Неконтактный контроль атмосферы
Структура метеоисследований, в которую включен мониторинг атмосферы, в настоящее время состоит из наземных лабораторий, наземных локационных станций, аэролабораторий и радиозондов (до высот 25-40 км), метеоракет (до 150км), спутниковых орбитальных комплексов (свыше 150 км над Землей). При этом используют акустические и электромагнитные зондирующие поля. Получено множество экспериментальных данных, подтверждающих связь между загрязнениями атмосферы и ее метеорологическими параметрами.
Впервые радиоволны были использованы для анализа состояния ионосферы (по отражению и преломлению волн). Затем применили сантиметровые волны для исследования осадков, облаков, турбулентности атмосферы. Были созданы промышленные радиолокаторы с радиусом действия около 300 км.
Поскольку скорость движения воздушных масс у земной поверхности составляет около 1000 км в сутки, для составления прогноза за сутки надо охватить территорию с радиусом 1000-1500 км, поэтому глобальные наблюдения за атмосферой могут обеспечить только аэроспутниковые системы. В 1965 г. впервые в истории метеорологии была получена карта облачного покрова почти над всей земной поверхностью. Спутниковые системы стали давать информацию о вертикальном профиле давления, влажности, содержания озона и др.
Лазерное (лидарное) зондирование атмосферы состоит в том, что при распространении лазерный луч рассеивается молекулами, частицами, на неоднородностях плотности воздуха, поглощается, изменяет свою частоту (эффект Доплера, комбинационное рассеяние), меняет форму импульса, состояние поляризации, появляется флуоресценция, что позволяет качественно или количественно судить о тех или иных параметрах воздушной среды (давление, плотность, температура, влажность, концентрация газов, аэрозолей, параметры ветра, турбулентность, стратификации).
Преимущества лазеров по монохроматичности, когерентности, поляризации и возможности изменять спектр излучения создают разнообразие эффектов избирательности контроля отдельных параметров воздушной среды. Использование лидаров с большой частотой повторения импульсов малой длительности позволяет изучить динамику быстропротекающих процессов в локальных объемах и в значительных толщах атмосферы.
Схемы лидарного зондирования делят на моностатические и бистатические. В моностатических угол падения равен углу отражения и равен нулю, в бистатических угол между лучом падения и отражения или прошедшим через слой атмосферы лучом изменяется от нескольких градусов до 180о. Возможен импульсный или непрерывный режим работы.
В 80-е годы получили развитие акустические и радиоакустические методы контроля атмосферы. Область использования этих методов ограничена локальными объемами воздушной среды ( ~ до 1-2 км в радиусе) и допускает их функционирование как в наземных условиях, так и на борту аэроносителей.
Одной из причин появления отраженного акустического сигнала являются мелкомасштабные температурные неоднородности, причем коэффициент преломления упругих волн на термических неоднородностях атмосферы на 2-3 порядка больше, чем у электромагнитных волн, что представляет особый интерес для приземного слоя тропосферы.
При радиоакустическом зондировании высота контроля достигает 300-350 м при среднеквадратичной погрешности определения температуры воздуха 0,2 - 0,65 С, скорости ветра 0,5-0,75 м/с, направлении изменения указанных величин 5-10 и пространственном разрешении 5-30 м (диапазон акустических и радиоволн - сантиметровый), а для дециметрового диапазона - 1000-2500 м.
С целью повышения точности и достоверности измерений рекомендуется совмещение радиоакустической и акустической систем дистанционного неконтактного контроля приземного слоя атмосферы.