Лазерное зондирование газового состава атмосферы

Введение

Человечество всегда воздействовало на окружающую среду, при почти
всегда отрицательно. С каждым годом выбросы вредных веществ в
атмосферу, гидросферу и на поверхность планеты только возрастают.
Следовательно, повышается концентрация вредных веществ, тем самым
воздействуя на здоровье людей из атмосферы и на биосферу нашей планеты.
Сохранение благоприятного состояния окружающей среды, является
самой важной проблемой международного масштаба, решение данной
проблемы может быть возможно лишь при наличии соответствующих
средствах мониторинга. Так же необходим мониторинг не только атмосферы,
но и среды обитания человека, поскольку именно человек является основным
переносчиком различных загрязнений в гидросферу.
Среди всех известных методов мониторинга атмосферы наиболее
лучший считается методы активного дистанционного зондирования с
использованием лазерных источников излучения.
Методы лазерного зондирования, обеспечивают получение профилей
или полей различных параметров атмосферы с исключительно высоким
временным и пространственным разрешением, обладая при этом рекордными
концентрационными чувствительностями.
Лазерное зондирование основывается на принципе световой локации
атмосферного аэрозоля при помощи прибора, который по аналогии с радаром
называется «лидар». В обобщенном смысле лазер в лидаре используется как
импульсный источник направленного светового излучения. В отличие от
радиодиапазона, в световом диапазоне частот из-за малости длин волн
особенно видимого и ультрафиолетового излучения отражателями
локационного сигнала являются все молекулярные и аэрозольные
составляющие атмосферы, т.е. по сути дела сама атмосфера формирует
лидарный эхо-сигнал со всей трассы зондирования. Это позволяет
осуществлять лазерное зондирование по любым направлениям в атмосфере.

История развития зондирования атмосферы

История оптического зондирования атмосферы началась в 1905 году,
когда наш соотечественник В. В. Кузнецов измерил ночью высоту облаков с
помощью мощного прожектора. Луч был направлен вертикально вверх, а
прибор, регистрирующий рассеянный облаком свет, установлен на
определенном расстоянии от прожектора. Изменяя угол наблюдения, из
простых геометрических соотношений он определил высоту облаков,
наиболее интенсивно рассеивающих свет.
Прожекторное зондирование атмосферы развивалось в течение 50 лет -
от простого измерения высоты облаков до определения общего содержания
молекул в единице объема воздуха на различных высотах (до 70 километров).
Однако возможности даже самого мощного прожектора оказались на этом
практически исчерпанными, хотя с помощью различных технических
ухищрений и можно было попытаться повысить потолок зондирования. Но
делать этого уже не пришлось: в 1960 году был создан принципиально новый
источник излучения - лазер, а спустя три года итальянский ученый Дж.
Фиокко опубликовал первую работу о лазерном зондировании атмосферы.
Годом позже он же провел измерения высоты и толщины серебристых
облаков, образующихся на высотах 73 - 83 километров.
В нашей стране первые лазерные эксперименты по изучению
атмосферы начала в 1965 году Центральная аэрологическая обсерватория
(ЦАО) Госкомгидромета. На исследовательском самолете Ил-18 установили
лазерный локатор и всего за несколько полетов получили сведения о
поляризации излучения, рассеянного облаками. Эта летающая лаборатория
около пятнадцати лет изучала различные типы облаков; результаты
измерений, полученные с помощью лазера, контролировались другими
методами.
Большая часть существующих ранее методик по измерению
характеристик атмосферы была основана на контактных способах.