Министерство образования и науки Российской федерации

Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет информационных технологий механики и оптики

Кафедра твердотельной оптоэлектроники

Реферат: Применение лазеров для экологических целей

Студент: Стешина Мария Александровна

Группа 1241

Проверил: Прокопенко В.Т

Санкт-Петербург

2011 год.

Оглавление

1.Введение

2.Основная часть

2.1 Лазерные системы дистанционного зондирования природной среды

2.2 Лазерный дистанционный газоанализ загрязнений атмосферы

2.2.1 Атмосфера Земли

2.2.2 Основные эффекты взаимодействия лазерного излучения с атмосферными газами

2.2.3 Метод дифференциального поглащения для газоанализа загрязнений атмосферы

2.3 Лазерный дистанционный контроль нефтяных загрязнений морской поверхности

3.Список используемой литературы

Введение

В связи с активной хозяйственной деятельностью человечества остро встает проблема оперативного дистанционного контроля загрязнений атмо­сферы и гидросферы. По имеющимся оценкам, аэрозоли антропогенного происхождения составляют 10... 15% в общем составе аэрозолей земной атмосферы, и их концентрация продолжает возрастать.

Чрезвычайно значителен антропогенный выброс в атмосферу твердых частиц — дыма, пепла, пыли от автотранспорта, промышленных предпри­ятий, тепловых электростанций, а также от лесных и торфяных пожаров. Общее их количество оценивается в 2,5 • 10⁸ т в год, к нему еще можно до­бавить 2,7 • 10⁸ т в год солей — сернокислых, азотнокислых и других, обра­зующихся из антропогенных газов атмосферы.

В аэрозолях некоторых промышленных предприятий присутствуют и исключительно ядовитые вещества, источником которых являются хими­ческие соединения. Эти вещества попадают в атмосферу и накапливаются в ней. Промышленные предприятия также выбрасывают в атмосферу раз­личные загрязняющие газы — окись углерода (СО), окислы азота (NO*), двуокись серы (S0₂), метан (СНД аммиак (NH₃), фреоны (CClJFy) и многие другие.

Подобные аэрозольные и газовые загрязнения при определенных кон­центрациях являются вредными для жизни и здоровья человека, отрица­тельно влияют на животный и растительный мир. Неоднократно наблюда­лись массовые отравления людей в крупных городах при неблагоприятных погодных условиях. Хорошо известны смоговые туманы, дымовые шлейфы над промышленными городами, кислотные дожди. Растет содержание в ат­мосфере радиационно-активных газов (СО2, СН4, N₂0, фреоны и др.), что уже в обозримом будущем может привести к глобальным пагубным послед­ствиям: модификации озоносферы, усилению парникового эффекта и изме­нению климата Земли. Хорошо известны такие явления, как «озоновые ды­ ры» в районе Антарктиды и уменьшение толщины озонового слоя в других широтных поясах.

Мировой океан, и особенно его шельфовая зона, занимающая 7,4 % ак­ватории, так же, как и атмосфера, находится под сильным влиянием антро­погенных факторов. Основным источником загрязнений окраинных районов океана является береговой сток, с которым выносятся сточные воды, про­мышленные отходы, нефтепродукты, сельскохозяйственные удобрения и другие загрязнители. Среди них есть такие (ртуть, кадмий, свинец), которые накапливаются в морских организмах и могут стать источником отравлений людей.

Загрязнение океана опасно тем, что оно нарушает естественное равно­весие биологических объектов со средой обитания. При современных уров­нях загрязнения их вредное воздействие снижает не менее чем на 10 % био­логическую активность открытых морей, а в таких районах, как, например, Азовское море или Каспий, экосистемы находятся в критическом состоянии. Здесь в последние годы наблюдается массовая гибель и деградация ценней ших объектов промысла

Мировой океан является основной транспортной системой, по которой танкерным флотом перевозится около 60 % добываемой в мире нефти. Кро­ме того, пятая часть добываемой нефти поступает из морских скважин. Нефтяные загрязнения океана из-за аварий танкеров, утечки нефти при под­водном бурении, а также от сброса нефтепродуктов через речной сток не только представляют опасность для человека и животного мира в биологи­ческом смысле, но и могут привести к климатическим изменениям — неф­тяная пленка, нарушая энергообмен между океаном и атмосферой, может оказывать влияние на погоду. При этом следует иметь в виду, что Мировой океан обладает большой инерционностью экологического реагирования на все формы антропогенного воздействия. Только через длительный период времени последствия этого воздействия становятся явными.

Природная среда, находящаяся под постоянным антропогенным воздей­ствием, постепенно утрачивает уникальную способность к самоочищению, что может привести в конечном итоге к необратимым процессам, грозящим гибелью человечества и без ядерного катаклизма. Таким образом, индустри­альное воздействие на природную среду настолько серьезно, что требует постоянного контроля экологической обстановки для своевременного при­нятия неотложных мер по сохранению в допустимых пределах уровня за­грязнений атмосферы и гидросферы.

Лазерные системы дистанционного зондирования природной среды

Дана общая характеристика лазерных систем дистанционного зондирова­ния природной среды. Описана обобщенная структурная схема лидара для зондирования атмосферы, толщи моря, морской и земной поверхности. Приведены сведения об источниках, приемниках излучения, передающей и приемной оптике в лидарных системах дистанционного зондирования. Рас­смотрены геометрические схемы дистанционного лазерного зондирования

Оптическое зондирование атмосферы, основанное на упругом рассея­нии света, фактически появилось еще до создания лазеров. Однако оптиче­ские методы дистанционного зондирования природной среды стали интен­сивно развиваться лишь с появлением лазеров. Такие характеристики уже первых рубиновых лазеров, как высокая мощность излучения и коллимиро- ванность светового пучка, сделали их конкурентно способными с ламповы­ми прожекторами, ранее использовавшимися для зондирования. Развитие методов модуляции добротности позволило получать короткие лазерные импульсы и проводить пространственно разрешенные измерения подобно радарам — интервал между временем посылки лазерного импульса и време­нем прихода на приемник рассеянного сигнала можно связать (через ско­рость света) с расстоянием от лазерного передатчика до участка поверхности или элементарного объема атмосферы, на котором произошло рассеяние. Отсюда и возникло название лидар или световой локатор (англ. lidar — ligth detection and ranging).

Источником зондирующего излучения в лидаре является лазер. При дистанционном зондировании атмосферы молекулы газов и аэрозоли вызы­вают ослабление проходящего через нее лазерного излучения. Часть зонди­рующего лазерного излучения рассеивается в обратном направлении (в сто­рону приемника лидара) на аэрозольных частицах, либо отражается от топографических объектов (деревья, дома, холмы и т.п.) или от специально установленных экранов и отражателей. Это излучение с помощью приемной оптики (пропускающей или отражательной) собирается и аправляется на фотодетектор, который преобразует его в электрический сигнал, пропор­циональный интенсивности принятого оптического излучения. Значение принятого сигнала определяется свойством атмосферы рассеивать излуче­ние в обратном направлении, отражающими характеристиками топографи­ческих объектов или отражателей, ослаблением излучения на трассе зонди­рования «лидар — объект зондирования — лидар». Поэтому электрический сигнал, снимаемый с фотодетектора, содержит информацию о присутствии в атмосфере газов и аэрозолей, их концентрации и расстоянии до объектов зондирования. Однако чтобы извлечь эту информацию, необходимы специ­альные методы измерения и алгоритмы обработки, так как величина регист­рируемого лидаром сигнала зависит от длины волны лазерного излучения, числа, размера, формы и оптических свойств аэрозольных частиц и молекул газов, находящихся на трассе зондирования.

Лидары — лазерные локаторы, используемые для зондирования атмо­сферы, толщи моря, морской и земной поверхности. Все они имеют много общего в своих структурных схемах.

Основные блоки лидара следующие:

• лазер-передатчик;

• передающая оптическая система;

• приемная оптическая система;

• спектроанализатор и фотоприемное устройство;

• блок обработки сигнала;

• блок управления;

• поворотное устройство;

• система отображения полученной информации.

Лазерный дистанционный газоанализ загрязнений атмосферы

Быстрое развитие методов и средств контроля газовых загрязнений ат­мосферы в последние десятилетия вызвано заметно возросшим пониманием их влияния на экологическое состояние окружающей среды. Существенные изменения в состав и содержание атмосферных газовых примесей, иногда превосходящие их естественные вариации, вносит хозяйственная деятель­ность человека. В настоящее время в атмосферу поступает большое количе­ство газов, которых не было в ее составе раньше, например хлорфторуглеводороды, в том числе фреоны. Антропогенные выбросы таких газов, как углекислый газ и метан, заметно увеличивают их содержание в атмосфере.

Воздействие атмосферных примесей на окружающую среду можно ус­ловно разделить на токсическое и климатическое. Токсическое воздействие на здоровье человека, животных и растений, на биосферу вообще, а также на объекты неживой природы (например, на здания и сооружения) оказывают многие газовые примеси антропогенного происхождения в сильно загряз­ненной атмосфере больших городов и промышленных районов. Вне этих районов уровень содержания токсичных примесей и их влияние на окру­жающую среду в целом незначительно. Газовые примеси естественного и антропогенного происхождения оказывают также влияние на климат, пого­ду, локальные, региональные и глобальные атмосферные процессы. Такие газовые примеси присутствуют в атмосфере в меньших концентрациях, чем токсические, но они распространяются на большие расстояния, попадают в верхнюю тропосферу и стратосферу, накапливаются в итоге во всей атмосфере.

Атмосфера Земли

Атмосфера — газообразная оболочка Земли. Ее масса равна 5 • 10¹⁵ т, т.е. несколько меньше одной миллионной массы самой Земли (6 • 10²¹ т).

По физическим свойствам атмосфера Земли неоднородна. По верти­кальному и горизонтальному направлениям претерпевают изменения ее температура, давление и газовый состав — факторы, определяющие харак­тер спектрального поглощения (пропускания) оптического излучения в ат­мосфере. Наиболее отчетливо проявляется неоднородность атмосферы по вертикали. Вследствие уменьшения плотности воздуха с высотой 90 % мас­сы атмосферы заключены в слое до высоты 16,3 км и 99 % — до 31,2 км.

Обычно атмосферу делят на ряд слоев, каждый из которых характеризу­ется своим видом температурного профиля. Согласно номенклатуре, приня­той Комиссией по аэрологии Всемирной метеорологической организации (ВМО) в 1961 г., атмосфера Земли по характеру температурной стратифика­ции делится на пять основных слоев: тропосферу, стратосферу, мезосферу, термосферу, экзосферу, и четыре переходных слоя: тропопаузу, стратопаузу, мезопаузу и термопаузу.

Давление, плотность и температура атмосферы на всех ее уровнях ис­пытывают существенные изменения как во времени, так и в пространстве. Это приводит к сильным временным и пространственным вариациям кон­центраций основных поглощающих газовых компонент атмосферы. Осо­бенно сильно меняется концентрация большинства газовых компонент в приземном слое атмосферы, что в первую очередь обусловлено антропогенными факторами. Содержание многих газов в приземном слое вблизи про­мышленных центров отличается на порядок и более по сравнению с удален­ными от них местами.

Источниками загрязнений атмосферы являются топки печей, ГРЭС, хи­мические, металлургические и другие промышленные производства, выхлоп­ные газы автотранспорта, продукты сгорания турбореактивных двигателей самолетов, лесные, торфяные и другие пожары и пр. Ежегодно вследствие активной промышленной деятельности человека в атмосферу выбрасываются сотни тысяч различных загрязнителей. Наиболее важными загрязняющими газовыми компонентами являются окислы углерода (углекислый газ и окись углерода), соединения серы, азота (окислы азота, аммиак, органические со­единения азота), углеводороды, озон, галогенсодержащие соединения.

Основные эффекты взаимодействия лазерного излучения с атмосферными газами

В атмосфере Земли основными процессами, приводящими к ослабле­нию лазерного излучения, являются:

поглощение излучения, сопровождающееся переходом электромагнитной энергии во внутреннюю энергию молекул и частиц (электронную, колебатель­ную, вращательную), а затем за счет столкновений—в тепловую энергию;

рассеяние, приводящее к изменению направления распространения кванта излучения и иногда к изменению энергии кванта, т.е. длины волны излучения.

Особое значение в атмосфере Земли имеют следующие типы рассеяния:

• молекулярное (релеевское) — лазерное излучение упруго (без изме­нения длины волны излучения) рассеивается атомами и молекулами воздуха;

• аэрозольное — лазерное излучение упруго рассеивается на аэро­зольных частицах атмосферы;

• неупругое — происходит изменение длины волны рассеянного излу­чения по отношению к длине волны падающего излучения.

Различные типы неупругого рассеяния (комбинационное, резонансное, флуоресценция) играют заметную роль при распространении лазерного из­лучения в атмосфере и используются для дистанционного контроля газовых составляющих атмосферы.

При комбинационном рассеянии (рис. 2.5) происходит обмен энергией между падающими фотонами (h\₀) и рассеивающими молекулами. Рассеи­вающая молекула либо отнимает энергию у рассеиваемого фотона, либо со­общает ему дополнительную энергию, равную энергии перехода между внутренними состояниями молекулы. Поэтому спектральные компоненты рассеянного излучения сдвинуты относительно частоты v₀ падающего излу­чения на величины равные частотам v колебательно-вращательных переходов облучаемых молекул, т.е. частоты рассеянного света получаются путем комбинации частоты возбуждающего света с собственными частотами мо­лекул: v_ac = v₀ ± v. Поэтому само явление было названо «комбинационным рассеянием света». Частоты v_c = v₀ - v называют стоксовыми линиями, а частоты v_a = v₀ + v — антистоксовыми. При v_c = v₀ - v в комбинационном рассеянии участвуют молекулы газа, находящиеся первоначально в основ­ном (невозбужденном) колебательном состоянии, которые в результате по­глощения падающих фотонов переходят в колебательно-возбужденное со­стояние. При v_a = v₀ + v в комбинационном рассеянии участвуют молеку­лы, приведенные в возбужденное колебательное состояние тепловым дви­жением. Антистоксовы линии значительно слабее стоксовых, так как число молекул в возбужденных колебательных состояниях невелико (состояние Е_к менее заселено, чем основное состояние Е₀) и быстро падает с ростом v. На­пример, при v = 1000 см^-1 и комнатной температуре в возбужденном колеба­тельном состоянии находится 0,7 % всех молекул. С повышением темпера­туры число молекул в возбужденном колебательном состоянии быстро уве­личивается и интенсивность антистоксовых линий возрастает. Величина сдвига (Av) спектральных компонент рассеянного излучения однозначно определяется свойствами молекул газов и является характеристикой данно­го вида рассеивающих молекул.

Таким образом, по смещению спектральных линий комбинационного рассеяния можно судить о наличии в атмосфере данного газа, а по интен­сивности полос комбинационного рассеяния — об их концентрации.

Метод дифференциального поглащения для газоанализа загрязнений атмосферы

Использование поглощения лазерного излучения для определения кон­центрации газовых загрязнений осуществляется дистанционным методом (методом поглощения на длинных трассах), методом локального контроля и при анализе в лаборатории состава отобранных проб. Рассмотрим дистанци­онный метод, позволяющий получать информацию о характеристиках газо вых загрязнений на трассе зондирования. Впервые метод измерения концентраций атмосферных газов, исполь­зующий поглощение газами лазерного излучения, предложил Счетлэнд в 1964 г. Метод заключается в том, что информация о концентрации иссле­дуемого газа атмосферы извлекается из сравнения двух регистрируемых ла­зерных сигналов в достаточно узком спектральном диапазоне длин волн, одна из которых расположена в линии (или полосе) поглощения газа, а вто­рая лежит в области или слабого, или полного отсутствия поглощения. Счетлэнд назвал его методом дифференциального поглощения рассеянной энергии (DASE). Применяют также термины «лидар дифференциального поглощения» (DIAL), «дифференциальное поглощение и рассеяние» (DAS), или просто «дифференциальное поглощение» (ДП).

Существуют два метода проведения измерений содержания газовых компонент в атмосфере лидаром дифференциального поглощения. Оба ме­тода предполагают использование для зондирования двух (для одного газа) лазерных импульсов с незначительно отличающимися длинами волн (одну выбирают таким образом, чтобы она находилась в сильно поглощающей части интенсивной линии поглощения интересующей нас газовой компо­ненты, другую — в дальней части «крыла» этой линии поглощения) и по­следующее сравнение ослабления этих импульсов. Разница в методах изме­рений определяется механизмами отражения лазерного излучения к приемной системе. Первый метод (рис. 2.11) основан на упругом рассеянии от атмо­сферных аэрозолей. Его называют методом дифференциального поглощения и рассеяния (ДПР). Этот метод позволяет проводить пространственно- разрешенные измерения газовых компонент атмосферы на значительном расстоянии от лидара. Второй метод (рис. 2.12) основан на отражении ла­зерного излучения от расположенной на фиксированном расстоянии мишени (метод с отражателем). В этом случае можно существенно снизить уровень необходимой мощности лазерного источника. Если в качестве удаленной мишени используются топографические объекты (например, холм, башня, поверхность озера), то при этом сохраняются преимущества в работе, прису­щие моностатической схеме зондирования. Еще более высокую чувствитель­ность можно получить, используя специальные уголковые отражатели.

Лазерный дистанционный контроль нефтяных загрязнений морской поверхности

Загрязнения нефтепродуктами наиболее оперативно обнаруживаются дистанционными методами, позволяющими инспектировать обширные вод­ные поверхности. Дистанционные методы позволяют обнаруживать нефтя­ные загрязнения на стадии слика (пленки на поверхности воды), т.е. вскоре после разлива. На этой стадии ликвидацию нефтяных загрязнений можно провести с наименьшими затратами. Очистка же вод от затонувших или растворенных нефтепродуктов вообще мало реальна, так как для этого тре­буется переработка огромных масс воды.Наиболее перспективными методами контроля акваторий с целью обна­ружения нефтяных пленок на поверхности воды являются лазерные методы дистанционного зондирования. При использовании этих методов водная по­верхность облучается лазерным излучением определенного спектрального состава (рис. 5.9). Излучение лазера частично отражается от поверхности нефтяной пленки, частично проходит внутрь пленки и поглощается в ней, ставшаяся часть излучения проникает в воду. При соответствующем выбо­ре длины волны лазерного излучения часть его, поглощенная в слое нефти, может вызвать высвечивание нефтяного пятна (флуоресценцию) и испытать комбинационное рассеяние на молекулах нефти Флуоресцентное излучение нефтяного загрязнения, излучение комбинационного рассеяния в пленке нефти, а также отраженное от пленки нефти лазерное излучение можно за­регистрировать дистанционно.Индикация загрязнений лазерным методом основана на различии (кото­рое условно можно назвать контрастом) в отражательных, рассеивающих или флуоресцентных свойствах чистой и покрытой нефтяной пленкой воды.

При использовании для дистанционного обнаружения нефтяных загряз­нений флуоресцентного лазерного метода регистрируется собственное флу­оресцентное излучение облучаемой поверхности. Спектры флуоресценции воды и нефтяных загрязнений различны, и, кроме того, различны спектры флуоресценции разных нефтепродуктов. Поэтому этот метод позволяет об­наруживать нефтяные загрязнения и проводить их идентификацию или, по крайней мере, классификацию по трем группам: легкие очищенные нефте­продукты, например дизельное топливо; сырая нефть и тяжелые остаточные продукты, или мазут. При небольшой толщине нефтяной пленки (до 10 мкм) интенсивность флуоресцентного излучения линейно зависит от толщины пленки и флуоресцентный лазерный метод можно использовать для оценки толщины пленки. Однако практическое использование этого метода для дистанционного обнаружения нефтяных загрязнений сопряжено со значи­тельными трудностями. Они возникают из-за влияния различных мешаю­щих факторов: флуоресценции воды, лазерного и солнечного излучения, рассеянного на атмосферном аэрозоле и отраженного от водной поверхно­сти. Как показывают оценки, регистрация флуоресцентного излучения неф­тяного загрязнения возможна с дистанций лишь порядка нескольких сотен метров. Таким образом, при размещении, например, на борту самолета ап­паратура для флуоресцентного лазерного метода должна работать в ком­плексе с другой аппаратурой, предназначенной для обнаружения нефтяных загрязнений с большой высоты. Аппаратура для регистрации флуоресцент­ного излучения сложна и дорога.

Лазерным методом, основанным на комбинационном рассеянии в плен­ке нефти, можно обнаруживать и проводить идентификацию нефтяных за­грязнений по спектрам комбинационного рассеяния. Однако этот метод сложно использовать для дистанционных измерений из-за небольшой вели­чины сигнала комбинационного рассеяния и чрезвычайно высоких требова­ний к чувствительности приемно-регистрирующей аппаратуры.

Наиболее перспективным методом для дистанционного обнаружения нефтяных загрязнений на водной поверхности является метод, основанный на активной лазерной локации водной поверхности и регистрации лазерного излучения, отраженного пленками нефтепродуктов. Этот метод основан на том, что в ряде спектральных интервалов как видимого, так и ИК-диапазо- нов спектра отражательная способность загрязненной нефтепродуктами водной поверхности существенно превышает отражательную способность чистой водной поверхности При использовании метода активной лазерной локации водная поверхность облучается лазерным источником, установлен­ным на соответствующем носителе (например, на судне, самолете или вер­толете), и регистрируется сигнал, отраженный от водной поверхности. При появлении на водной поверхности нефтяного загрязнения лазерный сигнал, отраженный от водной поверхности, возрастает из-за различия в отража­тельных свойствах чистой и покрытой нефтяной пленкой воды. Таким обра­зом, появляется контраст между чистой водной поверхностью и водной по­верхностью, загряз енной нефтепродуктами. В качестве источника излучения можно использовать источники видимого и ИК-диапазонов. Сканирующий лазерный локатор позволяет инспектировать за короткий промежуток вре­мени большие водные поверхности. Метод позволяет проводить обнаруже­ние нефтяных загрязнений в дневное и ночное время. Важными преимуще­ствами метода активной лазерной локации являются простота аппаратуры и возможность дистанционного зондирования с больших расстояний.

Список используемой литературы

1. Козинцев В.И. и др.-Оптико-электронные системы экологического мониторинга природной среды.