Лидары и надиры в изучении атмосферы - Курсовая работа

Еще более было выброшено пыли, сажи, копоти, оксидов азота, углерода и серы. Надо иметь в виду то, что где бы на земле ни происходили выбросы пыли, сажи, газов, поднимаясь в атмосферу и тропосферу, они распространяются затем по всей оболочке земного шара. Кроме того, пыль в воздухе и избыток газов задерживают ультрафиолетовые лучи. Во-вторых, если пыль в атмосфере задерживает ультрафиолетовые лучи, то вода и особенно углекислый газ препятствуют уходу в космическое пространство теплового излучения. При определенных физико-географических условиях сильный ветер, наоборот, в ряде случаев приводит к увеличению концентрации пыли в воздухе.Для получения комплексных сведений о параметрах потока одновременно с ОДЛ, дающим информацию о скорости потока, применяются бесконтактные методы лазерной дистанционной спектроскопии, основанные, в частности, на спонтанном комбинационном рассеянии, резонансном поглощении и рассеянии, которые позволяют определить плотность и температуру газа (жидкости). Лазерная дистанционная спектроскопия позволяет исследовать вопросы физики и состава (естественных компонент) атмосферы в связи с проблемами метеорологии и аэродинамики, а также с борьбой за чистоту окружающей среды (обнаружение выбрасываемых в атмосферу продуктов, образующихся при сгорании топлива на промышленных предприятиях и бензина в автомашинах и т. д.), измерения температуры атмосферы, океана, качественного и количественного анализа плазмы, пламени, слежения за ходом химических реакций до известной степени для управления ими в производственных условиях и др.Рассеивание оптических волн в зависимости от типа рассеивателей и соотношения их размеров с длиной волны обычно подразделяется на три вида: рассеяние Ми, рэлеевское и КР света. Комбинационное рассеяние np ? n0 10-29 (вне резонанса) 10-26 (в резонансе) То же Испускание (флуоресценция) np = n0 np ? n0 10-29 (потушенная) 10-26 (потушенная) То же Поглощение np = n0 10-20 То же Рассеяние Ми - это классическое упругое рассеяние, происходящее на длине волны падающего излучения, когда размеры рассеивающих частиц сравнимы с длиной волны оптического излучения или больше ее. Хотя сечение этого вида рассеяния обычно не очень велико, что обеспечивает высокую чувствительность при зондировании таких частиц вещества, как пыль, водяные капли, рассеяние Ми в то же время не позволяет проводить количественный анализ атомного и молекулярного состава атмосферы. Рэлеевское рассеяние используется для исследования турбулентности атмосферы, флуктуации плотности в диффузионных пламенах и определения видов молекул в турбулентном потоке, рассеяние Ми - для определения размеров, концентраций и скоростей частиц. Диаграмма энергетических уровней атома или молекулы и процессов взаимодействия, связанных с рассеянием и флуоресценцией: а - рэлеевское рассеяние; б - стоксово комбинационное рассеяние; в - резонансное комбинационное рассеяние; г - резонансная флуоресценция; д - широкополосная нерезонансная флуоресценция; е - резонансное рассеяние; m1, т2 и m3 - начальный, промежуточный и конечный уровни.В процессе рассеяния кванта света с энергией hv0 на молекуле, находящейся в переходном состоянии с энергией Е, молекула претерпевает двойной переход, поглощая и испуская фотон. При поглощении фотона энергия молекулы возрастает до уровня Е hv0 и, если этот уровень энергии не окажется стационарным, молекула возвращается на какой-то другой уровень ЕІ с испусканием кванта света. Рассеянное излучение, возникающее при этом, отличается по частоте от возбуждающего, излучения. 3 показана диаграмма энергетических уровней и переходов в молекуле при КР. Законы КР следующие: 1) спутники сопровождают каждую линию первичного света: 2) различие Dv в частотах возбуждающей первичной линии v0 и линий каждого из спутников VI, VII, VIII… является характеристикой рассеивающего вещества и равно частотам собственных колебаний vi его молекул;Принцип работы лидаров состоит в следующем: и атмосферу посылается, как правило, дополнительно коллимированный лазерный пучок и ведется наблюдение за светом, рассеянным в обратном направлении. Типичный прибор состоит из импульсного лазера, способного генерировать мощные моноимпульсы или последовательность импульсов (что важно для осуществления непрерывного слежения за атмосферой и повышения чувствительности метода); телескопа, расширяющего возбуждающий световой пучок, а значит, и уменьшающего его расходимость; телескопа, собирающего рассеянное излучение на входной щели спектрального аппарата или на блоке подобранных узкополосных и отсекающих интерференционных фильтров; системы приема, регистрации и обработки информации. Моностатические системы основаны преимущественно на использовании рассеяния (лидар на КР, резонансных эффектах, дифференциальном поглощений рассеянного излучения), их лазерный источник и приемный телескоп расположены рядом. Бистатические (разнесенные) системы характеризуются тем, что имеют либо раздольно расположенные лазерный передатчик и приемный телескоп, либо лазер и телескоп,

Содержание

Введение

1. Спонтанное комбинационное рассеяние

1.1 Общие сведения

1.2 Методы дистанционного обнаружения атомов и молекул, измерения их концентрации и температуры, основанные на использовании СКР света

1.2 Теория комбинационного рассеяния света

2. Принцип работы лидара и характеристики лидарного метода с использованием спонтанного комбинационного рассеяния

2.1 Преимущества и недостатки схемы лазерных локаторов, основанных на КР

2.2 Измерение концентрации и температуры газов

2.3 Применение комбинационных лидаров для исследования атмосферы и ее загрязнений

Литература

За последние сто лет засорение окружающей среды усилилось разными выбросами. За это время в атмосферу Земли попало, по подсчетам ученых, более миллиона тонн кремния, полтора миллиона мышьяка, около миллиона тонн кобальта. Еще более было выброшено пыли, сажи, копоти, оксидов азота, углерода и серы. Причем большинство выбрасываемых и вредных веществ - ценное промышленное сырье.

Надо иметь в виду то, что где бы на земле ни происходили выбросы пыли, сажи, газов, поднимаясь в атмосферу и тропосферу, они распространяются затем по всей оболочке земного шара. Их влияние двояко и имеет глобальные последствия.

Во-первых, солнечному свету труднее всего пробиться сквозь загрязненную атмосферу. Следовательно, человечество смотрит на свою звезду - Солнце - как бы сквозь грязное окно. Кроме того, пыль в воздухе и избыток газов задерживают ультрафиолетовые лучи. Все это вместе ведет к уменьшению температуры на освещенной Солнцем стороне планеты. В конечном счете, это влияет на тепловой баланс Земли. Во-вторых, если пыль в атмосфере задерживает ультрафиолетовые лучи, то вода и особенно углекислый газ препятствуют уходу в космическое пространство теплового излучения. Оно накапливается у поверхности Земли. В итоге наша планета недополучает солнечного света и не может избавиться от избытка теплоты, и природное тепловое равновесие оказывается под угрозой.

Важную роль в концентрации загрязняющих веществ и их перемещении играют ветры. Сильный ветер уносит загрязняющие вещества из городов, рассеивает их в больших объемах воздуха. В результате концентрации загрязнения уменьшаются. При определенных физико-географических условиях сильный ветер, наоборот, в ряде случаев приводит к увеличению концентрации пыли в воздухе. Например, в странах аридного климата нарушение почвенно-растительного покрова способствует возникновению пыльных бурь, при которых в воздух поднимаются колоссальные массы твердых частиц почвы. Следует оговориться, что при сильных ветрах проблема загрязнения может не исчезнуть, а как бы переместиться в пространстве. Например, при сильных ветрах пыль и газы промышленного происхождения из районов Британских островов достигают Средней Швеции, образуя там загрязнения опасных концентраций.

Сернистый газ с водой воздуха образует капельки серной кислоты. Растворы серной кислоты могут долго держаться в воздухе в виде плавающих капелек тумана или выпадать вместе с дождем на землю. Эти растворы разъедают металлы, краски, синтетические соединения, ткани, губительно действуют на растения и животных. Попадая на землю, серная кислота подкисляет почвы. В результате этого сокращается почвенная фауна.

Распыляются в воздухе асфальт и бетон дорог, резина покрышек автомобилей. Химизация сельского хозяйства сопровождается попаданием в атмосферу все большего количества химических веществ.

В настоящее время наиболее распространенный способ борьбы с загрязнениями воздуха заключается в удалении загрязняющих веществ как можно дальше от места выброса. Это осуществляется строительством высоких труб на заводах и тепловых станциях. Трубы выбрасывают сажу, золу и газы в струйные потоки воздуха, которые выносят грязь на большие расстояния от мест выброса и рассеивают ее в больших объемах воздуха. Во все более широких масштабах проводится строительство разного рода очистных сооружений, уменьшающих выбросы в атмосферу. Но все самые совершенные очистные установки не могут полностью уловить загрязняющие вещества, и какая-то их часть всегда поступает в воздух. В охране воздуха городов и населенных пунктов важная роль принадлежит зеленым насаждениям и зеленым зонам.

Однако все выше названные способы не могут полностью решить проблему охраны атмосферы. Фильтры, газо- и пылеуловители приводят к скоплению огромных масс вредных веществ, которые куда-то надо складировать. При этом происходит загрязнение почвы, поверхностных и грунтовых вод. Часть загрязняющих веществ не улавливается на фильтрах.

В этой связи особенно актуальна проблема исследования уровня загрязнения атмосферы, что и осуществляется, в частности, дистанционными методами.

Данилов-Данильян В.И. «Экология, охрана природы и экологическая безопасность» М.: МНЭПУ, 1997 г.

Протасов В.Ф. «Экология, здоровье и охрана окружающей среды в России», М.: Финансы и статистика, 1999 г.