Том 32, номер 09, статья № 6

Аннотация:

В настоящей статье дан анализ развития лидарных и прожекторных методов исследования атмосферы, разработанных за последние годы в Институте оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, а также описание использования температурной зависимости отношения интенсивностей оптимальной комбинации температурно-чувствительных линий вращательного спектра комбинационного рассеяния на молекулах азота и кислорода для лидарного определения профилей температуры. Описано применение метода дифференциального поглощения и рассеяния для оценки содержания газовых примесей в УФ- и ближнем и среднем ИК-диапазонах. Проанализирована возможность размещения лидара дифференциального поглощения на космической платформе для определения общего содержания метана и углекислого газа в атмосфере. Изучены условия обнаружения полярных и серебристых облаков в атмосфере над Томском. Также определены лидарно-оптические характеристики перистых облаков, состоящих из агрегатов ледяных кристаллов. Обосновано использование постфиламентационных пучков для широкоспектрального зондирования аэрозольной атмосферы. Приведены результаты прожекторного зондирования атмосферных образований, создающих явление зеркального отражения.

Ключевые слова:

лидар, атмосфера, рассеяние, аэрозоль, газовые примеси

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Lidar: range-resolved optical remote sensing of the atmosphere / C. Weitkamp (ed.). Foreword by Herbert Walther. Springer series in optical sciences. 2005. V. 102. 456 p.
2. Прожекторный луч в атмосфере / под ред. Г.В. Розенберга. М.: Изд-во АН СССР, 1960. 244 с.
3. Бобровников С.М., Матвиенко Г.Г., Романовский О.А., Сериков И.Б., Суханов А.Я. Лидарный спектроскопический газоанализ атмосферы. Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2014. 510 с.
4. Лидарный мониторинг облачных и аэрозольных полей, малых газовых составляющих и метеопараметров атмосферы / под ред. Г.Г. Матвиенко. Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2015. 450 с.
5. Матвиенко Г.Г., Балин Ю.С., Бобровников С.М., Романовский О.А., Коханенко Г.П., Самойлова С.В., Пеннер И.Э., Горлов Е.В., Жарков В.И., Садовников С.А., Харченко О.В., Яковлев С.В., Баженов О.Е., Бурлаков В.Д., Долгий С.И., Макеев А.П., Невзоров А.А., Невзоров А.В. Сибирская лидарная станция: аппаратура и результаты. Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2016. 440 с.
6. Serikov I., Bobrovnikov S. Atmospheric temperature profiling with pure rotational Raman lidars / L. Fiorani, V. Mitev (eds.). Recents Advances in Atmospheric Lidars, INOE, 2010, P. 149–216.
7. Васильев Б.И., Маннун У.М. ИК-лидары дифференциального поглощения для экологического мониторинга окружающей среды // Квант. электрон. 2006. Т. 36, № 9. С. 801.
8. Бурлаков В.Д., Долгий С.И., Невзоров А.А., Невзоров А.В., Романовский О.А. Восстановление профилей вертикального распределения концентрации озона из данных лидарного зондирования // Изв. вузов. Физика. 2015. Т. 58, № 8. C. 70–76.
9. Романовский О.А., Садовников С.А., Харченко О.В., Яковлев С.В. Широкодиапазонный ИК-лидар для газоанализа атмосферы // Журнал прикладной спектроскопии. 2018. Т. 85, № 3. С. 448–453.
10. Romanovskii O.A., Sadovnikov S.A., Kharchenko O.V., Shumsky V.K., Yakovlev S.V. Optical parametric oscillators in lidar sounding of trace atmospheric gases in the 3–4 mm spectral range // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics). 2016. V. 25, N 2. P. 88–94.
11. Matvienko G.G., Romanovskii O.A., Sadovnikov S.A., Sukhanov A.Ya., Kharchenko O.V., Yakovlev S.V. Study of the possibility of using a parametric-light-generator-based laser system for lidar probing of the composition of the atmosphere // Journal of Optical Technology (A Translation of Opticheskii Zhurnal). 2017. V. 84, N 6. P. 408–414.
12. Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Давыдов Д.К., Иноуйе Г., Максютов Ш., Мачида Т., Фофонов А.В. Вертикальное распределение парниковых газов над Западной Сибирью по данным многолетних измерений // Оптика атмосф. и океана. 2009. Т. 22, № 5. С. 457–464.
13. Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Давыдов Д.К., Креков Г.М., Фофонов А.В., Бабченко С.В., Inoue G., Machida T., Maksutov Sh., Sasakawa M., Shimoyama K. Динамика вертикального распределение парниковых газов в атмосфере // Оптика атмосф. и океана. 2012. Т. 25, № 12. С. 1051–1061.
14. Изменение климата, 2014. Обобщающий доклад. Резюме для политиков. Режим доступа: https://www. ipcc.ch/site/assets/uploads/2018/02/AR5_SYR_FINAL_SPM_ru.pdf (дата обращения: 07.02.2019).
15. Allen M.R., Dube O.P., Solecki W., Aragón-Durand F., Cramer W., Humphreys S., Kainuma M., Kala J., Mahowald N., Mulugetta Y., Perez R., Wairiu M., Zickfeld K., 2018: Framing and Context. In: Global Warming of 1.5 °C. An IPCC Special Report on the impacts of global warming of 1.5 °C above pre-industrial levels and related global greenhouse gas emission pathways, in the context of strengthening the global response to the threat of climate change, sustainable development, and efforts to eradicate poverty / V. Masson-Delmotte, P. Zhai, H.-O. Pörtner, D. Roberts, J. Skea, P.R. Shukla, A. Pirani, W. Moufouma-Okia, C. Péan, R. Pidcock, S. Connors, J.B.R. Matthews, Y. Chen, X. Zhou, M.I. Gomis, E. Lonnoy, T. Maycock, M. Tignor, T. Waterfield (eds.). In Press.
16. Оценочный доклад об изменениях климата и их последствиях на территории Российской Федерации. Т. 1. Изменения климата. М.: Росгидромет, 2008. 246 с.
17. Connor B., Bösch H., McDuffie J., Taylor T., Fu D., Frankenberg C., O’Dell C., Payne V.H., Gunson M., Pollock R., et al. Quantification of uncertainties in OCO-2 measurements of XCO₂: Simulations and linear error analysis // Atmos. Meas. Tech. 2016. V. 9. P. 5227–5238.
18. Ehret G., Kiemle C., Wirth M., Amediek A. Space-borne remote sensing of CO₂, CH₄, and N₂O by integrated path absorption lidar: A sensitivity analysis // J. Appl. Phys. 2008. V. 90. P. 593–608.
19. Mao J., Ramanathan A., Abshire J.B., Kawa S.R., Riris H., Allan G.R., Rodriguez M., Hasselbrack W.E., Sun X., Numata K., et al. Measurement of atmospheric CO₂ column concentrations to cloud tops with a pulsed multi-wavelength airborne lidar // Atmos. Meas. Tech. 2018. V. 11. P. 127–140.
20. Han G., Ma X., Liang A., Zhang T., Zhao Y., Zhang M., Gong W. Performance Evaluation for China’s Planned CO₂-IPDA // Remote Sens. 2017. V. 9. P. 768.
21. Ehret G., Bousquet P., Pierangelo C., Alpers M., Millet B., Abshire J.B., Bovensmann H., Burrows J.P., Chevallier F., Ciais P., Crevoisier C., Fix A., Flamant P., Frankenberg Ch., Gibert F., Heim B., Heimann M., Houweling S., Hubberten H.W., Jöckel P., Law K., Löw A., Marshall J., Agusti-Panareda A., Payan S., Prigent C., Rairoux P., Sachs T., Scholze M., Wirth M. MERLIN: A French-German space lidar mission dedicated to atmospheric methane // Remote Sens. 2017. N 9. P. 1052–1081.
22. Caron J., Durand Y., Bézy J.-L., Meynard R. Performance modelling for A-SCOPE // Proc. of SPIE. 2009. N 7479-13.
23. Ingmann P. A-Scope. Esa Report: Advanced Space Carbon and Climate Observation of Planet Earth, Report for Assessment; SP-1313/1; ESA/ESTEC: Noordwijk. The Netherlands. 2009.
24. Matvienko G.G., Sukhanov A.Y. Application of Neural Networks for Retrieval of the CO₂ Concentration at Aerospace Sensing by IPDA-DIAL lidar // Remote Sens. 2019. V. 11. P. 659.
25. Бабченко С.В., Матвиенко Г.Г., Суханов А.Я. Оценки возможностей зондирования парниковых газов CH₄ и CO₂ над подстилающей поверхностью IPDA лидаром космического базирования // Оптика атмосф. и океана. 2015. Т. 28, № 1. С. 37–45.
26. Суханов А.Я. Решение обратной задачи DIAL-IPDA аэрокосмического лидарного зондирования углекислого газа на основе бионических методов // Оптика атмосф. и океана. 2017. Т. 30, № 7. С. 589–597.
27. Matvienko G.G., Krekov G.M., Sukhanov A.Ya. Space-borne remote sensing ofgreenhouse gases by IPDA lidar: A potentialities estimate // 25th Intern. Laser Radar Conf. St.-Petersburg, 2010. P. S11P-02.
28. Matvienko G.G., Sukhanov A.Ya. Space-borne remote sensing of CO₂ by IPDA lidar with heterodyne detection: Random error estimation // Proc. SPIE. 2015. V. 9680. CID: 9680 4I.
29. Klett D. Stable analytical inversion solution for processing lidar returns // Appl. Opt. 1981. V. 20. P. 211–220.
30. Fernald F.G. Analysis of atmospheric lidar observations: Some comments // Appl. Opt. 1984. V. 23. P. 652–653.
31. Hayman M., Spuler S., Morley B. Polarization lidar observations of backscatter phase matrices from oriented ice crystals and rain // Opt. Express. 2014. V. 22, N 14. P. 16976–16990.
32. Borovoi A., Konoshonkin A., Kustova N. Backscattering reciprocity for large particles // Opt. Lett. 2013. V. 38, N 9. P. 1485–1487.
33. Borovoi A., Konoshonkin A., Kustova N. Backscatter ratios for arbitrary oriented hexagonal ice crystals of cirrus clouds // Opt. Lett. 2014. V. 39, N 19. P. 5788–5791.
34. Borovoi A., Kustova N., Konoshonkin A. Interference phenomena at backscattering by ice crystals of cirrus clouds // Opt. Express. 2015. V. 23, N 19. P. 24557–24571.
35. Konoshonkin A., Wang Z., Borovoi A., Kustova N., Liu D., Xie C. Backscatter by azimuthally oriented ice crystals of cirrus clouds // Opt. Express. 2016. V. 24, N 18. P. A1257–A1268.
36. Konoshonkin A., Borovoi A., Kustova N., Reichardt J. Power laws for backscattering by ice crystals of cirrus clouds // Opt. Express. 2017. V. 25, N 19. P. 22341–22346.
37. Wang Z., Borovoi A., Konoshonkin A., Kustova N., Liu D., Xie C. Extinction matrix for cirrus clouds in the visible and infrared regions // Opt. Lett. 2018. V. 43, N 15. P. 3578–3581.
38. Ding J., Yang P., Holz R., Platnick S., Meyer K., Vaughan M., Hu Y., King M. Ice cloud backscatter study and comparison with CALIPSO and MODIS satellite data // Opt. Express. 2016. V. 24, N 1. P. 620–636.
39. Woste L., Wedekind C., Wille H., Rairoux P., Stein B., Nikolov S., Werner Ch., Niedermeier S., Schillinger H., Sauerbrey R. Femtosecond atmospheric lamp // Laser und Optoelektronik. 1997. V. 29. P. 51–53.
40. Rairoux P., Schillinger H., Niedermeier S. at el. Remote sensing of the atmosphere using ultrashort laser pulses // Appl. Phys. B71. 2000. P. 573–580.
41. Wolf Jean-Pierre, Bourayou R., Boutou V., Favre C. at el. Teramobile: a Nonlinear Femtosecond Terawatt Lidar // Proc. ILRC 21, Quebec City, Canada. Part 1. 2002. P. 47–50.
42. Faye G., Kasparian J., Sauerbrey R. Modifications to the lidar equation due to nonlinear propagation in air // Appl. Phys. 2001. B 73. P. 157–163.
431. Апексимов Д.В. и др. Фемтосекундная атмосферная оптика / под общ. ред. С.Н. Багаева, Г.Г. Матвиенко. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2010. 238 с.
44. Апексимов Д.В., Гейнц Ю.Э., Землянов А.А., Кабанов А.М., Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К. Управление областью множественной филаментации тераваттных лазерных импульсов на стометровой воздушной трассе // Квант. электрон. 2015. С. 408–414 [Quantum Electron. 2015. P. 408–414].
45. Апексимов Д.В., Землянов А.А., Иглакова А.Н., Кабанов А.М., Кучинская О.И., Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К., Петров А.В. Глобальная самофокусировка и особенности множественной филаментации излучения субтераваттного титан-сапфирового лазера с сантиметровым диаметром выходной апертуры на 150-метровой трассе // Оптика атмосф. и океана. 2017. Т. 30, № 9. С. 727–732.
46. Апексимов Д.В., Землянов А.А., Иглакова А.Н., Кабанов А.М., Кучинская О.И., Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К., Петров А.В., Соколова Е.Б. Локализованные световые структуры с высокой интенсивностью при множественной филаментации фемтосекундного импульса титан-сапфирового лазера на воздушной трассе // Оптика атмосф. и океана. 2017. Т. 30, № 11. С. 910–914.
47. Матвиенко Г.Г., Ошлаков В.К., Степанов А.Н., Суханов А.Я. Моделирование переноса излучения методом Монте-Карло и решение обратной задачи на основе генетического алгоритма по результатам эксперимента зондирования аэрозолей на коротких трассах с использованием фемтосекундного лазерного источника // Квант. электрон. 2015. C. 145–152 [Quantum Electron. 2015. P. 145–152].
48. Галилейский В.П., Гришин А.И., Колеватов А.С., Морозов А.М., Ошлаков В.К., Петров А.И. Источник некогерентного широкоспектрального импульсного оптического излучения для зондирования тропосферы // XVIII Рабочая группа «Аэрозоли Сибири» 29 ноября – 2 декабря 2011 г., Томск.
49. Галилейский В.П., Колеватов А.С., Морозов А.М. Источник некогерентного импульсного оптического излучения для зондирования тропосферы // XIX Рабочая группа «Аэрозоли Сибири» 27–30 ноября 2012 г., Томск.
50. Ошлаков А.К. Ошлаков В.К. Галилейский В.П., Колеватов А.С. Морозов А.М. Оптический пробой воздуха излучением широкоспектрального источника света // Оптика атмосф. и океана. 1999. Т. 12, № 5. С. 449–452.