выдержать большие потоки энергии, так как они почти не поглоша­

ют излучение, а отражают его. Недостатком интерференционных

светофильтров является сравнительно небольшая оптическая плот­

ность на рабочей частоте

Наилучшие параметры имеют комбинированные светофильтры,

вкоторых отражающие диэлектрические слои чередуются с погло­

щающими. Применяя пленки из различных материалов, в таких

фильтрах можно получить любую оптическую плотность в заданном

диапазоне волн

Очки для защиты от лазерного излучения персонал должен но­

сить постоянно. поэтому они должны быть удобными и легкими.

Форма оправы должна быть такой, чтобы полностью исключить воз­

можность попадания лазерного излучения внутрь очков через щели

между оправой и лицом, обеспечить широкое поле зрения, а также, чтобы люди, пользующиеся обычными корригирующими очками,

могли надевать защитные очки поверх них.

При работе с мощными лазерами приходится принимать специ­

альные меры для защиты кожи рук и лица. Хорошими защитны­ ми свойствами обладает белый. фетр толщиной 2... 3 мм, который хо­

рошо выдерживает плотность излучения до 100 Дж/см2. Для защи­

ты рук можно применять обычные кожаные перчатки, которые уменьшают опасность поражения кожи в 100 раз. Кроме того, для

защиты кожи применяются кремы с двуокисью титана и двуокисью

цинка.

8.11.Лазеры в химическом анализе

Внастоящее время на основе применения лазеров в химическом анализе разработано большое количество аналитических методов. Однако следует иметь в виду, что все эти методы имеют локальный характер. При этом определение химического состава проб может

осуществляться как в лабораторных условиях, так и в полевых,

когда анализ проводится непосредственно в месте забора проб. Ос­

новные методы анализа газов и твердых веществ с помощью лазе­

ров приведены в табл. 8.5 и 8.6. Некоторые методы имеют неоспо­

римые преимущества по сравнению с традиционными методами ана­

лиза, другие - еще только развиваются. Рассмотрим ряд методов более подробно и отметим положительные и отрицательные момен­

ты с точки зрения применения их для решения экологических про­

блем [11].

278 Час т ь l Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и nрироде

лективное регистрирующее устройство, 10 - выход

на электронный переход атома или молекулы В свою очередь, элект­

рическая проводимость пламени, которая может быть измерена с

помощью внешних электродов, зависит от концентрации ионов и

электронов При настройке лазера на электронный переход атома

или молекулы возбужденные частицы легко ионизируются Следо­

вательно, лазерное излучение изменяет электрическую проводи­

мость пламени или разряда Чувствительность этого метода при оп­

ределении атомов металла составляет l о-з нг/ мл

На рис 8 10 представлена схема лазерного ионизационного

спектрометра Луч перестраиваемого лазера на красителе проходит

сквозь nламя вблизи двух электродов, имеющих nотенциал относи­

тельно горелки 1оз В Импульсы тока, возникающие при лазерной

ионизации, налагаются на большой фон постоянного тока, связан­

ного со статической проводимостью Эти импульсы усиливаются и

регистрируются селективным интегратором в случае возбуждения имnульсным лазером или синхронным детектором при возбужде­

нии модулированным излучением непрерывного лазера При на-

280 Час т ь 1 Место инженерной экологии в системе знании о человеке и природе

разующиеся ионы могут также анализироваться масс спектромет­

ром При двухфотонной ионизации требование наличия двух фото

нов с одинаковой энергией является необязательным, так как фо­ тоионизационный континуум простирается на многие электрон

вольты, следовательно, резонансная ионизация возможна даже в

том случае, когда достигнутое после поглощения второго фотона со

стояние лежит значительно выше порога ионизации Чувствитель

ность рассмотренного метода при определении микроколичеств ор

ганических молекул в газовой фазе пока еще может быть оценена

только приблизительно Минимально регистрируемый коэффициент поглощения для молекул составляет lQ-14 см-1

Если молекулярный газ, находящийся в поле оптического излу­ чения, взаимодействует с этим полем путем поглощения или рас­

сеяния, то при малои интенсивности излучения рассеяние бывает

двух типов

• рэлеевское рассеяние - без изменения длинъr волны рассе­

янного света

• комбинационное рассеяние (КР) - с изменением длины

волны рассеянного света, что соответствует увеличению или умень­

шению энергии молекулы

Если молекулы облучаются монохроматическим светом с ttастотой w, то при КР в рассеянном излучении возникают новые

частоты

национная частота молекулы

Установка по исследованию КР состоит из лазера, облучаемои

кюветы и еветоеобирающей оптики со спектрометром

Вметоде когерентного антистоксова КР два лазерных луча

счастотами ro 1 и ro2 фокусируются на образец, при этом в образце возникает когерентное излучение с частотой 2ro 1 - ro2 = ro3 Интен­

сивность этого излучения зависит от молекулярных колебаний на

частоте wR ""' w1 - ro? При wR = ro 1 - (02 когерентно рассеянное из­

лучение усиливаетс-я' Таким образом, при изменении ro2 частота,

равная ro 1 - ro2, будет сканировать по молекулярным комбинацион­

ным модам wR Узконаправленность излучения при когерентном

антистоксовом КР является его преимуществом по сравнению с обычным КР, при котором излучение происходит в полном телесном

угле 4n ер (Стерадиан) Основные виды рассеяния и частотные ха­

рактеристики процессов при когерентном КР приведены в табл 8 7

282 Час т ь 1 Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе

прерывания луча лазера обтюратором исходят из требований полу­ чения максимального отношения сигнала к шуму. В хорошо скон­

струированном приборе уровень шума определяется броуновским

движением молекул, сталкивающихся с диафрагмой микрофона. Лазерная фотоакустическая спектроскопия применяется также

висследованиях вынужденного комбинационного рассеяния

(ВКР). Этот метод называется фотоакустической спектроскопией

КР и основан на том, что ВКР изменяет заполненыость (заселен­

ность) возбужденных колебательных уровней газовых молекул.

Перенос энергии от колебательных уровней в кинетическую энер­

гию частиц превращает эту энергию в акустическую, которая реги­

стрируется обычным способом с помощью микрофона. Этот метод

является локальным, так как требует наличия микрофона и фотоа­

кустической кюветы с исследуемым газом.

Для определения содержания микропримесей был разработан

лазерный спектральный метод микроанализа, который сочетает

в себе чувствительность атомного эмиссионного спектрального ана­

лиза и пространствеиную селективность, достигаемую с помощью

сфокусированного лазерного луча. При лазерном отборе микрапроб

используется импульсный лазер, обеспечивающий испарение пробы. Вещество, выброшенное из области лазерного фокуса, вводится в

разрядную дугу с целью его возбуждения. Преимуществом этого способа является возможность облучения образцов на откры­ том воздухе.

Для селективного возбуждения выброшенного вещества можно применять второй лазер, излучение которого настраивается на резо­

нансную линию определяемого элемента в струе пара. Поглощенная

атомами элемента энергия излучается в виде резонансной флуоре­ сценции. Серия импульсов флуоресцентного сигнала регистрируется

фотоумножителем, расположенным на выходе монохроматора. Сиг­

налы флуоресценции слабо зависят от основы исследуемой породы.

К недостаткам химических методов газового анализа можно от-

нести.

•низкую чувствительность к обнаружению малых примесей;

•большую инерционность;

•малую точность измерений;

•недостаточную селективность;

•необходимость накопления в пробе больших объемов воздуха;

•сложность калибровки приборов с помощью эталонных газов.

Достоинства методов - простота и дешевизна аппаратуры. Од-

нако, химические методы, как и методы с применением лазеров, яв-

284 Час т ь 1 Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе

h, км

100

во

3

60

40

2

160 200 240 280 320 т,к

Рис 8 13 Зависимость средней температуры от высоты для 45• с ш в июле 1 - тропосфера, 2 - тропопау:>а, 3 - стратосфера

поскольку воздух в стратосфере довольно устойчив и его перемеши­

вание в ней незначительно. Другое существенное отличие страто­

сферы - это высокий уровень УФ излучения, обеспечиваЮщий про­

текание фотохимических реакций.

Чистый сухой воздух на 99% состоит из азота и кислорода Со­ держание малых составляющих подвержено временнЫм и простран­

ственным изменениям

Аэрозоли снижают прозрачность воздуха и являются центрами

протекания химических реакций. Выступая в роли ядер конденса­ ции, они изменяют количество осадков Аэрозоли представляют

опасность для человека, попадая внутрь организма через дыхатель­

ные пути. Естественными источниками аэрозолей и частиц являются

морские брызги, выветривание почвы, цветочная пыльца, лесные по­

жары, вулканы и др. Человек увеличивает количество аэрозолей

путем сжигания топлива, при строительстве, обработке земли и др. Химический состав тропосферы колеблется из-за попадания в

нее твердых час1 иц, таких как зола, свинец, сульфаты и нитраты, а

также жидких, включая серную и азотную кислоты и растворенные

соли этих и других кислот Присутствуют также твердые частицы с жидкой оболочкой Форма частиц колеблется от очень неправиль­

ной, например у золы, до сферической у жидкости в виде капель.

Разнообразен и размер частиц аэрозоля Однако в условиях устой­

чивого состояния среды радиус частиц лежит обычно в пределах

0,01 20 мкм, что обусловлено естественными процессами, напри­

мер мелкие частицы стремятся коагулировать, а более крупные -

гравитационно осаждаются. Концентрация аэрозолей и частиц изме­ няется в широких пределах и зависит от метеорологических условий

ирасположения локальных источников

Всостав стратосферы входят азот, кислород, аргон и углекислый

газ, которые достаточно хорошо персмешаны до высоты 100 км. Со­

держание водяных паров и других второстепенных газов, аэрозолей

ичастиц в стратосфере подвержено пространственно-временным ва­

риациям Во всей стратосфере существуют аэрозоли и частицы,

максимумы концентраций которых наблюдаются на высоте 20 км, и этот слой называют 20-километровым аэрозольным слоем или слоем Юнге. Аэрозоли представляют собой в основном сульфаты - про­ дукты окисления S02 и При извержениях вулканов в страто­ сфере наблюдается резкое увеличение количества аэрозолей. Кроме

соединений серы, в стратосферу поступают соединения азота (NO и N02), азотной кислоты, метан, озон и др

Содержание водяного пара в атмосфере претерпевает сущест­

венные пространственные вариации от О до 4% по объему. Водяной

пар не всегда может рассматриваться как идеальный газ Если его

пары не насыщены, то его характеристики почти строго соответст­

вуют идеальному газу, а при насыщении заметно отклоняются. Пар

может менять свое агрегатное состояние, превращаясь в воду или

кристаллы льда, и вновь испаряться Эти процессы в значительной

мере определяют оптико-метеоролргическое состояние атмосферы

как в видимом, так и вИК-диапазоне [7, 15].

В атмосфере всегда в виде взвеси или гидраметеоров присутст­

вует аэрозоль, которая интенсивно рассеивает и поглощает оптичес­

кое излучение. Гигроскопические активные малые частички являют­

ся центральными процессами конденсации и сублимации водяного

пара. Они способствуют образованию туманов и облаков. Аэрозоль

и вещества на его основе играют решающую роль в пространствен­

но-временных трансформациях прозрачности атмосферы.

Хотя атмосфера состоит из атомов, молекул и аэрозольных час­

тиц, являясь тем самым дискретн{)Й средой, однако при ее матема­ тическом описании удобно использовать гипотезу сплошности. Это

позволяет ввести в рассмотрение ряд измеряемых на практике мак­

роскопических величин. плотность, давление, температуру, показа­

тель преломления, коэффициенты поглощения и рассеяния и т.д.

Следовательно, можно перейти к рассмотрению полей этих величин и сформулировать уравнения, описывающие их изменения в про­

странстве и времени.

жении закона поглощения Бугера, который для однородного столба

атмосферы описывается уравнением

ент поглощения. Показатель экспоненты называют оптической тол­ щей среды.

При этом для анализа атмосферы используют такие понятия, как

спектральное пропускание

При лазерном зондировании атмосферы необходимо, чтобы

длина волны излучения лазера соответствовала спектральному окну

прозрачности атмосферы [8, 15].

Рассеяние оптических волн обычно подразделяют на три вида: рассеяние Ми, рэлеевское и комбинационное Первые два вида рас­

сеяния происходят на длине волны падающего излучения и относят­

ся к классу упругих взаимодействий поля с веществом. При рэле­ евеком рассеянии наблюдается некоторое уширение спектра излу­ чения вследствие эффекта Доплера, однако в условиях земной ат­ мосферы частотное смещение спектра незначительно. Поскольку комбинационное рассеяние сопровождается обменом энергией с энергетическими уровнями молекул или атомов, то частотный спектр комбинационного рассеяния представляет собой набор линий, смещенных относительно частоты падающего излучения в ту или иную сторону на значение, равное собственным частотам взаи­ модействующих с излучением частиц Хотя интенсивность спон­

танного комбинационного рассеяния (СКР) на два-три порядка

меньше интенсивности рэлеевекого рассеяния, испоJtьзование этого

явления перспективно для дистанционной диагностики атмосферы,

поскольку интерпретация данных лазерного зондирования в этом

случае сильно упрощается. Эффективность рассеяния оптического излучения на отдельной частице зависит от ее относительного раз­ мера по сравнению с длиной волны Л Для сферических частиц ра­

диусом а эта зависимость выражается через параметр р = 2nа/Л.

Если р > 1, то наблюдается рассеяние Mu, а при р '< 0,3 ...0,5 -

рэлеевское рассеяние.

290 Час т ь I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и nрироде

Генерация частиц в атмосфере происходит в основном за счет фотохимических реакций непрерывно во всем объеме атмосферы.

Образующаяся затем микродисперсная фракция с радиусом частиц

от 5 до 50 нм в результате коагуляции и конденсации паров мало­

летучих веществ приводит к разрастанию частиц по радиусу до

50... 500 нм. Время жизни каждой фракции в тропосференесколь­

ко дней, в страто- и мезосфере - около года. Эти фракции из атмо­

сферы удаляются вымыванием осадками и частично в результате

сегментации (секционирования).

Из теории рассеяния электромагнитных волн на аэрозольных частицах в приближении диэлектрических сфер формула для расче­

та объемного коэффициента рассеяния при заданной длине волны

имеет вид

эффективности рассеяния излучения на частице радиусом а, за­

висит от длины волны, размера частицы и ее показателя преломле­

ния; f(a) - функция распределения аэрозольных частиц по раз­

мерам.

Энергетическое ослабление лазерного излучения атмосферой приводит к ограничению его дальности действия. Кроме этого, раз­

личные атмосферные явления, такие как рефракция и взаимодейст­

вие лазерного излучения с турбулентной атмосферой, влияют на

структуру пучка и траекторию его распространения Световой луч

при своем прохождении искривляется в атмосфере из-за неоднород­

ности ее показателя преломления, обусловленной градиентами температуры воздуха и давления. Вследствие турбулентности атмо­

сферы световая волна испытывает флуктуации амплитуды и фазы

благодаря случайному пространствеино-временному распределению

показателя преломления Турбулентность атмосферы вызывает ис­

кажение фронта волны, что ведет к увеличению расходимости ла­

зерного пучка и пространствеиному перераспределению эцергии

внутри пучка. Кроме того, возможны флуктуации направления рас­

пространения или расщепления лазерного пучка.

При создании систем контроля атмосферы находит применение метод резон.ан.сн.ого рассеян.uя, основанный на эффектах резонанс­ ного взаимодействия, под которым понимают рассеяние, при кото-

ром частота падающего на атомные или молекулярные частицы из­

лучения равна или близка одной из частот их собственных электрон­ ных переходов. Резонансное рассеяние может наблюдаться и на ко­ лебательных частотах молекул в ИК-области спектра. При этом су­ ществует трудность интерпретации измерений из-за перекрытия от­

дельных полос, которые часто имеют большую ширину. Используя

эффекты, сопро~ождаюшие резонансное рассеяние, определяют

концентрацию и температуру резанансна рассеивающих компонен­

тов атмосферы.

При определении этим методом характеристик атмосферы при­

меняют аппаратуру, имеющую оптимальные параметры, и учитыва­

ют предполагаемые эффекты, возникающие при распространении

лазерного излучения. При этом необходимо знать поперечное сече­

ние исследуемых резонансных реакций crp2· Для определения попере­

чных сечений резонансного рассеяния с достаточной точностью

можно пользоваться выражением

(8 26)

где Еодиэлектрическая постоянная; е и те - заряд и масса элек­

трона; f - сила осциллятора; v - спектральная ширина резонанс­

ной линии при условии !:1v > дvл; при дvл > !:1v в (8.26) !:1v необхо­

димо заменить на лазерную !:1vл·

Спектральная ширина резанасной линии для верхней стратосфе­ ры и мезосферы будет определяться доплеровским уширением. Эф­

фективное поперечное сечение резонасиого рассеяния для доплерав­

екого уширения записывается в виде

где R- газовая постоянная (8,32. 107 эрг· град-!· моль-1); М­

молекулярная масса.

Вконкретном случае, например для Д-линий натрия, расчеты crRнеобходимо проводить с учетом сверхтонкого расщепления.

Вотличие от резонансного рассеяния при резонансном погло­

щенuu не происходит изотропного переизлучения энергии на зон­

дирующей частоте В этом случае поглощенная молекулами свето­

вая энергия переходит в тепловую. Эффект поглощения излучения

на практике чаще всего используется для определения загрязняю­

щих примесей в приземном слое воздуха При этом измерения про-

296 Час т ь l Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе

3

4

(j

а

Рис 8 15 Схемы трассового зондирования атмосферных газов методом дифферен

цим1ьного поглощения с использованием в качестве отражателя поворотного зер

кала (а) или диффузно рассеивающего отражатепя (6)

1 - лазер 2 - атмосфера, 3 - зеркальный отражатель 4 - приемная антенн~

(зерка.<ю телескопд), 5 - фотодетектор, б - топографическая мишень

узкополосный фильтр с высоким уровнем режекции В ряде случаев в качестве такого элемента используется монохроматор Кроме того, система должна включать фотоприемник и устройство для обработ­

ки и воспроизведения данных

Мощность принимаемого системой сигнала как функция рассто­ яния описывается следующей формулой

где Р0 - излучаемая мощность, К - эффективность оптической

системы, Т-- коэффициент пропускания атмосферы, А - площадь

приемника, У( R)- фактор, учитывающий перекрытие излучаемого и рассеянного пучков, N( R) - концентрация рассеивающих цент­

ров как функция расстояния, cr - сечение обратного рассеяния Величина !:1R характеризует глубину зондирования, т е рассто­

яние, с которого можно получить рассеянный сигнал в течение за­ данного промежутка времени Глубина зондирования вычисляется с

помощью уравнения

где 1: - длительность импульса

Сечение рассеяния представляет собой сечение рассеяния Mu

о

где a(r) - коэффициент экстинкции, представленныи в виде функ­

ции расстояния и содержащий члены, описывающие поглощение,

рассеяние Mu и рассеяние Рэлея

Если длина волны лазерного излучения попадает в окно прозрач­

ности атмосферы, то вклад поглощения будет мал и a(r) будет опи­

сываться функцией рассеяния Mu Из за присутствия в атмосфере

частиц постоянных форм и размеров связь между об ьемным коэф­ фициентом обратного рассеяния и коэффициентом поглощения ос­

тается неспределенной Это приводит к затруднениям при иденти­ фикации результатов измерения абсолютных концентраций частиц

Поскольку комбинационный сдвиг частоты является характерис­

·тикой молекул данного типа, то спектры комбинационного рассея­

ния атмосферных газов служат основой высокочувствительного ме­

тода определения их состава Например, лидарная система на КР

японского производства смонтирована на основе лазера на стекле,

излучающего вторую гармонику 530 нм Прюшмаемыи системой

сигнал образуется в результате комбинационного рассеяния на раз­

личных газах, создающих этот эффект Для выделения участка спектра, соответствующего линии КР исследуемого газа, использу­

ется монохроматор Интенсивность сигнала регистрируется фотоди­ одом Из-за малого сечения КР такие системы в основном пригодны

для измерений на небольших расстояниях (порядка нескольких де­

сятков метров) Чаще всего такие системы используются для дис­

танционного контроля выброса из дымовых труб

Спомощью мощных импульсных перестраиваемых лазеров

можно исследовать загрязнения при малых концентрациях или на

увеличенных расстояниях Чувствительность систем, основанных на

КР, может быть значительно увеличена при условии интегрирования импульсов слабоэнергетического лазера до 104 и возможности неза­

висимой настройки лазера на резонансную частоту молекул каждого

типа Системы на основе КР обладают хорошей разрешающей спо­

собностью по дальности и позволяют определять концентрацию за­ грязняющих веществ как функцию рассеяния

Для описания зависимости сигнала КРот расстояния можно вос­

пользоваться соотношением (8 29), в котором в роли сечения рас­

сеяния выступает сечение КР Абсолютное значение сечения рас-

298 Час т ь !. Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе

сеяния дЛя конкретного газа мало - обычно не превышает 1о-зо см2.

Роль плотности рассеивающих центров играет плотность исследуе­

мого комбинационно-активного газа.

Температура однозначно связана с двумя другими физическими

параметрами атмосферы -давлением и плотностью, поэтому ее оп­

ределение позволяет вычислить давление и плотность. Измерение

температуры атмосферы является не простым процессом, так как

температура претерпевает изменения, особенно в пограничном слое

атмосферы. На высотах порядка нескольких десятков и сотен метров

часто встречаются слои с температурной инверсией, создающие ба­

рьеры для переноса масс вверх и обуславливающие аккумуляцию загрязнений.

Известно, что интенсивности линий двух ветвей чисто враща­

тельных спектров спонтанного комбинационного рассеяния (СКР)

основных газов атмосферы, а также молекулярных азота и кислоро­

да, концентрация которых в воздухе достигает 99%, имеют обрат­

ную зависимость от температуры. Следовательно, при проведении измерений эхосигналов СКР в указанных ветвях N2 и 0 2 можно из­

влечь информацию и о температуре. Для этого нужно иметь мощный

лазер и создать режим накопления эхосигналов с высоким быстро­

действием.

В ряде случаев для анализа состояния атмосферы применяется резонансная флуоресценция. В этом методе лазерный пучок направ­

ляется в газовый объем, где имеются флуоресцирующие молекулы.

Для описания метода измерения, основанного на резонансной флуо­

ресценции, можно воспо.rуьзоваться соотношением (8.29), в котором

в качестве сечения рассеяния следует учитывать сечение возбужде­

ния флуоресценции. Типичные значения этого сечения составляют ro-Iз... lQ-16 см21ер. Чувствительность данного метода значительно

выше, чем метода КР. Роль плотности в данном случае играет плот­

ность молекул флуоресцирующего газа N(r), представленная как

функция расстояния. Хотя рассматриваемая система также облада­

ет разрешающей способностью по дальности, тем не менее степень

этого разрешения снижается вследствие ограниченности по времени

процесса флуоресценции Разрешение системы по дальности можно представить формулой !J.R = c('t + 'tp). где 'tp - время высвечивания флуоресценции. Поскольку характерное время высвечивания флуо­

ресценции может достигать 50 мкс, то это приводит к значительному

снижению разрешающей способности по дальности.

Чрезвычайно высокую чувствительность обнаружения ряда

газов обеспечивают методы, основанные на поглощении лазерного

пучка при пропускании через исследуемый газовый объем. Длsr

этого излучатель и приемник размещают по разные стороны газово­

го объема. Такая система дистанционного обнаружения не всегда

удобна, так как различные элементы системы размещаются в разных

точках пространства. Одним из способов .решения этой проблемы

при дистанционном зондировании может быть использование отра­

жателя (холма, стены здания, границы леса и т.д.), который распо­

ложен в удаленной точке. Такой способ позволяет создать однопо­

зиционную систему.

Соотношения для мощности сигнала, принимаемого при работе по методу поглощения на трассе большой протяженности, имеют вид

о

где Parr и Рап - соответственно мощность сигнала, принимаемого

втех случаях, когда частота лазерного излучения находится вне

частоты логлощения и когда совпадает с этой частотой; Р0 - из­

ния.

Концентрация загрязняющих веществ определяется с помощью

следующего выражения:

Рассмотренный метод позволяет определять лишь интег­

ральную концентрацию загрязнений вдоль всей трассы.

На практике зондирование атмосферы может быть осуществлено методом дифференциального поглощения, который реализуется

двумя способами:

•дифференциальным логлощением на длинных трассах;

•лидарным дифференциальным поглощением.

На рис. 8.15 изображены две схемы трассоного з?ндирования,

использующие в качестве контротражателя поворотное зеркало

(рис. 8.15,а) и диффузный рассеивающий отражатель (рис. 8.15,6), которым может быть любой топографический объект (стена здания, склон горы, плотная чаща леса и др ). Схема с зеркальным отража-

высота зондирования может достигать 100 км.

Все протекающие в атмосфере процессы, включая динамику

аэрозольного загрязнения, образования облаков, загрязнения

атмосферы и т.д., существенным образом зависят прежде всего

от поля влажности (распределения концентрации молекул водя­

ного пара в пространстве). Для получения поля влажности необхо­

димо иметь набор профилей, которые характеризуют ее распределе­ ние по линии прямолинейно распространяющегося зондирующего лазерного импульса. Если изменять направления зондирования в пространстве, то можно получить набор профилей, с помощью ко­

торых нетрудно построить поле влажности.

Методы лазерного зондирования скорости ветра развивают­

ся в двух направлениях: доплеравеком и корреляционном. Лазерное

зондирование с использованием доплеравекой теории основывается

на зависимости частоты принимаемого эхосигнала от скорости дви­

жения зондируемых объектов атмосферы. Идея корреляционных ме­

тодов связана со статистическим анализом эхосигналов от различ­

ных объектов, через которые эти сигналы переносятся ветром

К преимуществам таких методов следует отнести следующее:

•измерения являются бесконтактными и не требуют тарировки;

•малая длина волны излучения обеспечивает достижение боль­ шой локальности измерений;

•большая частота световых колебаний обеспечивает проведе­

ние измерений ,в очень большом диапазоне скоростей (от 1о-6 до 1Об м/с).

Еще один высокочувствительный метод лазерного дистанцион­

ного газового анализа основан на функциональном совмещении бло­

ков передатчика и приемника лидара, когда отраженный эхосигнал принимается лазером, который играет роли фильтра и усилителя

(ЛП-лидар или лидар с приемом на лазер).

8.13. Мониторинг окружающей среды с исnользованием

лазеров

Главная стратегия мониторинга загрязнения окружающей среды

заключается в последовательности: наблюдатьизучать - описы­ вать. Для реализации такого мониторинга необходима сеть станций,

которая давала бы четырехмерный массив данных об интересующем

веществе в атмосфере или воде.

302 Час т ь 1 Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе

Существует несколько вариантов классификации наблюда­

тельных систем: по типу платформ, по способу измерения физи­

ческих параметров и по регулярности наблюдений.

По типу платформ системы делятся на: приземную, надвод­

ную, подводную, воздушную и космическую. Системы измерений

могут быть подвижными (м<:>бильными) или стационарными.

По способу измерения системы подразделяются на:

•прямые (контактные, локальные);

•дистанционные (пассивные и активные измерения);

•визуальные.

Прямые измерения проводятся у поверхности земли с помощью

самолета-лаборатории или шара-зонда. Визуальные измерения осу­

ществляются при оперативном контроле оптических явлений. Наи­ большую ценность имеют дистанционные методы наземного, ко­

рабельного, самолетного и космического базирования [6,8, 121.

По регулярности наблюдений системы разделяются:

•на регулярные;

•регулярные синхронные (одновременно в разных местах);

•асинхронные;

экспериментальные;

•нерегулярные.

Всемирной метеорологической организацией рекомендовано со­ здавать станции двух типов: базовые и региональные. Базовые станции размещают в местах с наиболее чистой атмосферой. Ос­ новное назначение этих станций - выявление изменений в составе

воздуха, которые могут оказать воздействие на изменение климата.

Региональные станции организуются в местах с источниками за­

грязнений.

Лазерно-локационные методы измерений не имеют конкуренто­

способных дистанционных аналогов определения профиля аэрозоль­

ных (облаков, туманов, пара градирен) и газовых компонентов ат­

мосферы. Они не требуют подъемных средств или шаровых зондов

и др. Лидарные методы оперативны. Малогабаритная аппаратура

может быть размещена на автомашинах, что позволяет проводить

экспресс-анализ локальных источников загрязнений.

На рис. 8.16 приведена схема использования лазерных наблюде­

ний в глобальном мониторинге.

Первой задачей является наблюдение за аэрозолями в городской

атмосфере. Они влияют на тепловой и радиационный режим атмо­ сферы. По прогнозам концентрация аэрозолей антропогенного про­

исхождения к концу текущего столетия достигнет 30%. В городах

304 Час т ь I Место инженерной экологии в системе знаний о человеке и природе

выхолаживание происходит слабее, чем за городом. Это приводит к

увеличению температуры приземного слоя, ослаблению приземной

и образованию приподнятой инверсий температуры над аэрозоль­

ным слоем.

Определение концентрации и спектра частиц по размерам аэро­

золей необходимо для контроля процессq. изменения аэрозолей при

их распространении от локальных источников загрязнений, конден­

сации влаги на аэрозолях и образования твердых аэрозолей в ре­

зультате химических реакций между газовыми составляющими.

Такие процессы способствуют образованию в городском смоге твер­

дых частиц нитратов и сульфатов. Следовательно, параллельна с оп­

ределением микроструктуры аэрозолей целесообразно исследовать

их химический состав, например, методом резонансной флуоресцен­ ции, возбуждаемой лазерным излучением.

В некоторых случаях аэрозоли антропогенного происхождения

могут либо интенсифицировать осадки, либо приводить к перерас­ пределению частиц в облаках. Влияние облачности на приземную

концентрацию газовых загрязнений проявляется f1режде всего в по­

глощении примесей водяными каплями. В результате возникает не­

обходимость определения нижней границы облаков, а также струк­

туры нижней·границы водности и фазового состояния облачности.

Измерение этих параметров при совместном изучении характерис­ тик газовых и аэрозольных примесей позволяет определить особен­ ности взаимодействия облачных масс над городом с загрязняющими

веществами антропогенного происхождения.

Известно, что туманы в городе возникают чаще, чем вне его. Сле­ довательно, возрастает опасность загрязнения атмосферы. Повторя­ емость туманов в городах больше, чем в сельской местности, а вред­ ное действие дымовых и газовых примесей при туманах проявляется

сильнее, чем при других погодных условиях. Густые и длительные

туманы повышают загрязненность воздуха, так как примеси, погло­

щаясь водяными каплями, при растворении образуют новые, иногда

более токсичные вещества. Основными параметрами туманов явля­

ются: интенсивность, пространственное распределение, водность,

которые можно анализировать лазерно-локационными методами.

Задачами наблюдения на фоновых станциях являются:

•накопление статистических данных о прозрачности атмосферы

вразличных спектральных диапазонах, об интенсивности и высоте появления аэрозольных слоев в тропосфере и стратосфере с после­

дующим установлением связи пространственно-временной изменчи­

вости микроструктуры аэрозоля и термического режима атмосферы;