Лидары и надиры в изучении атмосферы

Таблица 1. Сравнение процессов оптического взаимодействия, применяемых в методах дистанционного лазерного зондирования атмосферы

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. При этом рассеиваемый свет сконцентрирован в основном в направлении «вперед» и имеет значительно меньшую интенсивность в направлении «назад». 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 также когерентно и происходит без сколько-нибудь значительного обмена энергией с внутренними состояниями молекул и атомов, как показано на рис. 1, а, где n0 обозначают частоту (волновое число) падающего, а nр – рассеянного излучения. На рисунке представлены основное и возбужденное электронные состояния и их отдельные уровни. В случае атомов отдельные уровни образуются вследствие взаимодействий, определяющих тонкую и сверхтонкую структуру, а в случае молекул они соответствуют колебательно-вращательным состояниям. Энергия рэлеевского рассеяния сосредоточена вблизи направления распространения пучка с равными интенсивностями рассеяния «вперед» и «назад». Поскольку центральная длина волны рэлеевской компоненты рассеяния совпадает с длиной волны рассеяния Ми и зависимость ее интенсивности от l является гладкой функцией (~ l-4), то различить эти два вида можно только по индикатрисе рассеяния. Контур линии рэлеевского рассеяния содержит информацию о температуре (вследствие эффекта Допплера).

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. На рис. 1 изображены и другие возможные механизмы, связанные с атомными и молекулярными процессами, в которых фотон рассеивается неупруго. Процесс СКР включает обмен значительным количеством энергии между рассеянным фотоном и рассеивающей молекулой. Вследствие этого спектральные компоненты КР сдвинуты относительно частоты падающего излучения на частотные интервалы, равными интервалам между уровнями энергии рассеивающих атомов или молекул. Сечение КР обычно меньше сечения рэлеевского рассеяния примерно на три порядка. Тем не менее методы лазерного зондирования с использованием КР весьма перспективны, так как дают возможность проводить идентификацию и контроль атмосферных составляющих из одного пункта, а при использовании нерезонансного КР сам эффект не зависит от длины волны падающего излучения. Интенсивность линий КР пропорциональна числу молекул в начальных состояниях, переходы из которых порождают данную линию или полосу, КР используется не только для получения информации о молекулярной структуре, но и для измерений плотности, температуры и концентрации загрязнений в воздухе. Достигнуты значительные успехи в преодолении трудностей, обусловленных чрезвычайно малым эффективным сечением КР.

Ряс. 1. 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.

Когда частота возбуждающего излучения близка к резонансной частоте атома или молекулы, свечение КР существенно увеличивается вследствие резонансного роста значения тензора поляризуемости. Данный процесс называется резонансным КР, и в это понятие включается не только чисто резонансное, но и происходящее вблизи резонанса взаимодействие. Хотя этот аффект был открыт давно, обсуждался в течение многих лет, количественные измерения стали возможны только после создания перестраиваемых во частоте лазеров. Увеличение сечения от трех до шести порядков величины по сравнению с сечением обычного КР на молекулах N2 наблюдалось при переходе к резонансу для таких молекул, как I2, NO2, О3. Это позволяет дистанционно обнаруживать весьма низкие концентраций атмосферных составляющих, если поглощение не приведет к значительному ослаблению зондирующего излучения.

Флуоресценция представляет собой спонтанное испускание фотона атомом или молекулой после перехода их в возбужденное состояние при поглощении падающего излучения с частотой v0, лежащей в пределах отдельной линии или полосы поглощения. На рис. 1, е схематически показан процесс излучения из возбужденного уровня атома или молекулы при переходах на первоначальный уровень. Этот процесс испускания дает дискретный спектр, обычно его называют резонансной флуоресценцией. Если возбужденные атомы и молекулы испытывают соударения, приводящие к перераспределению по другим возбужденным уровням в результате безизлучательных переходов (рис. 1, д), то наблюдается широкополосная флуоресценция, имеющая почти непрерывный спектр. Возбуждение флуоресценции всегда требует перестраиваемого источника когерентного оптического излучения (перестраиваемые лазеры и оптические параметрические устройства) для настройки частоты возбуждения на резонансную частоту исследуемых молекул и ли атомов. Так как спектр флуоресценции является характеристикой данного сорта атомов или молекул, то с его помощью удается отождествить компоненты атмосферы.

 Скачать реферат