obtained by radiosonde and laser backscatter. J. Apll. Meteor, v. 10. 1970. 301-308.

7. Захаров B.M., Костко О. К. Метеорологическая лазерная локация. Л., Гидрометеоиздат. 1977.318 с.

8. Ferrare R.A., Melfi S.H., Whitteman D.N., Evans K.D., Schmidlin F.J., Starr D.O.C. A comparison of water vapor measurements made by Raman lidar and radiosondes. J. Atmos. Ocean. Tech. 12.1995.1177-1195.

9. Хинкли Э. Д. Лазерный контроль атмосферы. М., Мир. 1979. 482 с.

10. Межерис Р. Лазерное дистанционное зондирование. М., Мир. 1987.550с.

11. Креков Г. М., Кавкянов С. И., Крекова М. М. Интерпретация сигналов оптического зондирования атмосферы. Новосибирск, Наука. 1987.185 с.

12. Креков Г.М., Крекова М.М. Статистическое моделирование трансспектральных процессов при лазерном зондировании окружающей среды. I. Рамановское рассеяние. Оптика атмосферы и океана. 17. № 10 2004. 845-853.

13. Melfi S. H. Remote measurement of the atmosphere using Raman scattering. Appl. Opt. V 11.1972.1605-1610.

14. Whiteman D. N. Examination of traditional Raman lidar technique. Appl. Opt. 42. 2003. 2571-2608.

15. Gelbwachs J., Dirnhaum M. Fluorescence of atmospheric aerosol and lidar implications. Appl. Opt. 12.1973.2442-2447.

16. Mattis I., Ansmann A., Althausen D., Jaenisch V., Wandinger U., Muller D., Arshinov Y.F., Bobrovnikov S.M., Serikov I. B. "Relative-Humidity Profiling in the Troposphere with a Raman Lidar" Applied Optics-LP, v.41, Issue 30, 2002. 6451-6462.

17. Behrendt A. , Nakamura Т., Omshi M., Baumgardt R.,Tsuda T. Combined Raman lidar for measurement of atmospheric temperature, water vapor, particle extinction coefficient, and particle backscatter coefficient. Appl. Opt. 41.2002. 7657-7666.

18. Баланин Ю.С., Креков Г.М., Самохвалов И. В. Рахимов Р.Ф. К учёту влажности при лазерном зондировании аэрозоля. В кн.: Дистанционное зондирование атмосферы. Новосибирск. Наука. 1978. с.47-59.

19. Werner Ch., Herman Н. Lidar measurements of the vertical absolute humidity distribution in the boundary layer. J.Appl.Meteorol. v.20. № 4. 1981.476-481.

20. Маричев B.H., Самохвалов И.В., Соснин A.B. К методике измерения влажности в свободной атмосфере. В кн.: Дистанционное зондированиеатмосферы. Новосибирск. Наука. 1978. с. 137-140.

21. Иваненко Б.П., Маричев В.Н. Некоторые результаты лазерного зондирования поля влажности атмосферы. 5-й Всесоюзный симпозиум по лазерному и акустическому зондированию атмосферы: Тез. докл. часть 2. Томск. 1978. с.61-65.

22. Гладышев В.Г., Гуляев B.C., Кучьянов А.С. и др. Лазер для дистанционного зондирования атмосферы. В кн.: Аппаратура и методы дистанционного зондирования атмосферы. Новосибирск: СО. Наука. 1980. с.64-75.

23. Zuev V.E., Makushkin Yu. S., Marichev V.N. at all. Lidar differential absorption end scattering technique. Theory. Appl. Opt. v.22. №23.1983. 3733-3741.

24. Zuev V.V., Zuev V.E., Makushkin Yu. S., Marichev V.N. at all. Laser soundingof atmospheric humidity.1 Experiment. Appl. Opt. v.22. №23.1983.3742-3746.

25. Wulfmeyer V. Ground-based differential absorption lidar for water-vapor profiling: assessment of accuracy, resolution, and meteorological applications. Appl.Opt. 37.1998. 3804-3844.

26. Ismail S., Browell E. V., Ferrare R. A., Kooi S. A., Clayton M. В., Brackett V. G., and Russell P. B. LASE measurements of aerosol and water vapor profiles during TARFOX. J. Geophys. Res. 105. 2000. 99039916.

27. Melfi S.H., Laurence J.D., Mc Cormick J.M.P. Observation of Raman Scattering by water vapor in the atmosphere. Appl. Phys. Lett, v.15, №9.1969.p.34-36.

28. Koctko O.K. Хаттатов В.У., Крикунов Г.А. и др. Определение влажностиприземного слоя атмосферы лазерным локатором. Метеорология и гидрология. №12. 1975. с.95-98.

29. Cooney J.A. Remote measurements of atmospheric water vapor profiles using the Raman components of laser backscatter. J. Apll. Meteor, v.9. 1970. 182-184.

30. Leonard D.A. Observation of Raman scattering from the atmosphere using pulsed nitrogen ultraviolet laser. Nature, v.216. 1967.142.

31. Whiteman, D.N., S.H. Melfi, and Ferrare R.A. Raman lidar system for the measurement of water vapor and aerosols in the earth's atmosphere. Appl. Opt. 31. 1992.3068-3073.

32. Goldsmith J. E. M., Blair F. H., Bisson S. E. and Turner D.D. Turn-key Ramanlidar for profiling atmospheric water vapor, clouds, and aerosols. Appl. Opt. 37. 1998.4979-4981.

33. Sakai Т., Nagai Т., Nakazato M, Matsumura T. Raman lidar measurement ofwater vapor and ice clouds associated with Asian dust layer over Tsukuba. Japan. J. Geophys. Res. 31. 2004. L06128. doi:l0.1029/2003 GL0 19332.

34. Sherlock V., Hauchecome A.^ Lenoble J. Methodology for the independent calibration of Raman backscatter water-vapor lidar systems. App. Opt. 38. 27. 1999.5816-5837.

35. Vaughan G., Wareing D. P., Thomas L., Mitev V. "Humidity measurements in the free troposphere using Raman backscatter. Q. J. R. Meteor. Soc. 114. 1988.1471-1484.

36. Зуев В. E., Кабанов М. В. Перенос оптических сигналов в земной атмосфере. М.: Сов.Радио. 1977.

37. Veselovskii I., Barchunov В. Eximer-laser based lidar for tropospheric ozonemonitoring. Appl. Phys. B.68. 1999. 1131-1137.

38. Muller D., Wandinger U., Ansmann A. Microphysical particle parametersfrom extinction and backscatter lidar data by inversion with regularization simulation. Appl. Opt. V 38. 1999. 2358-2368.

39. Ansmann A., Riebessel M., WeitkampC., Voss E.,Lachmann W., Michaehs

40. W. Combined Raman elastic backscatter lidar for vertical profiling of moisture, aerosol extinction, backscatter and lidar ratio. Appl. Opt. 55 1992. 18-28.

41. Андреев Ю.М., Гейко П.П., Самохвалов И.В. Зондирование газовых загрязнений атмосферы методом дифференциального поглощения в ИК-области спектра. Оптика атмосферы и океана. 16, № 9 (2003). 783791.

42. Fiorani L., Durieux Е. Comparison among error calculation in differential absorption lidar measurements.Optics & Laser Technology.33(2001).371-377.

43. Креков Г.М., Крекова M.M. Об эффективности методов колебательно-вращательной рамановской спектроскопии при лазерном зондировании облачной атмосферы. Оптика атмосферы и океана.18, № 05-06, 2005. 471-481.

44. Гейнц Ю.Э., Землянов A.A., Зуев В.Е., Кабанов A.M., Погодаев В.А. Нелинейная оптика атмосферного аэрозоля. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 1999. 260 с. :

45. Глушков С.М., Панчин И.М., Фадеев В.В., Спектры KP при фазовом переходе вода-лед и лазерная диагностика гетерофазных водных систем. Квантовая электроника. 16, 1989. 843 852 .

46. Келих С. Молекулярная нелинейная оптика. М., Наука, 1981. 672 с.

47. Сущинский М.М. Комбинационное рассеяние света и строение вещества. М., 1981.

48. Сущинский М.М. Вынужденное рассеяние света. М, Наука, 1985.476 с.

49. Матвеев JI.T. Курс общей метеорологии. Физика атмосферы. Л., Гидрометеоиздат, 1984, 751с.

50. Даничкин С.А., Елисеев A.A., Попова Т.Н., и др. Параметры комбинационного рассеяния молекул газов. Журнал прикладной спектроскопии,35,в.4.1981, 581-586.

51. Елисеев A.A., Попова Т.Н., Раводина О.В. Определение эффективного сечения колебательного комбинационного рассеяния для молекул воды. Известия ВУЗов. Физика, 23, №7.1978. 33-36.

52. Кондиленко И. И., Коротков Н.А., Клименко В.А., Демьяненко О.П. Поперечное сечение КР колебательного спектра молекул воды в жидком и газообразном состоянии. Оптика и спектроскопия, т.43, в.4, 1977, 645-649.

53. Penney С.М., Stpeters R.L., Lapp М. Absolute rotational Raman cross sections for N2, 02, and C02. J.Opt.Soc.Am. 64, (1974).712-716.

54. Эйзенберг Д., Кауцман В. Структура и свойства воды. JL: Гидрометеоиздат. 1975. 344 с.

55. Walrafen G. Е. Raman spectral stadies of the effects of the temperature on water stracture. J. Chein. Phys., v.47. 1967. 114-126.

56. Scherer J. R., Go M. K., and Kint S. Raman spectra and structure of water from -10 to 90. deg. J.Phys.Chem.78, (1974).1304-1313.

57. Walrafen G. E. Raman spectral stadies of water structure. J. Chem. Phys. v.4011. 1964.3249-3256.

58. Юхневич Г.В. Инфракрасная спектроскопия воды. М.: Наука, 1973. 208с.

59. Walrafen G.E. and Elijah Pugh. Raman Combinations and Stretching Overtones from Water, Heavy Water and NaCl in Water. J.of Sol. Chem.V33, 1,2004.81-97.

60. Юхневич Г. В., Волков В. В. Полоса валентных колебаний и структура жидкой воды. Доклады Академии Наук. 353, № 4, 1997. 465-468.

61. Золотарев В.М., Морозов В.Н., Смирнова Е.В. Оптические постоянные природных и технических сред. 1984. 216 с.

62. Marshall В. R. and Smith R.C. Raman scattering and inwater ocean optical properties. Appl. Opt. 29, (1990). 71-84.

63. Slusher R. B. and Derr V. E. Temperature dependence and cross sections of some Stokes and anti-Stokes Raman lines in ice Ih. Appl. Opt. 14. (1975). 2116-2120.

64. Abe N. and Ito M. Effects of hydrogen bonding on the Raman intensities of methanol, ethanol, and water. J. Raman Spectrosc. 7, (1978). 161-167.

65. Ни C. and Voss K. J. In situ measurements of Raman scattering in clear ocean water. Appl. Opt. 36, (1997). 6962-6967 .

66. Faris G. W. and Copeland R. A. Wavelength dependence of the Raman cross section for liquid water. Appl. Opt. 36, (1997). 2686-2688.

67. Романов Н.П., Шуклин B.C. Сечение комбинационного рассеяния жидкой воды. Оптика и спектроскопия, т.38, 1975, 1120-1124.

68. Даничкин С.А., Самохвалов И.В. Влияние параметров оптических систем на характеристики лидара. Оптико-механическая промышленность, №5, 1979, с.5-8.

69. Ковалёв В.А., Игнатенко В.М. Экспериментальные исследования ,систематических искажений лидарных сигналов в ближней зоне. Изв. АН СССР, ФАО. т. 19,1983,36-42.

70. Pourny J.C., Renaut D., Orszag A. Raman Lidar humidity sounding of theatmospheric boundary layer. Appl. Optic, v.18, №8, 1979.1141-1148.

71. Зуев В.E., Кабанов М.В. . Оптика атмосферного аэрозоля. Л.:Гидрометеоиздат 1987. 367.

72. Wandinger U., Ansmann A., Reichardt J., and Deshler Т. Determinationof stratospheric aerosol microphysical properties from independent extinction and backscattering measurements with a Raman lidar. Appl. Opt. 34, (1995). 8315-8329.

73. Veselovskii I., Kolgotin A., Griaznov V., Muller D., Franke K., Whiteman D.N. Inversion of multiwavelength Raman lidar data for retrieval of bimodal aerosol size distribution. Appl.Opt. 43, (2004). 11801195.

74. Liou K.N. Influence of cirrus clouds on weather and climate processes.

75. A global perspective. Mon. Weather Rev. V 114. 1986.1167-1195.

76. Wandinger U. Multiple-scattering influence on extinction and backscatter-coefficient measurements with Raman and high-spectral-resolution Iidars. Appl. Opt. V. 37. 1998. 417-427.

77. WengenmayerM., Cheng A.Y.S., Volger P., Oppel U.G. Raman Lidar multiple scattering. Proc. SPIE. V. 5059.2003.200-211.

78. Reichardt J. Error analysis of Raman differential absorption lidar ozone measurements in ice clouds. Appl. Opt. V. 39. 2000. 6058-6071.

79. Bruscaglioni P., Gai M., Ismaelli A. Molecular lidar and Mie multiple scattering. Proc.of MUSCLE 10, Florence, 1999. 206-212,

80. Веселовский И.А. Многоволновая и рамановская дистанционная лазерная диагностика аэрозольных и газовых составляющих атмосферы. Докторская диссертация. ИОФАН им. A.M. Прохорова. М., 2005. 385.

81. Креков Г.М., Крекова М.М. Об эффективности методов колебательновращательной рамановской спектроскопии при лазерном зондировании облачной атмосферы. Оптика атмосферы и океана, т. 18, №5-6, 2005, 471481.

82. Sherlock V., Hauchecorne A., LenobleJ. Methodology for the independent calibration of Raman backscatter water vapor lidar systems. Appl. Opt. V 38. 1999. 5816-5837.

83. Berger L., Skupin S., Lederer F., Mejean G., Yu J., Kasparian J., Salmon E.,

84. Wolf J.P., Rodriguez M., Woste L., Bourayou R., Sanerbrey R. Multiple fila-mentation of terawatt laser pulses in air. Phys. Rev. Lett. V. 92. N 22. 2004. 225002:1-4.

85. Hosseini S.A., Luo Q., Ferland В., Liu W., Chin S.L., Kosareva O.C, Panov N.A., Akozbek N., Kandidov V.P. Competition of multiple filaments during the propagation of intense femtosecond laser pulses. Phys. Rev. A. V. 70. N 3. 2004. 033802:1-12.

86. Кандидов В.П., Милиции В.О. Интенсивность светового поля и концентрация электронов лазерной плазмы в капле водного аэрозоля при воздействии фемтосекундного импульса. Геометрооптический анализ. Оптика атмосферы и океана. Т. 17. № 1.2004. 54—62.

87. Гейнц Ю.Э., Землянов А.А., Чистякова Е.К. Вынужденное комбинационное рассеяние света изолированными прозрачными каплями. Оптика атмосферы и океана. 7, (1994). 914-927.

88. Землянов А.А., Гейнц Ю.Э. Спонтанная флуоресценция молекул из микрочастицы, инициированная лазерными импульсами. Оптика атмосферы и океана. 18. № 1-2. 2005. 61-69.

89. Courvoisier F., Boutou V., Kasparian J., Salmon E., Mijean G., Yu J., Wolf J.P. Ultra intense light filaments transmitted through clouds. Appl. Phys. Lett.1. V. 83. N2.2003.213-215.

90. Kolesik M., Moloney J.V. Self-healing femtosecond light filaments. Opt. Lett.

91. V. 29. N 6. 2004. 590-592.

92. Кандидов В.П., Милиции В.О. Формирование множества филаментов в мощном фемтосекундном лазерном импульсе в условиях дождя. Оптика атмосферы и океана, т. 19, № 9 (2006). 765-772.

93. Беспалов В.И., Таланов В.И. О нитевидной структуре пучков света в нелинейных жидкостях.Письма в ЖЭТФ. З.В. 12. 1966.471-475.

94. Милиции В.О., Кузьминский Л.С., Кандидов В.П. Стратифицированная модель распространения мощного фемтосекундного лазерного излучения в атмосферном аэрозоле. Оптика атмосферы и океана. Т. 18. 10. 2005. 880-886.

95. Бочкарев Н.Н., Кабанов A.M., Погодаев В.А. Оптоакустика канала распространения мощного импульсного лазерного излучения в атмосфере. Оптика атмосферы и океана. 16, № 9 (2003). 816-821.

96. Зуев В.В., Землянов А.А., Копытин Ю.Д. Нелинейная оптика атмосферы JL, Гидрометеоиздат. 1989.256 с.

97. Землянов А.А., Гейнц Ю.Э. Резонансное возбуждение светового поля в слабопоглощающих сферических частицах фемтосекундным лазерным импульсом. Особенности нелинейно оптических взаимодействий. Оптика атмосферы и океана. 14, №5, "2001, 349-359.

98. Hill S.C., Boutou V., Yu J., Ramstein S., Wolf J.P., Pan Y., Holler S. and Chang R. K. Enhanced backward-directed multiphoton excited fluorescence from dielectric microcavities. Phys. Rev. Lett. V85, N 1, 2000, 54-57.

99. Boutou V., Favre C., Hill S.C., Zimmer W., Krenz M., Lambrecht H., Yu J.,

100. Chang R. K., Woeste L. and Wolf J.-P. White light nanosource with directional emission. Phys. Rev. Lett. V 89. N3,2002. 03500:2-1.

101. Boutou V., Favre C., Hill S.C., Pan Y.L., Chang R.K., Wolf J.P. Backward enhanced emission from multiphoton processes in aerosols. Appl. Phys. B. 75 N2-3. 2002. 145-152.

102. Землянов A.A., Гейнц Ю.Э., Панина E.K. Угловое распределение интенсивности многофотонно возбужденной флуоресценции от сферической частицы: геометрический подход. Оптика атмосферы и океана. 17, № 10 (2004). 835-840.

103. Kennedy Р.К , Boppart S.A , Hammer D.X., Rockwell В.A., Noojin

104. G.D. and Roach W.P. A first order model for computation of laser-induced breakdown threshold in ocular and aqueous media. IEEE. J. Quantum.Election. V 31. N12. 1995. 2250-2256.

105. Землянов А.А., Гейнц Ю.Э. Пороги оптического пробоя прозрачной микрочастицы в нано, пико и фемтосекундном диапазонах длительностей лазерных импульсов. Оптика атмосферы и океана. 17, №4. (2004). 306-311.

106. Землянов А. А., Гейнц Ю. Э. Нестационарное упругое линейное рассеяние света на сферических микрочастицах. Оптика атмосферы и океана. 15. № 8,2002.684-692.

107. Fan С.Н., Sun J., Longtin J.P. Breakdown threshold and localized election density in water induced by ultrashort laser pulses.J. Appl.

108. Phys. V 91. № 4. 2002. 2530-2536.

109. Chylek P., Jarzembski M.A., Snvastava V., Pinnick R.G., Pendleton J.D., Cruncleton J.P. Effect of spherical particles on laser induced breakdown of gases. Appl. Opt. V 26. № 5. 1987.760-762.

110. Talebpour A., Yang J., Chin S.L. Semi empirical model for the rate of tunnel ionization of N2 and O2 molecule in an intense Ti sapphire laser pulse. Opt.Comm. V 163.1999. 29-32.

111. Vogel A., Noack J., Nalien K., Theisen D., Busch S., Parhtz U., Hammer D.X., Noojin G.D., Rockwell B.A., Birngruber R. Energy balance of optical breakdown in water at nanosecond to femtosecond time scales. Appl. Phys.B. V 68. 1999. 271-280.

112. Tzeng H.M.,. Wall K.F., Long M. B. and Chang R. K. Evaporation and condensation rates of liquid droplets deduced from structure resonances in the fluorescence spectra. Opt. Lett. 9,1984. 273-275,

113. Thurn R., Kiefer W. Structural resonances observed in the Raman spectra of optically levitated liquid droplets. Appl. Opt. 24, (1985). 1515-1519.

114. Shweiger G. Raman scattering on microparticles: size dependence. J.Opt.Soc.Am. В 8, (1991).l770-1778

115. Chylek P., Kiehl J.T., Ко M.K.W. Stimulated Raman Scattering and CARS in liquid droplets. Appl. Opt. V. 17. N. 19. 1978. 3019-3021.

116. Biswas A., Latifi H., Armstrong R.L., Pinnik R.G. Double resonance stimulated Raman scattering from optically levitated glycerol droplets. Phys. Rev. В. V 40. N 12. 1989.7413-7416.

117. Першин С. M. Спектроскопия комбинационного рассеяния колебаний ОН-групп структурных комплексов жидкой воды. Оптика и спектроскопия. 98. № 4. (2005). 594-605.

118. Allen Н.С., Raymond Е.А., Richmond G.L. Surface structural studies at air/aqueous solution interfaces using VSF spectroscopy. J. Phys. Chem. A. 2001 V. 105. P. 1649-1655.

119. Schnitzer C, Baldelli S., Campbell DJ., Shultz MJ. The Analysis of Interference Effects in the Sum Frequency Spectra of Water Interfaces.2 J. Phys. Chem. A. 103.1999. 6383-6394.

120. Du Q., Superfine R., Freysz E., Shen Y.R. Vibrational Spectroscopy of Water at the Vapor/Water Interface Phys. Rev. Lett. V. 70. 15. 1993. 2313-2316.

121. Richmond G.L. Molecular bounding and interaction at air/aqueous Surfaces as probed VSF spectroscopy. Chemical Rev. 102. 2002. 2693-2724.

122. Бункин А.Ф. Нурматов А.А. Четырехфотонная спектроскопия низкочастотных вращательных резонансов молекул Н20 в жидкой фазе. Оптика и спектроскопия. 97. №2. 2004. 198-201.

123. Землянов А.А., Гейнц Ю.Э. Генерация вынужденного комбинационного рассеяния света в сферической микрочастице. Оптика атмосферы и океана. 15, № 12 (2002). 1088-1094.

124. Lin Н.В., Eversole J.D., Campillo A.J. Continuous wave stimulated Raman scattering in microdroplets. Opt. Lett. V 17. N1 1. 1992. 828830.

125. Vehnng R., Schweiger G. Threshold of stimulated Raman scattering in microdroplets. J. Aerosol Sci. V 26. 1995,235-236.

126. Whiteman D.N., Melfi S. H. Cloud liquid water, mean droplet radius and number density measurements using a Raman lidar. J. Geophys. Res., 104,(1999). D2431411-31419.

127. Melfi S.H., Evans K.D., Jing Li, Whiteman D., Ferrare R., and Schwemmer G. Observation of Raman scattering by cloud droplets in the atmosphere. Appl.Opt. 36, (1997).3551-3563.

128. Rizi V., Iarlori M., Rocci G., Visconti G. Raman lidar observations of cloud liquid water. Appl. Opt. 43, (2004). 6441-6453

129. Романов Н.Г., Шуклин B.C. О выборе длины волны лидара для определения водности облаков и туманов с помощью комбинационного

130. V рассеяния света. Пятый* Всесоюзный симпозиум по лазерному, и акустическому зондированию атмосферы. Томск, 1978, тезисы докладов, ч.2, с.34-38.

131. Букин О.А., Столярчук С.Ю., Тяпкин В.А. Измерение профилей влажности в нижнем слое атмосферы методом спектроскопии комбинационного рассеяния света. Журнал прикладной спектроскопии, т. 10. №4.1985.631-636.

132. Ананьев Ю.А. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения. М.: Наука, 1979. 328 с.

133. Методы и средства контроля и юстировки оптических систем лазерных установок. М., ЦНИИАТОМИНФОРМ. 1975. 35 с.

134. Тяпкин В.А. Малогабаритный генератор импульсов для питания электрооптического затвора. Приборы и техника эксперимента.№8. 1987. 15-17.

135. Букин О.А., Копвиллем У.Х., Столярчук С.Ю., Тяпкин В.А. Исследование спектров КР атмосферных газов. Журнал прикладной спектроскопии. т.З 8,в. 5,1983,776-779.

136. Букин O.A., Тяпкин В.А., Копвиллем У.Х., Столярчук С.Ю. СКР лидар для исследования газового состава атмосферы. ДЕПОН ВИНИТИ. №5471-81

137. Букин O.A., Столярчук С.Ю., Тяпкин В.А. Дистанционный лидарный контроль параметров атмосферы. Всесоюзная конференция "Использование современных физических методов в неразрушающих исследованиях и контроле". Хабаровск 1981. с. 9-11. ■■

138. Копвиллем У.Х., Букин O.A., Чудновский В.М., Столярчук С.Ю., Тяпкин В.А. Эффекты вынужденного рассеяния при взаимодействии мощного лазерного излучения с водным аэрозолем в атмосфере. Препринт ДВНЦ АН СССР, ТОЙ. Владивосток. 1984.

139. У.Х. Копвиллем, O.A. Букин, В.М. Чудновский, Столярчук С.Ю., Тяпкин В.А. Вынужденное комбинационное рассеяние назад на водяном аэрозоле в атмосфере. Оптика и спектроскопия, т. 59. вып.2. 1985. 306-310.

140. Тяпкин В.А., Лысун В.Н., Букин O.A., Столярчук С.Ю. и др. Малогабаритный блок питания для твердотельного лазера и оптического усилителя. Приборы и Техника Эксперимента. №2.1986. с. 176-178.

141. Букин О.А., Столярчук С.Ю., Тяпкин В.А. . Метод отбора фотоумножителей для регистрации слабых световых потоков. Приборы и Техника Эксперимента. №5. 1982. с. 144-145.

142. Букин О.А., Лысун В.Н. Автоматизированная система регистрации однофотонных сигналов с фотоумножителей. Материалы Всесоюзной конференции "Использование современных физических методов в неразрушающем контроле и исследованиях" Хабаровск, 1987.С.236.

143. Крикун В.А., Майор А.Ю., Букин О.А. Многоканальный счетчик одноэлектронных импульсов с фотоэлектронных умножителей. Приборы и Техника Эксперимента, №3, 2006, 163-164.

144. Ветохин С.С., Гулаков И.Р., Перцев А.Н., Резников И.В. Одноэлектронные фотоприемники. М.Атомиздат. 1979.360 с.

145. Maior A.Yu, Krikun V.A.,. Pavlov A.N, Bukin O.A. Multi-channel photon counter. XIII International symposium. Atmospheric and océan optics. Atmospheric physics. Tomsk, 2006 p. 155.

146. Крикун B.A., Майор А.Ю., Букин O.A. Счетчик фотонов: пат. 47099 Рос. Федерация: МПК7 G 01 J 1 /заявитель и патентодержатель ТОЙ ДВО

147. РАН.-№2005109642/22; заявл. 04.04.2005; опубл. 10.08.2005, Бюл.№22.-5 с.

148. Gelbwach J.A., Birnbaum М., Tucker A.W. at all. Fluorescence determination of atmospheric NO2. Opto-Electronics, v.4, 1972, p.155-166.

149. Fouche D.G., Herzenberg A., Chang R.K. Inelastic photon scattering by a polyatomic molecule NO2. J. Appl. Phys., v.43, №9, 1972, 3846-3851.

150. Gelbwach J.A., Birnbaum M. Fluorescence of atmospheric aerosols and lidar implicanion. Appl. Optics v.12, №.10, 1973, 2442-2447.

151. M. А. Булдаков, А. А. Елисеев, Ю. Д. Копытин. Люминесценция твердых аэрозолей под действием лазерного излучения. В кн.

152. Проблемы оптики атмосферы. Новосибирск! Наука. 1983. с.74-81.

153. Кабанов М. В., Панченко М. В., Пхалагов К. А. и др. Оптические свойства прибрежных атмосферных дымок. Новосибирск.: Наука. Сиб. отд-ние, 1988. 201с.

154. М. К. Dheer, D. Madliavan, Rao D. Ramachandra. Stimulated Raman spectra of H20 and D20. Chem. Phys. Lett. v.32. 2. 1975. p.342-344.

155. Penzkoffer A., Zanbereau A., KaiserW. High intensity Raman interaction. Prog. Quant. Electron, v 6,1980, 55- 59.

156. Алексеев А. В., Букин О. А., Копвиллем У. X., Столярчук С.Ю., Тяпкин В.А. Материалы X Всесоюзной конференции «Высокоскоростная фотография и метрология быстропротекающих процессов». М.: Госстандарт, 1981, с. 87.

157. Ахманов С.А., Никитин С.Ю. Физическая оптика. М., Наука, 2004, 654 с.

158. Marburger J.H. Self-focusing: theory. Prog. Quantum Electron. V. 4. 1. 1975. 35-110.

159. Кандидов В.П., Косарева О.Г., Можаев Е.И., Тамаров М.П. Фемтосекундная нелинейная оптика атмосферы. Оптика атмосферы и океана. Т. 13. в. 5. 2000. 429-436.

160. Н. J. Colles, G. Е. Walrafen, К. W. Wecht. Stimulated Raman spectra from H20, D20, HDO, and solution in NaC104 in H20 and D20. J. Chem. Phys. v.4.10. 1970.116-124.

161. M. Sceats, A. Stuarts, J. E. Butler. The stimulated Raman scattering. J. Chem. Phys. v. 63.12.1975. 5390-5397.

162. Болыпов M.A., Голяев Ю.И., Днепровский B.C., Курминский И. И. Индикатрисса и спектры ВКР, возбуждаемые пикосекундными импульсами вжидкости. ЖЭТФ. т.52. в.2. 1962. 346-353.

163. Бобович Я.С., Борткевич А.В. Некоторые особенности КР в порошке нитроанилина и родственных соединениях. Оптика и Спектроскопия, т.25. в.5. 1968. 763-766.

164. С.К. Потапов Резонанс Ферми в случае вынужденного комбинационного рассеяния. Оптика и Спектроскопия, т.29. в.21. 1970. 419-421.

165. Ю. Ф. Аршинов, С. А. Даничкин. Влияние прозрачности атмосферы на точность измерения влажности по спектрам комбинационного рассеяния. Изв. АН СССР ФАО. 11. №4. 1975. 414-416.

166. Климаков Ю.М. Основы расчёта оптико-электронных приборов с лазерами. М., Радио, 1978, 262с.

167. Бородин В.Г., Букин О.А., Столярчук С.Ю., Тяпкин В.А. Изменчивость профилей влажности воздуха над океаном по данным лидарного зондирования. Изв. АН СССР. ФАО . №3. 1985. 324-327.

168. В. Г. Бородин, О. А. Букин, С. Ю. Столярчук, В. А. Тяпкин. Обнаружение условий волноводного распространения УКВ над морем с помощью лидара. Радиотехника и электроника, т.30. №6. 1985. с.1219-1221.

169. Bukin О.A., Pavlov A.N., Shmirko К.A., Krikun V.A., Stolyarchuk S. Yu. Atmosphere aerosol dynamics above Vladivostok during dust storm in the Gobi desert. Proceedings of International workshop ISTC Baikal. 2006. p. 44 -46.

170. Bukin O.A., Pavlov A.N., Kulchin J.N., Shmirko K.A., Salyuk P.A., Stoluarchuk S.Y., Aerosol dynamics above the water area of the Peter the Great Bay during the dust storm in the Gobi desert. Proceedings of SPIE, 13th

171. Joint International Symposium on Atmospheric and Ocean Optics/ Atmospheric Physics. 2006. - V. 6522. - 652218

172. WhitemanD. N. , Walrafen G. E. , Wen-Huang Yang, and S. H. Melfi. Measurement of an Isosbestic Point in the Raman Spectrum of Liquid Water by use of a Backscattering Geometry. Appl.Opt. 38, (1999). 26142615.

173. Avila G., Fernandez J., Mate В., Tejeda G., Montero S. Rovibrational Raman cross sections of water vapor in the OH stretching region. J. Mol. Spectr. 196, (1999).77.

174. Alimpiev S.S., Bukreev V.S., Vartapetov S.K., Veselovskii I.A., Kusakin V.I., Likhanskii S.V., Obidin A.Z. Spectrum narrowing, phase conjugation and compression of excimer laser pulses. J. Laser Physics 1,(1991 ) 261 -27ly ' ! ^'; ^ " . V- V' v

175. Малкус К. Крупномасштабное взаимодействие. В кн. Море. JL: Гидрометеоиздат. 1965. 312с.

176. Под ред. Каменковича В. М., Монина А. С. Океанология. Физика океана. Т.1. М.: Наука. 1978. с.456.

177. Метеорологические условия распространения ультракоротких радиоволн в атмосфере. Аннот. библиограф, указатель. ч.1. Обнинск. 1980. ч.2. Обнинск. 1982.

178. Башаринов А.Е. Кутуза Б.Г., Исследование радиоизлучения и поглощения облачной атмосферой в миллиметровом и сантиметровом диапазонах волн. Труды ГГО, вып. 222, Л., Гидрометеоиздат, 1986, с. 100-110.

179. Gaikovich К.Р., Markina N.N., Naumov А.Р., Plechkov V.M., Sumin M.I. Investigation of remote sensing possibilities . Intern. J. Remote Sensing, V.4,1983, 419-431.

180. Черный Ф.Б. Распространение радиоволн. M.: Сов.Радио. 1972. 464 с.

181. Н. Т. Dougherty, В. A. Mart. Resent progress inducts propagation prediction. IEEE Transaction, YAP -27, 4. 1979. 137-139.

182. Fedi F., Piccordi M., Rodino di Miglione. Zond distance UHF propagation over Mediterranean Sea. Alta Freq. V.42,11.1973, 564-571.

183. Clark P.J., Jenner P.J. Radar ducting in Mediterranean Sea. Mar. Observ. V49,263, 1979,13-15.

184. Bruce C. Garret. Ions at the Air/Water Interfase. Science, v 303. 2004. 1146-1147.