Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Возможности оперативного лидарного зондирования влагосодержания атмосферы

ВАК РФ 11.00.09, Метеорология, климатология, агрометеорология

Автореферат диссертации по теме "Возможности оперативного лидарного зондирования влагосодержания атмосферы"

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО НАРОДНОМУ ОБРАЗОВАНИЮ ЛЕНИНГРАДСКИЙ ГИДРОМЕТЕОРОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

ВОЗМОЖНОСТИ ОПЕРАТИВНОГО ЛИДАРНОГО ЗОНДИРОВАНИЯ ВЛАГОСОДЕРЖАНИЯ АТМОСФЕРЫ

Специальность 11.00.09 метеорология, климатология, агрометеорология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

На правах рукописи

ПЕТКОВ Боян Христозов

УДК 551 (501.816 + 501.771)

Ленинград 1990

*

Работа выполнена в Ленинградском гидрометеорологическом институте.

Научный руководитель —

заслуженный деятель науки и техники РСФСР, доктор физико-математических наук, профессор Л. Г. Качурин.

Официальные оппоненты —

доктор физико-математических наук, профессор А. Г. Горелик, кандидат физико-математических наук, с. н. с. В. С. Ежов.

Ведущая организация — Главная геофизическая обсерватория им. А. И. Воейкова.

на заседании специализированного совета К.ита. 19.01 Ленинградского гидрометеорологического института.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ленинградского гидрометеорологического института.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять ученому секретарю но адресу: 195196, Ленинград, Малоохтинский пр., 98, Ленинградский гидрометеорологический институт.

Автореферат разослан « 5-1 » 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета,

доцент А. А1. Догановский

Защита состоится

часов

Подписано к печати 12 октября 1990 г. Объем 1 п. л. Тираж 100. Зак. 592. Бесплатно.

Типография ВАС

религсткксЕ 5Д-.1ТШ

1В. I. ЯЛ;«»!!

Отдел уесертаций

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы, Лазерные методы зондирования находят псе более широкое применение при изучении атмосферы. Однако для использования лидеров при оперативном контроле метеорологических полей необходимо знать границы их применимости и суть явлений, происходящих при взаимодействии лазерного излучения с атмосферой.

Наиболее перспективны для изучения поля влажности и примесей в атмосфере лидарные системы, основанные на явлении комбинационного рессеяния света (КРС-лидярн).

Вода оказывает большое влияние на все процессы, происходящие в воздушной оболочке Земли. Поэтому информация о ее распределении и фазовых превращениях имеет большое значение для понимания атмосферных процессов.

Описанные п литературе лидарные зксперименты нацелены на определение статических параметров, характеризующих воду и водяной пар в атмосфере. До сих пор не ставился вопрос о лидарной индикации .фазовых превращений воды, без чего невозможно лидарное исследование динамики многих метеорологических явлений. Между тем термодинамически необратимые фазовые переходы "вода-лед" сопутствуют наиболее спаснш природным явлениям. Информация об эффектах, характерных для взаимодействия оптического излучения с необратимо кристаллиэуюцейся водой способствовала бы применению лидеров для предупреждения об опасных явлениях.

Цель работы. Теоретически рассмотреть принцип работы КРС-ли-дара и, оценив нсточниш ошибок метода измерения платности, определить реальную дальность действия подобных устройств.

Исследовать взаимодействие оптического излучения с термодинамически необратимо кристаллиэуюцейся водой, применительно к проблемам физики атмосферы и техники.

Методика исследований. На базе решения лидарного уравнения получены формулы для определения влажности атмосферы КРС-лидаро.7 и исследованы связи ме^ду параметрами прибора и точность измерения. Оценивалась реальная дальность действия КРС-лидаров.

На пкспериментальной установке исследовалось влияние термодинамически нео братимого фазового перехода "вода-лед" на трансформацию личейчо-полярияованного лазепного пучка. В лабораторных

условиях моделировалось прохождение линейно-поляризосанного лазерного сигнала через термодинамически необратимо кристаллизующееся

облако '(туман). ....... ~ '

■Научна? новизна работы. Наиболее существенные научные результаты сводятся к следующему:

- оценены реальные возможности оперативного дистанционного измерения влажности атмосферы с помощь'" КРС-лидаров;

- исследовано взаимодействие лазерного излучения с термодинамически необратимо кристаллизующимся слоем воды и обнаружено возникновение двойного лучепреломления, что имеет аналогию с эффектом Поккельса;

- исследована трансформация поляризационных характеристик света, прошедшего через термодинамически необратимо кристаллизующееся облако.

Практическая значимость работы. Результаты по оценке работы КРС-лидера могут лайти применение при.проектировании лидарных систем для измерения влажности атмосферы.

Результаты, полученные при исследовании трансформации поляризационных характеристик света при его взаимодействии с термодинамически необратимо кристаллизующимся слоем воды и аэрозоля, могут найти применение при интерпретации лидарных сигналов.

При оптическом зондировании окружающей среды поляризационные характеристики используются в качестве информационных. Взаимодействуя с облаками, туманами, ледяными покровами горных склонов и акваторий, они могут существенно трансформироваться. Необратимость же обычно сопутствует наиболее опасным природным явлениям.

Исследованный ясЬТект может быть использован одновременно э качестве новой информационной характеристики быстро протекающих процессов.

Явление трансформации оптических поляризационных характеристик должно наблюдаться и в ходе промь-лленных технологических процессов, в которых наблюдаются быстрые фазовые прекращения веществ.

Апробация работы. Результаты, представляющие предмет защиты, докладывались на Ш международной научной конференции "Оптика и лазерная техника" в Варне (Болгария, 1907 г.) и нп Советско-болгарском семинаре "Лазерные дистанционные методы и средства измерения и контроля параметров окружающей среды" (г.Москва, 1987 г.), а

так-ке обсуждались на семинарах кайедры Э5А ЛГМИ и в институте гидралогии .и метеорологии АН Болгарии.

Публикации. Одна статья'принята к публикации в 1990 г. в болгарском журнале "Метеорология и Гидрология", другая направлена в журнал."Доклада АН СССР".

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего б"? наименований. Общий объем диссертации составляет е., в том числе машинописного тексте, д таблиц, 2.4 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертационной работ», сформулирована цель исследования, описывается структура диссертации.

В первой гла&е выполнен обзор применений лидаров для измерения влажности атмосферы и кратко описанн основные электрокинетические оффекты при термодинамически необратимых фазовых переходах "вода-лед".

В начале перечислены все эффекты трансформации лидарных сигналов в результате взаимодействия излучения с атомами и молекулами, составляющими атмосферу, аэрозольными взвесями, примесями. Для измерения влажности воздуха, на сегодняшний день, применяется лидары, основанные на явлении комбинационного рассеяния и дифференциального поглощения света. Рассмотрены зти два метода, их преимущества и недостатки.

Преимуществом метода дифференциального поглощения света является сравнительно большое сечение поглощения ср""*). Однако, при применении метода возникают трудности в интерпретации данных, связанные с изменением формы контура линии водяного пара в зависимости от давления воздуха. Одновременно метод требует жесткой воспроизводимости длины волны лазерного источника; в противном случае возникают значительные ошибки в определении концентрации водяного пара.

Метод, основанной на явлении комбинационного рассеяния света, лишен жестких требований к стабильности излучения и перестройки частоты излучения лазера; В связи с этим техническая реализация

передающей части лидара много проще по сравнению с аналогичной аппаратурой, использующейся для определения влажности по дифференциальному поглощению лазерного излучения. Основным не, _>-статном метода являетсг малое поперечное сечение КРС ( ~ Ю~31см2. ср"1).

Дальше рассматривается термодинамически необратимый'фазовый переход "вода-лед" и возникающие при этом электрокинвтичес-кие эффекты. В ходе процесса в некоторых жидкостях на границе фаз возникает разность потенциалов 10 + 10*" В. В настоящее время следует признать установленными следующие положения, касающиеся этого явления:

1. Потенциал кристаллизации превышает по величине на 2-3 порядка потенциал равновесного двойного слоя, существующий на границе "вода-лед". 0

2. Потенциал кристаллизации наблюдается лишь при достаточной скорости движения фронта кристаллизации.

3. При кристаллизации равновесной дистиллированной воды лед заряжается положительно.

4. Потенциал кристаллизации оказывается чрезвычайно чувствительным к скорости замерзания, химической природе и концентрации примесей в воде, а также зависит от конкретных параметров эксперимента.

В ранее выполненных работах установлено, что коэффициент диффузии протонов в переходном слое составляет

И =• (3,6^0,5)-10~'' см^.с-^, а величина статической диэлектрической проницаемости 6 достигает аномально высоких значений (5,0 л 5,5)*1при кристаллизации воды с рН=б,2. Установлено, ' еще, что на высоких частотах ( ~ 10^ Гц) аномалии диэлектрической проницаемости хотя и сильно ослабевают в сравнении со статическими, все же остаются практически значимыми.

Поэтому следовало ожидать трансформации оптического излучения при взаимодействии с ■термодинамически необратимо кристаллизующимся "слоем воды;

Во второй главе теоретически оценивается эффективность измерения влажности атмосферы методом КРС. Описаны основы этого метода. Расчеты проведены применительно к конкретной схеме лидара, который разрабатывался на кафедре ЭФА ЛГШ.

Исследуемой лидар- имеет в качестве передатчика лазер на основе адюмоиттриевого гранато, легированного неодимом, излучающим на длине волны ^ = 1064 нм. Рабочей является вторая гармоника -

Л = 532 нм. Мощность лазерного импульсе составляет 4,5-Ю4 Вт. В качестве приемной антенны используется зеркальный объектив с пффективной площадью Приемником является ФЭУ-84-3. С

антенны сигнал отводится в ФЭУ посредством многожильного световода. Спектральная селекция осуществляется монохроматором УМ-2 и фильтром КС-10. Для количественной оценки влажности в качестье репейного сигнала использовался сигнал КРС молекулярного азота, концентрация которого в атмосфере меняется незначительно и обычно считается известной.

Для принятых параметров решено лидарное уравнение. Оценена мощность обратных сигналов - полезных и помех.

Для относительной влажности получено следующее выражение:

^^щ^зЩтЩт'г^ _ ПенМ

(I)

где / - относительная влажность, L - расстояние от лидара до исследуемого объема, Зу = 607 нм (КРС из Л/} ),

= 660 нм (КРС из НгО ), NNi - концентрация атомов азота, ( dä / du) )и - ( d& /du) )Hjt0 - поперечного сечения КГС из азота и води соответственно, Sf^J - относительная чувствительность ФЭУ, Т(Я) - прозрачность атмосферы для данной дли-

Т? - пропускание фильтра,

Т/

пропускание моно-

ны волны,

хроматора, ПеЫг , /1вНг0 - число фотонов, выбитых с фотокатода, от КРС-сигналов из азота и воды соответственно, а Я(р,Т) = 1,671'Ю*7 Е(Т)/р, где Е(Т) - давление насыщения водяного пара, р - атмосферное давление, Т - абсолютная температура.

Полагая, что электроны, выбитые с фотокатода, имеют пуасонов-ское распределение, для относительной ошибки определения влажности &f получаем:

и

JLül

пенг о

/77 Пе,

'k

1 + ZOL

I П

/77 П

где m - число лазерных импульсов, 2/7/ - число фотонов, выбитых из фотокатода сигналами помех.

Расчеты проводились при условии, что стробирующее устройство обеспечивает разрешение 50 м. В этом случае время приема Пеыг и пемго соответственно, и £.П( будет г'=1,67" Ю-7с.

Принимая в качестве критерия точности измерения влажности атмосферы при нормальных атмосферных условиях é 0,05*0,08, оценивается дальность действия лидера при разных параметрах.

Результаты показали, что при начальной мощности лазерного импульса PQ= 4,5"10^ Вт и эффективной площади приемной антенны (ЭППА) А = 4'Ю-2 м2, исследуемый лидер будет измерять относительную влажность на дистанции до £00*300 м при числе зондирующих импульсов m = 5*10^ + I,5'I04 и до 750 м при гп = 5'104.

ЭППА порядка Ю-2 м*"-обеспечивает измерение относительной влажности до 200 f 300 м, а увеличение ЭППА до Б'Ю"1 м2

увеличивает дальность до 600*800 м, при гп = 5'103 и Ра = 4,5'Ю4 Вт.

_р о

При ЭППА 440 м и m = 5'1С увеличение мощности импуль-л

са от 5'10 Вт до 5*10 Вт приводит к увеличению дальности действия от £00 м до 450 м. При мощности 5*10® Вт дальность действия будет выше 2000 м.

Третья глава посвящена изучению термодинамически необратимого фазового перехода '"во^а-лед" и его влияния на прошедшее оптическое излучение.

В начале исследовалось изменение кинетических параметров и их взаимосвязи. При необратимой кристаллизации начинают действовать электрокинетические факторы, более мощные, чем те, которые рассматриваются при изучении термодинамически обратимых процессов. У границы фаз концентрация ионов Н+ и ОН" отличается от равновесной. Как следствие возникает разность потенциалов (ра в тон-ком слое, прилежащем к границе фаз, названном возмущенным слоем.

Экспериментально•измеряются ход во времени потенциала и скорость продвижения фронта кристаллизации V . Теория позволяет определить ход во времени напряженности электрического поля Е0 , характерной толщины термодинамически и олектрически возмущенного слоя J} , другие параметры процесса.

р

В возмущенном слое порядка 10* мкм возникает электри-

ческое поле с напряженностью порядка I кВ'см-*. В соответствии с теоретическими представлениями о природе света, при такой напряженности следовало ожидать трансформации поляризационных характеристик светового пучка.

Это явлений исследовалось экспериментально. Источником света служил гелио-неоновый ла(3ер, излучающий линейно-поляризованный пучок на длине волт 632 нм. Луч лазера направлялся .перпендикулярно дну квдпетн, п которой проходил процесс кристаллизации. Проходя через фронт и зеркально отражаясь затем от дна кюветы, луч поступает в оптическую систему, пропускающую на фотоприемник только свет, поляризованный в направлении, которое задается поворотом призмы Николя. Сигнал регистрировался при помощи электронного осциллографа.

Опыты показали, что поляризация света, поступающего на фотоприемник,- трансформируется на-монотонно: процесс оказался периодическим с уменьшающейся частотой и затухающей амплитудой.

Если использовать аналогию с эффектом Поккельса. то подобная зависимость амплитуды выходного сигнала от времени мйжет наблюдаться, если во время опыта в ячейке Поккельса монотонно рас^т... тет длина модулятора I при изменяющейся напряженности модулирующего электрического поля. Если принять в первом приближении ^ = 2Р , то фазовый сдвиг между двумя взаимно перепендику-лярннми электрическими ччктор&ми световой волны равен

> (3)

гле <Х - постоянная исследуемого явления.

С другой стороны имеем:

<5"= 2ж(п0-пе)^- > (4)

где &п = па-п^ - разность коэффициентов преломления для обыкновенного и необыкновенного лучей.

В случае термодинамически необратимой кристаллизации роль ячейки, создающей фазовый сдвиг 3 , играет возмущенный слой. Но одновременно растущий слой льда вызывает деполяризацию сигнала. Происходит сложение двух процессов: эллиптической поляризации в возмущенном кристализукмцемся слое и деполяризации во льду. Вначале, пока толщина ледяного покрова невелика, преобладает первый из них; по мерз развития процесса кристаллизации роль второго возрастает и соответственно амплитуда колебаний монотонно уменьшается.

Допуская, по аналогии с эффектом Поккельса, что полученные пульсации описываются функцией 1031Пг$ , можно из (3) и (4) определить величины л. и 1лп/ , получив предварительно V» из эксперимента, а р из теоретического уравнения

(5)

где

у» 2 л вей

(6)

где О - количество неанигилирэваЕших протонов из прошедших через фронт кристаллизации в лед, К - константа Больцмана.

Средняя по шести сериям опытов постоянная оказалось равной

* = ( 0,198 - .0,005) рад.В'1 , (7)

о

а величина имеет порядок 10" .

Описанный выше эффект должен наблюдаться при взаимодействии линейно-поляризованного лазерного пучка с интенсивно кристаллизующимися аэрозолями. В этом случае идентификация трасформации усложняется по причине того, что хаотичны ориентация сигнала относительно фронта кристаллизации каждого элемента ансамбля аэрозоля, момент начала и интенсивность их кристаллизации.

В качестве основного информационного параметра теперь выступает амплитудно-частотная характеристика трансформации поляризации сигнала. Главными параметрами интенсивности кристаллизации оказываются температура аэрозоля Т и величина паррметра Яп5Т , где Я - вероятность образования гетерофазннх ледяных зародышей в единице объема распллва за единицу времени, Г - радиус пеоеохлажгенных капель.

Опнтн проводились в аэрозольной камере, позволяющей получать температуры до -30 + -6С°С. Туман создавался дозированным пуском перенасыщенного водяного пара. Измерительная система аналогична описанной визе.

Результаты показали, что амплитудно-частотные характеристики сигнала, полученного при разных температурах в аэрозольной камере, существенно отличаются друг от друга. Амплитуда сигнала, полученного при темепературе в холодильной камере порядка -Ю°С, в 4+5 раз меньше, чем при -40°С. Частота сигнала в первом случае тоже меньше частоты во втором. Это является следствием того, что при температурах порядка -40°С эффект необратимости проявляется сильнее, чем при -Ю°С, тем самым сильнее проявляется термодиэле-трический эффект и, как следствие, трансформация поляризационных характеристик света, прошедшего через кристаллизующиеся аэрозоли.

Это должно учитываться при интерпретации лидарннх сигналов и одновременно должно использоваться для определения стадии и интенсивности фазовых пзреходов в аэрозолях, тем самым - стадии развития облаков (туманов).

Заключение. Основные результаты, полученные в данной работе, могут быть сформулированы следующим образом:

1. Теоретически исследонанн^возможности применения КК!-ли-дара для измерения влажности атмосферы. Получено выражение, при помощи которого можно определить относительную влажность, имея результаты лидарннх измерений'КРС-сигналов воды и азота.

2. Для конкретной схемы лидара оценены погрешности измерения влажностиV Полученные результаты позволяют сделать вывод, что несмотря на небольшие поперечные сечения, комбинационное рассеяние света может быть эффективно использовано для измерения влажности атмосферы. Из результатов расчета следует, что исследуемый КРС-лидар, будет измерять влажность с достаточной точностью на расстоянии порядка 10"" м. Повышения дальности действия лидара на порядок можно добиться, увеличивая мощность лазерного импульса и элективную площадь приемной антенны.

3. Обнаружен неизвестный ранее эффект трансформации поляризационных характеристик света,прошедшего через термодинамически необратимо кристаллизуюшийся слой воды.В тонком кристаллизующемся слое,прилегагецем к фазовой границе,в режиме необратимости создается электрическое поле напряженностью порядка кВ'см-*.

В атом термодинамически и электрически возмущенном слое обнаружено пвойное лучепреломление света, что по своему воздействш на свет имеет аналогию с электрооптическим эффектом Поккельса.

Линейно-поляризованный оптический луч проходит через воду, практически не меняя своей поляризации; затем, после прохождения через возмущенный слой, преобразуется в эллептически-поля-ризованннй и далее, проходя через лед, частично деполяризуется.

Явление представляет практический интерес в связи с лазерным зондированием окружающей среды.

4. В лабораторных условиях моделировалось прохождение первоначально линейно-поляризованного лазерного сигнала через термодинамически необратимо кристаллизующееся облако (туман). Показано, что описанный олектрооптический эффект трансформации поляризационных характеристик света обнаруживается в аэрозолях по изменению амплитудно-частотных характеристик зондирующего лазерного сигнала.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Колев С., Захариев В., Петков Б. Определение возможностей лидарного исследования облачности//Оптика и лазерная техника: Докл.Ш науч.конф. с междукар,участием, Варна, 18-20 мая,1987: Оптика' 87. - София, 1987. - Т.2. - С.374-377.

2. Хазов Л.Д., Петков Б.Х. Возможности дистанционного измерения влажности атмосферы методом комбинационного рассеяния света (КРС-лидар) (Принята для публикации в болгарском журнале "Метеорология и Гидрология").

3. Качурин Л.Г., Песков Б.Х. Трансформация оптического излучения при прохождении через термодинамически необратимо кристаллизующийся слой вещества (Направлена в .журнал "Доклады АН

В стадии оформления авторское свидетельство на изобретения.

СССР").

Г