<<
>>

2.3.2. Физические явления, используемые для лазерного зондирования атмосферы

Взаимодействие лазерного излучения с составляющими атмосфе­ры характеризуется следующими основными физическими эффекта­ми:

- поглощением газами;

- молекулярным рассеянием;

- рассеянием и поглощением аэрозолями:

- резонансным рассеянием;

- комбинационным рассеянием;

- флуоресценцией атмосферных газов и аэрозолей;

- нелинейными эффектами.

Перечисленные явления могут рассматриваться независимо, что позволяет выбором параметров зондирующего излучения свести к минимуму тот или иной эффект или наоборот усилить по сравнению с другими для получения информации об атмосфере.

Поглощение молекулами атмосферных газов лазерного излучения, характеризующегося высокой монохроматичностью, наиболее выра­жено, когда линия лазерного излучения совпадает с селективной ли­нией поглощения атмосферного газа. Каждая линия полностью характеризуется положением центра, интенсивностью, полушириной и формой контура.

Положение центра в спектре частот определяется энергетическим расстоянием между двумя уровнями оптического перехода в кванто­вой энергетической структуре молекулы газа

hcvij=Ej-Ei

где h - постоянная Планка; с - скорость света; vij - частоты перехо­да; Еj –Еi - энергии соответственно нижнего и верхнего уровней. Ин­тенсивность спектральной линии записывается как интеграл от сече­ния поглощения по всем частотам

S =

В условиях земной атмосферы форма контура спектральной ли­нии определяется радиационным затуханием, эффектом Доплера и эффектами столкновения молекул.

Спектр поглощения молекулы атмосферного газа формируется ее энергетической структурой и является ее факсимильным отпечатком этой структуры.

Для водяного пара наиболее интенсивным является 6,25 мкм - полоса поглощения. Углекислый газ имеет совокупность полос погло­щения с центрами 15, 10,4; 9,4; 5,2; 4,8; 2,7; 2,0; 1,5; 1,4 мкм.

Шири­на всех полос около 0,1 мкм. Для озона полосами поглощения явля­ются полосы с центрами около 5,75; 4,75; 3,95, 3,25; 2,7 мкм. Наибо­лее интенсивной из них является полоса 4,75 мкм. Молекулярный кислород имеет сильные полосы в ультрафиолетовой области и отно­сительно слабые в красной области.

Три основные полосы поглощения двуокиси азота NО2: v1 = 1320,7см-1 (7,6 мкм); v2 = 749,5 см -1 (13,3 мкм) и v3 = 1513,9 см -1 (5,2 мкм) расположены в инфракрасной области спектра. Полосы поглощения окиси азота расположены в районах 5,3 мкм и 2.75 мкм. Сер­нистый газ имеет полосы поглощения с центром около 4.0: 7,3: 8.7:

19,3 мкм. В спектре поглощения метана имеются две очень интен­сивные полосы: v 1 = 3020,3 см -1 (3,3 мкм) и v 2 = 1305.2 см -1(7.7 мкм).

Флуоресценция представляет собой двухстороннее фотонное вза­имодействию, состоящее в поглощении отдельного фотона с частотой njК с последующим спонтанным испусканием фотона с частотой ntj.

Комбинационное рассеивание сопровождается обменом энергии электромагнитной волны с внутренней колебательно-вращательной энергией молекул. Поэтому частотный спектр комбинационного рас­сеяния представляется набором линий, смещенных относительно час­тоты падающего излучения в ту или другую сторону на величину. равную собственной частоте взаимодействующих молекул.

С помощью импульсных лазерных источников удается достигать высоких плотностей мощности лазерного излучения, при этом эффек­ты взаимодействия лазерного излучения с атмосферой приобретают нелинейный характер, когда сечения взаимодействий начинают зави­сеть от мощного лазерного излучения. Самыми низкими пороговы­ми значениями в чистой атмосфере, порядка 107 – 108 Вт/см2, облада­ют спектроскопические нелинейные эффекты, при достижении плот­ностей мощности 1013 - 1015 Вт/см2 происходит оптический пробой газов.

Запыленность атмосферы существенно снижает пороговые условия пробоя.

При лазерном дистанционном зондировании атмосферы реализуе­мые плотности мощности зондируемых импульсов обычно много меньше порогового значения, поскольку лазерные пучки, направляе­мые по трассе зондирования в атмосферу; как правило, предвари­тельно расширяют в коллиматорах для получения узкой диаграммы направленности, необходимой, во-первых, для более высокой изби­рательности исследуемых атмосферных объемов на конце трассы зондирования и, во-вторых, для снижения фоновых засветок в при­емной оптической системе, поле зрения которой выбирается в соот­ветствии с расходимостью лазерного пучка. Одновременно с тради­ционными схемами лазерного зондирования за последние десятиле­тия успешно развиваются методы, в которых используются нелиней­ные эффекты, существенно расширяющие возможности лазерного зондирования различных параметров атмосферы, включая загрязня­ющие ее компоненты.

<< | >>
Источник: М.А.Пашкевич. МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ КОНТРОЛЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ Конспект лекций. 2001

Еще по теме 2.3.2. Физические явления, используемые для лазерного зондирования атмосферы:

  1. 11.4.4 Внутренняя реконструкция и внешнее сравнение языковых явлений
  2. ОСНОВНЫЕ ЯВЛЕНИЯ ПАРАПСИХОЛОГИИ
  3. Сверхпроводящая техника.
  4. Глава 18. Защита от электромагнитных полей и лазерного излучения
  5. Приложение 2 М 2. МАССИВ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ И ЭФФЕКТОВ
  6. Гравиметрическая аппаратура, используемая для решения задач геодезии
  7. § 3. Организация контроля состоянияи загрязнения природной среды в городах
  8. 12.1. Квалиметрия как наука и ее роль для сертификации
  9. История исследований парапсихических явлений
  10. Показатели, используемые для выявления и оценки техногенного закисления поверхностных и грунтовых вод.
  11. Наноматериалы, их классификация