книги из ГПНТБ / Зуев, В. Е. Лазер-метеоролог

иен стратосферы еще мс получены данные о плотности, температуре п давлении при лазерном зондировании атмосферы, основанном на использовании явления молекулярного рассеяния света. При обработке резуль­ татов зондирования в нижнем 30-километровом слое ат­ мосферы молекулярное рассеяние рассчитывается в со­ ответствии со стандартной моделью атмосферы.

гк

Рис. 44. Вертикальным профиль тем­ пературы атмосферы, полученный из профиля плотности при лазерном зон­ дировании в Винкфилде летом 1967 г. (точки). Сплошная кривая построена по стандартной модели атмосферы.

В заключение рассмотрим имеющий весьма важное значение вопрос о точности измерений профиля плот­ ности атмосферы, из которого извлекаются данные о профилях температуры и давления.

Давление, температура и плотность связаны между собой известным уравнением состояния газа:

120

где р — давление; р — плотность; Т — абсолютная тем­ пература; М — молекулярный вес газа; R — универсаль­ ная газовая постоянная.

Это уравнение применимо к каждому локализован­ ному объему, поэтому, если известны профили плотности и давления, из уравнения состояния можно найти, как это уже отмечалось, профиль температуры. Профиль давления может быть получен из уравнения гидроста­ тики:

Z

0

Здесь р (г)— вертикальный профиль давления; ро—дав­

с которыми может быть восстановлен профиль темпе­ ратуры по профилю плотности, определенному с извест­ ной погрешностью. Такого рода элементарные оценки имеются в литературе. Например, если предположить, что плотность в стратосфере убывает с высотой по экс­ поненциальному закону и взять для давления и плот­ ности на уровне моря значения 1013 мб и 1,77-10-3 г/см3, то температура на высоте 1 км получается 295,6 К- Если же взять вместо p(z) значение p(z) +0,01 p(z), то тем­ пература на высоте 1 км будет 292,3 К, а для значения р (z) -j- 0,09 р (z) температура будет равна 268,2 К.

Из приведенных выше оценок видно, что более или менее удовлетворительные результаты по точности опре­ деления вертикальных профилей температуры из данных

о профиле плотности атмосферы можно получить только

втом случае, когда последний известен с ошибкой по крайней мере не больше нескольких процентов. Из ска­ занного следует, что к точности зондирования профиля

плотности атмосферы должны предъявляться весьма

121

высокие требования, если он используется также и для определения температурного профиля. Большой разброс точек на рис. 44 обусловлен именно недостаточной точ­ ностью зондирования профиля плотности атмосферы.

Зондирование на основе использования явления ком­ бинационного рассеяния света. Известно, что основные атмосферные газы (азот и кислород) хорошо переме­ шаны в атмосфере до высот порядка 90—100 км. По­ этому определение вертикального профиля концентрации любого из этих газов может быть использовано для на­ хождения соответствующего профиля плотности атмо­ сферы и связанных с ним профилей давления и темпе­ ратуры.

Хотя сечения комбинационного рассеяния примерно на три порядка меньше, чем сечения молекулярного рас­ сеяния, тем не менее явление комбинационного рассея­ ния может быть использовано и действительно исполь­ зуется при лазерном зондировании плотности атмосферы. Преимущества этого метода состоят в том, что, во-пер­ вых, можно использовать достаточно мощный лазер с любой частотой излучения, во-вторых, эхо-сигнал им­ пульса свободен от влияния обратного молекулярного и аэрозольного рассеяния, поскольку комбинационные частоты отличаются от частот излучения зондирующих импульсов.

Индикатриса комбинационного рассеяния света для изотропных молекул имеет такую лее форму, как и в слу­ чае молекулярного рассеяния. Это значит, что из резуль­ татов зондирования можно извлечь однозначную зави­ симость о профиле плотности зондируемого газа.

Зависимость сечения комбинационного рассеяния от длины волны для атмосферных газов близка к соответ­ ствующей зависимости для молекулярного рассеяния, поэтому при зондировании наиболее целесообразно ис­ пользовать импульсы с меньшими длинами волн излу­ чения.

На практике при зондировании вертикальных про­ филей плотности азота и кислорода были использованы лазеры на рубине (^ = 6943 А) и на молекулярном азоте (А, = 3371 А). В первом случае у отраженного эхо-сиг­ нала при зондировании азота %— 8283 А, во втором слу­ чае Л = 3658 А. Сечение комбинационного рассеяния для ультрафиолетового лазера примерно в 18 раз больше,

122

чем для рубинового. Однако эта разница в сечениях рассеяния компенсируется разницей в энергиях импуль­ сов. Длина волны комбинационного рассеяния для кис­ лорода при использовании газового лазера на азоте равна 3557 А.

Потолок лазерного зондирования вертикальных про­ филей плотности азота и кислорода при использовании явления комбинационного рассеяния зависит от пара­ метров лидара таких, как площадь приемного зеркала, энергия импульса, частота повторения импульсов, ши­ рина полосы пропускания и прозрачность интерферен­ ционного фильтра. Ясно, что он будет непрерывно повы­ шаться по мере улучшения указанных параметров.

В одном из последних литературных источников отме­ чается, что с помощью уникальной лидарной системы в Кингстоне на Ямайке удалось получить отраженные эхо-сигналы комбинационного рассеяния до высоты

40 км [55].

Метод зондирования профилей плотности атмосферы при использовании явления комбинационного рассеяния на молекулах азота и кислорода имеет особо важное значение для нижнего 30-километрового слоя атмосферы, поскольку на получаемые с его помощью данные не влияет обратное молекулярное и аэрозольное рассеяние. Определяемые таким образом профили плотности атмо­ сферы, несомненно, найдут применение при решении та­ кой важной задачи лазерного зондирования атмосферы, как разделение эхо-сигналов лазерных импульсов на составляющие, соответствующие аэрозольному и моле­ кулярному рассеянию.

Численные значения сечений комбинационного рас­ сеяния на молекулах азота и кислорода будут приведены ниже. Здесь же еще раз подчеркнем, что сечения ком­ бинационного рассеяния различных газов существенно зависят от длины волны зондирующего излучения. По­ мимо этой общей зависимости от длины волны (о ко­ торой говорилось выше), справедливой, вообще говоря, для прозрачных участков спектра, следует иметь в виду четко выраженную резкую зависимость сечений комби­ национного рассеяния от длины волны в районе линий поглощения атмосферных газов. По мере приближения к центру линии сечение может увеличиться на несколько порядков.

123

Последнее обстоятельство имеет очень важное прак­ тическое значение в связи с тем, что при использовании высокомонохроматичных перестраиваемых лазеров мож­ но приблизиться к центру линии поглощения как угодно близко и, следовательно, существенно поднять чувстви­ тельность рассматриваемого метода зондирования плот­ ности атмосферы. Вполне возможно, что в этом случае станет реальным использование углекислого газа для зондирования плотности атмосферы, поскольку этот газ достаточно хорошо перемешан в атмосфере, по крайней мере в тропосфере и нижней стратосфере. В связи со сказанным становится очевидной важность задачи опре­ деления сечений комбинационного рассеяния вблизи цен­ тральных частей линий поглощения атмосферных газов. Пока такие данные отсутствуют и их получение — нелег­ кая задача.

Некоторые другие способы зондирования. Рассмот­ рим еще несколько возможных способов получения про­ филей температуры, плотности и давления при лазерном зондировании атмосферы.

При распространении в атмосфере спектр лазерного импульса, взаимодействуя с движущимися молекулами и частицами аэрозолей, будет уширяться за счет дейст­ вия известного эффекта Допплера. Это ушпренпе в случае взаимодействия с молекулами зависит от температуры среды. Его величина намного больше, чем величина уширения за счет взаимодействия с частицами аэрозолей, поскольку скорости последних существенно меньше ско­ ростей движения молекул.

Таким образом, измеряя уширеипе спектра лазерного импульса, вызванное эффектом Допплера, вообще го­ воря, можно извлечь информацию о температуре атмо­ сферы.

Далее, известно, что контур отдельной линии погло­ щения атмосферных газов зависит как от давления, так и от температуры. Поэтому, если записывать эхо-сиг­ налы импульсов излучения, длина волны которых может непрерывно изменяться, в принципе можно извлечь ин­ формацию о профилях температуры и давления. Сле­ дует, однако, подчеркнуть, что реализация этой идеи требует, чтобы излучение лазерного импульса было весьма высокой монохроматичности, так как линия излу­ чения должна быть намного уже линии поглощения.

124

А полуширина линий атмосферных газов па уровне моря имеет значение порядка десятых-сотых долей обратного сантиметра.

Следовательно, спектральная ширина лазерного им­ пульса, используемого для зондирования, должна быть не больше тысячных долей см-1 при зондировании нижних слоев атмосферы. Пока еще не созданы доста­ точно мощные, перестраиваемые и столь высокомонохроматичиые лазеры.

Следующий возможный способ получения профилей плотности, температуры и давления при лазерном зонди­ ровании атмосферы связан с использованием импульсов излучения с двумя близкими частотами. Одна из частот должна совпадать с центром линии поглощения хорошо перемешанного атмосферного газа, другая должна на­ ходиться рядом, между линиями поглощения, так, чтобы ее поглощением можно было пренебречь. Коэффициенты аэрозольного и молекулярного рассеяния для этих двух близких частот будут одинаковы. Если теперь записать уравнение лазерной локации для каждой из частот, то решив полученную систему из двух уравнений, получим профиль плотности соответствующего атмосферного газа. Более подробно этот метод мы опишем, когда будем рассматривать вопрос о лазерном зондировании влаж­ ности.

Информация о температуре содержится также во вра­ щательной структуре полос комбинационного рассеяния атмосферных газов. Оказывается, что сечения рассеяния длинноволновых и коротковолновых комбинационных ча­ стот имеют разную зависимость от температуры. Если проводить одновременные измерения на обоих частотах, то по профилям отношений их интенсивностей или ве­ личин эхо-сигналов можно определить профиль темпе­ ратуры.

тов зондирования температурного профиля в нижней тропосфере.

125

ВЛАЖНОСТЬ И СОДЕРЖАНИЕ АТМОСФЕРНЫХ ГАЗОВ

Известные к настоящему времени идеи лазерного зондирования атмосферных газов основаны па использо­ вании явлений поглощения в отдельных спектральных линиях, комбинационного и резонансного рассеяния рас­ пространяющегося в атмосфере лазерного излучения. Первые два явления были рассмотрены выше в связи с зондированием плотности атмосферы. Здесь более по­ дробно остановимся на методиках зондирования с ис­ пользованием всех трех явлений, а также на полученных результатах и перспективах дальнейшего их развития. Изложению этих методов предпошлем краткое описание картины пространственно-временного распределения га­ зовых компонентов атмосферы.

Распределение концентрации атмосферных газов. Дадим качественную оценку пространственно-времен­ ного распределения различных газов в атмосфере, вклю­ чая водяной пар. Состав сухого воздуха приведен в табл. 9.

Как известно, основную роль в поглощении солнеч­ ного излучения играют водяной пар, углекислый газ и озон, если рассматривать интегральные характеристики поглощения. Если же пас интересует тот или иной отно­ сительно узкий участок спектра солнечного излучения, то в этом случае роль различных атмосферных газов

впоглощении излучения этого участка зависит от поло­ жения последнего в шкале электромагнитных волн. Для большинства участков определяющая роль в поглощении излучения принадлежит водяному пару. Второе и третье места занимают углекислый газ и озон. Вместе с тем имеются участки спектра, где поглощение главным об­ разом обусловлено так называемыми малыми примесями атмосферы, такими, как метан, окись углерода, окислы азота, сернистый газ, которые присутствуют в атмосфере

вмалых количествах, но в планетарном масштабе. Кроме того, в отдельных районах могут встречаться газы, характерные только для этих районов и способные поглощать излучение в том или другом спектральном

участке.

Успешное решение проблемы прогнозов погоды, во­ обще говоря, требует достаточно полных и точных дан­ ных о газовом составе атмосферы и его изменении в про-

126

страистве и во времени. Дело в том, что любой газ ат­ мосферы оказывает пли прямое пли косвенное влияние на процессы поглощения солнечного излучения в атмо­ сфере. Поглощающие газы изымают из направленного солнечного излучения определенную часть энергии, ко­ торая зависит от концентрации и типа непоглощающих газов, поскольку последние влияют на характеристики спектров поглощения и прежде всего на полуширину и интенсивность спектральных линий. Знание пространст­ венно-временной картины распределения содержания всех без исключения атмосферных газов имеет важное значение не только для проблемы прогнозов погоды, но и для решения целого ряда других задач, о которых говорилось во введении.

Водяной пар играет доминирующую роль во всех про­ цессах превращения энергии в масштабе планеты. От его содержания существенно зависит радиационный обмен и тепловой баланс планеты, процессы климато- и погодообразования, а также возможности использования эле­ ктромагнитных волн оптического диапазона (ультрафио­ летовая, видимая, инфракрасная, микроволновая об­ ласти) для решения всевозможных практических задач. Концентрация водяного пара и связанная с ней влаж­ ность атмосферы изменяются в довольно значительных пределах в зависимости от места и времени. Для харак­ теристики влажности воздуха используется целый ряд единиц: 1) абсолютная влажность, измеряемая обычно в граммах на кубический метр; 2) упругость водяного пара, или его давление, выражаемое обычно в милли­ метрах ртутного столба или в миллибарах; 3) относи­ тельная влажность, представляющая собой отношение давления водяного пара, содержащегося в воздухе, к дав­ лению насыщенного пара при данной температуре (из­ меряется в процентах); 4) удельная влажность — это масса водяного пара в единице массы влажного воздуха (обычно измеряется в граммах на килограмм); 5) отно­ шение смеси, представляющее собой массу водяного пара в единице массы сухого воздуха; 6) осажденный слой воды, представляющий собой толщину слоя воды, которая получится, если полностью сконденсировать во­ дяной пар в данной толще атмосферы; 7) точка росы — температура воздуха, охлажденного до состояния насы­ щения находящегося в нем пара.

127

В табл. 10 приводятся значения влажности насыщен­ ного водяным паром воздуха на уровне моря при раз­ личных температурах.

Т а б л и ц а 10

Значения давления насыщенного водяного пара и абсолютной влажности при различных температурах

В большинстве случаев давление водяного пара при соответствующих температурах меньше, чем указано в таблице. Состояние насыщения имеет место, например, в непосредственной близости от водной поверхности или при понижении температуры до точки росы. Хорошо из­ вестно, что образование облаков и туманов связано с процессом конденсации водяного пара. Как правило, количество воды в облаке в капельной фазе представ­ ляет собой излишек по сравнению с давлением насы­ щенного пара при данной температуре. Относительная влажность в облаках и туманах часто близка к 100 %.

Из табл. 10 следует, что максимальное давление во­ дяного пара в интервале температур от —20 до +50° С составляет примерно 0,1—12% общего давления, а в 1 м3 воздуха может содержаться максимальное количество воды соответственно примерно от 1до 83 г.

При рассмотрении явления поглощения энергии опти­ ческих волн в атмосфере удобно использовать понятие осажденного слоя воды, величина которого в мм/км равна значению абсолютной влажности, выраженной в г/м3. Так, при влажности 10 г/м3 километровый слой ат­ мосферы содержит 10 мм осажденной воды.

Концентрация водяного пара в атмосфере значитель­ но более изменчива, чем температура. Можно сказать, что каждое конкретное измерение вертикального про-

128

фнля влажности неповторимо. Однако ход среднего вер­ тикального профиля концентрации водяного пара доста­ точно хорошо изучен в настоящее время, особенно в тро­ посфере.

Абсолютная влажность в тропосфере, как и общее давление, убывает с высотой по экспоненциальному за­ кону, однако значительно быстрее, чем общее давление. Измерения влажности в нижней стратосфере, проведен­ ные различными исследователями, дают противоречивые результаты, которые нашли свое выражение в наличии двух моделей стратосферы — «сухой» и «влажной». Вполне возможно, что различные измерения проводились в разных условиях. Измерения влажности в верхней стра­ тосфере и мезосфере, проведенные в весьма ограничен­ ном количестве случаев, указывают на наличие водяного пара и па этих высотах, однако о его количестве здесь пока трудно уверенно говорить.

Молекулы озона, состоящие из трех атомов кисло­ рода, возникают в атмосфере при ее взаимодействии- с коротковолновой ультрафиолетовой радиацией Солнца, которая способна расщеплять обычную двухатомную мо­ лекулу кислорода на составляющие ее атомы. Эти атомы- и идут затем на образование молекул озона. На высотах 60—70 км концентрация озона весьма мала, так как мала концентрация молекулярного кислорода. По мере проникновения радиации в глубь воздушного океана вместе с ростом концентрации молекулярного кислорода растет количество расщепленных на атомы молекул и одновременно растет концентрация озона. На высотах около 20—30 км концентрация озона достигает макси­ мальной величины и затем резко уменьшается с умень­ шением высоты в связи с тем, что основная доля корот­ коволновой ультрафиолетовой радиации Солнца, способ­ ной расщеплять молекулы кислорода, расходуется при­ мерно на этих высотах.

Небезынтересно отметить, что озонный слой в атмо­ сфере— отличный природный фильтр, задерживающий ту часть ультрафиолетового излучения Солнца, проник­ новение которой до поверхности Земли сделало бы не­ возможной жизнь в современном ее виде. Хорошо изве­ стно, что из-за сильного поглощения озона солнечное излучение в диапазоне длин волн короче 0,3 мкм совсем не достигает поверхности Земли.