Оптическая диагностика атмосферы

 

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Приборостроительный факультет

Кафедра «Лазерная техника  и технология»

Группа 

 

 

 

 

Реферат

«ОПТИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА  АТМОСФЕРЫ»

 

 

 

 

 

Выполнила

 

 

 

 

Минск 2011

 

Содержание

Реферат…………………………………………………………………………….3

Введение……………………………………………………………………….......4

1.Строение атмосферы и  ее состав……………………………………………....6

1.1.Структура атмосферы………………………………………………………..6

1.2.Химический состав атмосферы………………………………………………8

2.Типовые приборы для  диагностики атмосферы………………………...…..10

2.1.Современные лидарные  системы и сети………………………………..…...10

2.2.Обобщенная схема лидара…………………………………………….…….11

Заключение…………………………………………………………………..……14

Список использованных источников…………………………………………...15

 

Реферат

В данной работе рассматриваются  актуальные проблемы связанные с диагностикой атмосферы. Приведена структура атмосферы и ее состав. В качестве типового прибора для оптической диагностики атмосферы приведен лидар. В данной работе описывается обобщенная его схема, современные сети и системы лидаров для измерения оптических характеристик аэрозольного слоя, и определения микроструктуру аэрозольных частиц. 

Введение

Человечество вступило в  фазу своего развития, которую следует  характеризовать как фазу борьбы за выживание. Стремительная индустриализация общества сопровождается столь же стремительным отрицательным воздействием на окружающую среду. Продолжают возрастать выбросы вредных веществ в атмосферу, гидросферу и на поверхность планеты. Стали однозначно ощутимы такие проблемы, как парниковый эффект, деструкция озонного слоя в стратосфере («озонные дыры») и эпизодические существенные повышения концентрации молекул озона в приземном слое атмосферы и в тропосфере в целом. Повышающаяся концентрация вредных веществ в атмосфере вызывает существенное воздействие на здоровье людей, на урожайность суши и океана, на биосферу планеты.

Трансграничные переносы загрязнений в окружающей среде  сделали проблему ее охраны главнейшей международной проблемой, успешное решение которой немыслимо без  использования соответствующих  средств диагностики. При этом особое значение приобретают задачи мониторинга атмосферы и как среды обитания человеками как основного переносчика загрязнителей в гидросферу и подстилающую поверхность.

Среди всех известных методов  мониторинга атмосферы, включая  всевозможные методы прямых контактных измерений ее параметров, а также  методы активного и пассивного дистанционного зондирования, несомненным преимуществом  обладают методы активного дистанционного зондирования с использованием лазерных источников излучения. Методы лазерного зондирования, и только они, обеспечивают получение профилей или полей различных параметров атмосферы с исключительно высоким временным и пространственным разрешением, обладая при этом рекордными концентрационными чувствительностями.

С другой стороны, подавляющее  большинство методов дистанционного зондирования основаны на решении некорректных обратных задач и, следовательно, они нуждаются в калибровке измерительных систем (лидаров) и их метрологическом обеспечении, наиболее надежный путь которого связан с соответствующими одновременными измерениями с помощью лидаров и контактных методов вдоль одной и той же измерительной трассы. В ряде случаев, когда не требуется доступное только лидарам высокое пространственно-временное разрешение, целесообразно, прежде всего с экономической точки зрения, применение пассивных дистанционных методов.

Таким образом, рассматривая проблему диагностики атмосферы в целом, следует подчеркнуть, что при ее решении должно быть реализовано целесообразное сочетание всего многообразия дистанционных и контактных методов измерений.

Система диагностики атмосферы, удовлетворяющая современным требованиям науки и практики, представляется состоящей из средств космического, самолетного, корабельного и наземного базирования. Она должна обеспечивать получение массивов количественных данных с требуемым пространственно-временным разрешением как по погодообразующим параметрам (давление, температура, ветер, влажность, облака, аэрозоли, газовые компоненты), так и загрязняющим компонентам, присутствующим как в глобальном, так и в региональном масштабе. Только в такой постановке задачи мониторинга атмосферы можно рассчитывать на существенное повышение надежности прогнозов погоды и одновременно загрязнения окружающей среды, включая наступление экологически опасных ситуаций и всевозможных катастрофических явлений.

 

 

1. Строение атмосферы и ее состав

Атмосфера Земли — это  сложная многопараметрическая система  с сетью прямых или опосредованных связей. В ее состав входят молекулярные и атомарные газы, а также частицы  аэрозолей, образующиеся в основном за счет космогенных факторов, геологической  и биологической активности планеты.

В последние десятилетия  все возрастающее воздействие на атмосферную среду оказывают  антропогенные факторы. Индустриальная деятельность человечества привела  к существенным изменениям в составе  и структуре атмосферы, которые, по мнению ряда специалистов, могут  стать необратимыми.

Все составляющие атмосферы  оптически активны и могут  быть использованы для определения  ее состояния и мониторинга при  лазерном зондировании. Здесь представлена лишь краткая характеристика атмосферы, как объекта исследования, которая потребуется при последующем изложении материала.

1. Структура атмосферы

Структура земной атмосферы  по своим физическим свойствам неоднородна  как по вертикали, так и по горизонтали, хотя горизонтальная неоднородность проявляется  значительно слабее.

В соответствии с характерной  температурной стратификацией атмосферы  ее принято делить на:

• тропосферу,
• стратосферу,
• мезосферу,
• термосферу.

Промежуточные тонкие переходные слои называются тропопаузой, стратопаузой и мезопаузой (рис. 1.1).

В тропосфере, верхняя граница которой изменяется примерно от 10 км над полюсами до 17 км над экватором, содержится основная часть атмосферного воздуха. Из-за понижения температуры с высотой в тропосфере в среднем на 6,5 К/км, состояние воздуха в ней обычно характеризуется равновесием.

Стратопауза расположена на высотах 47... 52 км и характеризуется постоянством температуры, около 273 К, мезопауза на высотах 85... 95 км с тем же характерным постоянством средней температуры.

 

По характеру взаимодействия атмосферы с земной поверхностью ее подразделяют на:

• пограничный слой (или слой трения), где наиболее существенно влияние земной поверхности и сил турбулентного трения,
• свободную атмосферу, где силами турбулентного трения можно пренебречь. Высота пограничного слоя колеблется в интервале 1... 1,5 км.

Атмосфера крайне динамична, она подвержена значительным пространственным и временным изменениям. Наиболее неустойчивым распределением составляющих отличается тропосфера, особенно ее пограничный  слой. Здесь часто наблюдается  формирование и разрушение инверсионных и изотермических слоев. Интенсивное  турбулентное перемешивание тропосферного  воздуха и вымывание тропосферы дождем обусловливают кратковременность  пребывания в этом слое атмосферы  ее малых составляющих в течение  всего нескольких часов или дней. Стратосферный воздух, наоборот, очень устойчив. Поэтому время пребывания в нем малых составляющих варьирует от нескольких недель до нескольких лет .

1.2 Химический  состав атмосферы

Земная атмосфера в  основном состоит из азота и кислорода. В состав воздуха входит 99 % этих газов. Почти 1 % составляет аргон. Оставшаяся мизерная часть принадлежит всем другим атмосферным газам (рис. 1.2).

 

Из-за вертикального и горизонтального перемешивания атмосферного воздуха газовый состав атмосферы остается практически постоянным до высоты почти 95 км. При этом 99 % всего атмосферного воздуха содержится в тропосфере и стратосфере до высот 30... 35 км. Рассмотрим кратко ряд газовых составляющих атмосферы, играющих существенную роль в экологических и биосферных процессах.

Водяной пар (Н2О) играет доминирующую роль во всех процессах превращения энергии в масштабе планеты. От его содержания существенно зависит радиационный обмен и тепловой баланс планеты, процессы климато- и погодообразования. Концентрация водяного пара в атмосфере значительно более изменчива, чем температура, из-за непрерывных фазовых превращений из газообразного состояния в жидкое или твердое, и наоборот.

Озон (О3) играет значительную роль в поглощении солнечной радиации в УФ-диапазоне спектра. Он является своеобразным природным фильтром, полностью поглощающим в толще атмосферы вредное для биологических форм жизни излучение Солнца с длинами волн короче 0,3 мкм. Озон содержится в воздухе в ничтожном количестве (объемная доля 10~6... 10~5%). Характерным для этого газа является наличие в атмосфере выраженного озонного слоя, максимум которого расположен на высотах примерно от 15 км на полюсах до 26 км на экваторе.

Углекислый газ (СО2) играет определяющую роль в тепловом балансе атмосферы, так как поглощает основную часть теплового излучения Земли в ИК-области спектра. Средняя концентрация СО2 на всех уровнях тропосферы и стратосферы находится в пределах 320... 330 млн-1 и неуклонно растет со скоростью около 7 млн-1 за 10 лет за счет сжигания ископаемого топлива.

Среди других малых газовых  составляющих земной атмосферы в  первую очередь выделим стабильные долгоживущие газы: метан (СН4) и закись азота (N2O). Они равномерно перемешаны во всем слое атмосферы до высоты примерно 15—16 км. Остальные малые газовые составляющие атмосферы, как правило, химически активны в поле солнечной радиации и поэтому нестабильны.

 

2. Типовые приборы для диагностики атмосферы

Мониторинг оптического  состояния атмосферы - важная область климатологических исследований. Необходимо получить достоверные данные о пространственно-временной трансформации атмосферных компонентов. Для этого создают глобальные измерительные сети международного и регионального уровня. Основные задачи сетей - координация регулярно проводимых измерений и формирование баз данных. Лидары предназначены для мониторинга высотного распределения компонентов атмосферы. Прибор назван по аббревиатуре английских слов Light Detection and Ranging. Растущее внимание мировой общественности к проблемам глобальной экологии дали толчок к стремительному развитию лидарных технологий.

2.1 Современные  лидарные системы и сети

Лидары для исследования озона и аэрозоля в стратосфере составляют основу сети NDSC (Network for the Detection of Stratospheric Change). Для мониторинга тропосферного аэрозоля создана сеть микроимпульсных лидаров MPL-Net (Micro-pulse lidar Network). Она координирует свою работу с AERONET.

В 2000 году основана Европейская аэрозольная лидарная сеть EARLINET (European Aerosol Research Lidar Network). EARLINET обеспечивает координированную работу более 20 лидарных станций от Уэльса до Беларуссии с целью исследования процессов крупномасштабного переноса аэрозоля в Европейском регионе. Лидарные исследования выноса азиатской пыли в регионы Тихого океана выполняются в AD-Net (Asian Dust Network).

В 2004 году была создана международная рабочая группа специалистов, представляющих региональные лидарные сети EARLINET, AD-Net, REALM, AliNe, MPL-Net и CIS-LiNet, задача которой состояла в координации работы региональных лидарных сетей и подготовке плана формирования глобальной лидарной сети (GALION - GAW Aerosol Lidar Observation Network). Такой план (GAW Report №. 178) был создан в 2007 году и утвержден Всемирной метеорологической организацией в 2009 году.

В 2004 г. в результате совместной деятельности научных организаций  Беларуссии, России и Киргизии, в  сотрудничестве с измерительными сетями EARLINET, AD-Net и AERONET, при поддержке Международного научно-технического центра (МНТЦ) была создана лидарная сеть для контроля параметров атмосферного аэрозоля и озона в регионах СНГ. Основной целью формирования CIS-LiNet является проведение совместно с другими международными измерительными сетями координированных наблюдений параметров атмосферы на пространстве Евразийского континента.

Технические требования к  лидарным системам CIS-LiNet предусматривают зондирование тропосферного аэрозоля на трех длинах волн (355, 532 и 1064 нм) и наличие канала регистрации комбинационного рассеяния азотом на длине волны 387 или 607 нм. На некоторых станциях измеряют деполяризацию рассеянного излучения.

Параметры, исследуемые на станциях CIS-LiNet, определены на основе опыта работы EARLINET. Эти параметры обеспечивают измерения оптических характеристик аэрозольного слоя, и определяют микроструктуру аэрозольных частиц. К оптическим характеристикам слоев относятся показатели ослабления и обратного рассеяния аэрозоля. Определяя величину сигнала обратного рассеяния, получают физические характеристики атмосферы. Мобильные лидары в CIS-LiNet предназначены не только для проведения исследовательских работ, но и для реализации программы интеркалибровки лидарной аппаратуры. Один из таких лидаров был создан в последние годы в Институте оптики атмосферы СО РАН.

2.2. Обобщенная  схема лидара