Том 22, номер 05, статья № 11

Аннотация:

Обсуждаются результаты замкнутого численного эксперимента по лазерному зондированию концентрации водяного пара и малых газовых примесей в тропосферном слое атмосферы на основе новой гибридной технологии LIDAR-DOAS, использующей в качестве распределенного трассового отражателя атмосферный аэрозоль. Проведенные на основе метода Монте-Карло количественные оценки подтверждают перспективность подобного подхода, расширяющего возможности классической схемы дифференциальной оптической атмосферной спектроскопии (DOAS) в плане дистанционного контроля и локализации опасных антропогенных выбросов токсичных газов до высоты тропопаузы. Необходимость оценки сигналов обратного рассеяния с высоким спектральным разрешением на основе нестационарного уравнения переноса потребовала существенной модификации алгоритмов статистического моделирования. Использован новый метод локальной оценки потока, учитывающий селективное поглощение газовой атмосферы. Сочетание этого метода с генетическим алгоритмом решения обратной задачи восстановления профилей искомых газовых компонентов тропосферы дает возможность строгого количественного прогноза эффективности разрабатываемых лидарных систем мониторинга окружающей среды.

Ключевые слова:

лидарное зондирование, широкополосное излучение, генетический алгоритм

Список литературы:

1. Schotland R.M. The detection of the vertical profile of atmospheric gases by means of a ground-based optical radar // Proc. Third Symp. on Remote Sensing of the Environment. Michigan: Ann. Arbor. USA, 1964. P. 215-224.
2. Zuev V.E. Laser Beam in the Atmosphere. Plenum. Publ. Corp. N. Y., 1981. 345 p.
3. Gibson A.J., Thomas L. Ultraviolet laser sounding of the troposphere and lower stratosphere // Nature (Gr. Brit.). 1975. V. 256. N 5578. P. 561-563.
4. Mattias V., Bosenberg J., Frendenthaler V., Amadeo A., Balis D., Chaikovsky A. Aerosol lidar intercomparison in the framework of the EARLINET project. 1. Instruments // Appl. Opt. 2004. V. 43. P. 961-976.
5. Godin S., Carswell A.I., Donovan D.P., Claude H., Steibrecht W. Ozone differential absorption lidar algorithm intercomparison // Appl. Opt. 1999. V. 38. N 30. P. 6225-6236.
6. Fiorani L., Durieux E. Comparison among error calculations in differential absorption lidar measurements // Opt. and Laser Technol. 2001. V. 33. P. 371-377.
7. Uchino O., McCormic M.P., Swissler T.J., McMaster L.R. Error analysis of DIAL measurements of ozone by Shuttle eximer lidar // Appl. Opt. 1986. V. 25. N 21. P. 3946-3951.
8. Browell E.V., Ismail S., Shipley T. UV DIAL measurements of О₃ profiles in regions of spatially inhomogeneous aerosols // Appl. Opt. 1985. V. 24. P. 2827-2836.
9. Kovalev V.A., McElroy J.L. Differential absorption lidar measurement of vertical ozone profiles in the troposphere that contains aerosol layers with strong backscattering gradients // Appl. Opt. 1994. V. 33. P. 8393-8401.
10. Костко O.K., Портасов B.C., Хаттатов В.У., Чаянова Э.А. Применение лазеров для определения состава атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 216 с.
11. Lazzarotto B., Friound M., Larcheveque G. Ozone and water-vapor measurements by Raman lidar in the planetary layers: error sources and field measurements // Appl. Opt. 2001. V. 40. N 18. P. 2985-2997.
12. Креков Г.М., Крекова М.М. Об эффективности методов колебательно-вращательной рамановской спектроскопии при лазерном зондировании облачной атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 2005. T. 18. № 5. C. 471-481.
13. Walmsley H.L., O'Connor S.J. The accuracy and sensitivity of infrared differential absorption lidar measurements of hydrocarbon emissions from process units // Pure and Appl. Opt. A. 1998. V. 7. P. 907-925.
14. Noxon J.F. Nitrogen Dioxide in the Stratosphere and Troposphere measured by Ground-based Absorption Spectroscopy // Science. 1975. V. 189. P. 547-549.
15. Noxon J.F., Whipple E.C., Hyde R.S. Stratospheric NO2. 1. Observational method and behavior at Midlatitudes // J. Geophys. Res. C. 1979. V. 84. Is. 8. P. 5047-5076.
16. Platt U., Perner D., Patz H.W. Simultaneous measurement of atmospheric CH₂O, O₃ and NO₂ by differential optical absorption // J. Geophys. Res. C. 1979. V. 84. Is. 10. P. 6329-6335.
17. Platt U. Monitoring by Spectroscopic Techniques. N.Y.: John Wiley & Sons, 1994. 245 p.
18. Platt U., Perner D. Direct Measurements of Atmospheric CH₂O, HNO2, O₃, NO₂, and SO₂ by differential optical absorption in the near UV // J. Geophys. Res. C. 1980. V. 85. Is. 12. P. 7453-7458.
19. Platt U. Differential Optical Absorption Spectroscopy // Air Monitoring Encyclopedia of Analytical Chemistry / Ed. R.A. Meyers. Chichester: John Wiley & Sons Ltd., 2000. P. 1936-1959.
20. Platt U., Perner D. Measurements of Atmospheric Trace Gases by Long Path Differential UV/visible Absorption Spectroscopy // Optical and Laser Remote Sensing / D.K. Killinger and A. Mooradian (Eds.). N.Y.: Springer-Verlag, 1983. P. 95-105.
21. Rothman L.S., Jacquemart D., Barbe A., Benner C.D., Birk M., Brown L.R., Carleer M.R., Chackerian C., Chance Jr.K., Coudert L.H., Dana V., Devi V.M., Flaud J.-M., Gamache R.R., Goldman A., Hartmann J.-M., Jucks K.W., Maki A.G., Mandin J.Y., Massie S.T., Orphal J., Perrin A., Rinsland C.R., Smith M.A.H., Tennyson J., Tolchenov R.N., Toth R.A., Vander Auwe-ra J., Varanas P., Wagner G. The HITRAN 2004 molecular spectroscopic database // J. Quant. Spectrosc. & Radiat. Transfer. 2005. V. 96. P. 139-204.
22. Plane J.M.C., Smith N. Atmospheric monitoring by differential optical absorption spectroscopy // Spectroscopy in Environmental Science / R.J.H. Clark and R.E. Hester, Eds. Chichester: Wiley, 1995. P. 223-262.
23. Stutz J., Platt U. Numerical analysis and estimation of the statistical error of differential optical absorption spectroscopy measurements with least-squares methods // Appl. Opt. 1996. V. 35. P. 41-6053.
24. Vandaelea A.C., Tsoulib A., Carleerb M., Colinb R. UV Fourier transform measurements of tropospheric O₃, NO₂, SO2, benzene, and toluene // Environ. Pollut. 2002. V. 116. P. 193-201.
25. Vandaele A.C., Carleer M. Development of Fourier transform spectrometry for UV-visible DOAS measurements of tropospheric minor constituents // Appl. Opt. 1999. V. 38. P. 2630-2639.
26. Pundt, Mettendorf K.U. Multibeam long-path differential optical absorption spectroscopy instrument: a device for simultaneous measurements along multiple light paths // Appl. Opt. 2005. V. 44. P. 4985-4994.
27. Haonninger G., von Friedeburg C., Platt U. Multi axis differential optical absorption spectroscopy (MAX-DOAS) // Atmos. Chem. and Phys. 2004. V. 4. P. 231-254.
28. Platt U. Air Pollution Monitoring Systems - Past-Present-Future // Advanced Environmental Monitoring / Eds. Y.J. Kim and U. Platt. Springer, 2008. P. 3-20.
29. Jones R.L. A novel ranging UV-visible spectrometer for remote sensing of the troposphere // SPIE Opt. Methods Atmos. Chem. 1992. V. 15. P. 393-402.
30. Strong K., Jones R.L. Remote measurements of profiles of atmospheric constituents with UV-visible ranging spectrometer // Appl. Opt. 1995. V. 34. P. 6223-6235.
31. Povey I.M., South A.M., Hill C., Freshwater R.A., Jones R.L. A broadband lidar for measurement of tropospheric constituents profiles from the ground // J. Geophys. Res. D. 1998. V. 103. Is. 3. P. 3369-3380.
32. South A.M., Povey I.M., Jones R.L. Broadband lidar measurement of tropospheric water vapor profiles // J. Geophys. Res. D. 1998. V. 103. Is. 23. P. 31191-31202.
33. CCD Image Sensors in Deep-Ultraviolet. Berlin; Heidelberg: Springer, 2006. 287 p.
34. Douard M., Bacis R., Rambaldini P., Wolf J.P. Fourier-transform lidar // Opt. Lett. 1995. V. 20. P. 2140-2142.
35. Креков Г.М., Крекова М.М., Суханов А.Я. Оценка эффективности использования перспективных лидаров белого света для зондирования микрофизических параметров слоистой облачности: 1. Аналитический обзор // Оптика атмосф. и океана. 2009. Т. 22. (В печати).
36. Rairoux P., Schillinger H., Niedermeier S. Remote sensing of the atmosphere using ultrashort laser pulses // Appl. Phys. B. 2000. V. 71. P. 573-580.
37. Wille H., Rodrigues M., Kasparian J. Teramobile: a mobile femtosecond-terawatt laser and detection system // Eur. Phys. J. Appl. Phys. 2002. V. 20. P. 183-190.
38. Woste L., Wedekind C., Wille H., Rairoux P., Stein B., Werner C., Niedermeier S., Ronneberger F., Schillinger H., Sauerbrey R. Femtosecond atmospheric lamp // Laser und Optoelektronik. 1997. V. 29. P. 51-53.
39. Kasparian J., Rodrigues M., Mejean G., Salmon J.Yu., Wille H., Wolf G.P., Franco M., Mysyrowicz A., Woste L. White-light filaments for atmospheric analysis // Science. 2003. V. 301. P. 61-64.
40. Schwarz H.R. Numerische Mathematik. Stuttgart; Willey, 1988. 345 p.
41. Lienert B.R., Porter J.N., Sharma S.K. Repetitive genetic inversion of optical extinction data // Appl. Opt. 2001. V. 40. P. 3476-3482.
42. Mera N.S., Elliott L., Ingham D.B. A multi-population genetic algorithm approach for solving ill-posed problems // Comput. Mechanics. 2004. V. 33. P. 254-262.
43. Irvine W.M. The formation of absorption bands and the distribution of photon optical paths in scattering atmosphere // Bull. Astron. Inst. Nether. 1964. V. 17. P. 266-279.
44. Зуев В.Е., Кабанов М.В. Перенос оптических сигналов в земной атмосфере. М.: Сов. радио, 1977. 368 с.
45. Михайлов Г.А. Оптимизация весовых методов Монте-Карло. М.: Наука, 1987. 237 с.
46. Креков Г.М. Метод локальной оценки потока в задачах широкополосного лазерного зондирования // Оптика атмосф. и океана. 2009. Т. 22. (В печати).
47. Мицель А.А., Фирсов К.М., Фомин Б.А. Перенос оптического излучения в молекулярной атмосфере. Томск: Изд-во STT, 2001. 443 с.
48. Dell'Aglio M., Kholodnykh A., Lassandro R., De Pascale O. Development of a Ti:Sapphire DIAL system for pollutant monitoring and meteorological applications // Opt. and Lasers Eng. 2002. V. 37. P. 233-244.
49. Зуев В.Е., Креков Г.М. Оптические модели атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 256 с.