ЛАЗЕРНЫЙ КОНТРОЛЬ ЗАГРЯЗНЕНИЙ АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНОВ

Проблема загрязнения воздуха в больших городах и индустриальных районах становится в наши дни все более острой. В выхлопных газах автомобилей, реактивных двигателей современных авиалайнеров, в выбрасываемых в атмосферу отходах промышленного производства содержится много соединений, вредных для здоровья людей: двуокись серы (S02), окись углерода, или, иначе, угарный газ (СО), углекислый газ (С02), окись азота (NO), метан (СН4), сероводород (H2S) и пр.

Возрастает содержание в воздухе частичек сажи и пыли, водяных капелек с растворенными в них различными химичес- 72
кими соединениями. Вспомним в связи с этим тревожные сообщения о выпадании кислотных дождей.
Чтобы обнаружить наличие в атмосфере тех или иных загрязнений, надо взять пробы воздуха и провести химический анализ этих проб. К сожалению, такой анализ требует обычно значительного времени. К тому же не всегда просто взять пробу воздуха. Представьте, например, что вам надо взять и притом быстро пробу воздуха за только что пролетевшим авиалайнером на высоте в несколько километров. Или взять пробу воздуха вблизи отверстия заводской трубы высотой более ста метров.
Подобные трудности не возникают, если вместо химического анализа пробы воздуха произвести зондирование атмосферы лазерным лучом. Лазерный контроль загрязнений атмосферы получил в настоящее время широкое распространение как в СССР, так и за рубежом. Он имеет ряд весьма существенных достоинств. Во-первых, этот метод контроля является дистанционным; он может легко осуществляться на расстояниях до нескольких километров, а в отдельных случаях и до десятков километров. Во-вторых, лазерный контроль отличается высокой степенью чувствительности. Он позволяет обнаружить загрязнение атмосферы тем или иным соединением даже тогда, когда доля этого соединения в атмосфере составляет всего 10_9-10_1°. В-третьих, анализ химического состава загрязнений производится в данном случае очень быстро, так что можно отслеживать изменение состава загрязнений во времени.
На практике применяют две схемы лазерного зондирования атмосферы. В первой лазерный луч посылают по подлежащей контролю трассе к фотоприемнику, который находится в конце трассы. Возможен вариант, когда в конце трассы установлен отражатель, а фотоприемник совмещен с лазером; при этом лазерный луч проходит трассу дважды-туда и обратно. Во второй схеме лазерный луч посылается в контролируемую область воздушного пространства. Фотоприемник, совмещенный, как правило, с излучателем, улавливает излучение, которое возвращается из области пространства, облучаемой лазером. Такую схему лазерного контроля состояния атмосферы называют лидаром. Лидар можно рассматривать как разновидность лазерного локатора.

Две схемы лазерного контроля состава атмосферных загрязнений по поглощению излучения: 1 — источник лазерного излучения с перестраиваемой частотой, 2 — приемник излучения, позволяющий снимать зависимость интенсивности принимаемого излучения от частоты

Лидар — своеобразный лазерный локатор: 7 — лазер, 2 — зеркало фотоприемника

При использовании первой схемы измеряют интенсивность^ лазерного луча после прохождения им трассы. Существенно, что такие измерения выполняют не для одной частоты, а для различных частот излучения. Поэтому необходимо, чтобы лазер генерировал сразу на нескольких частотах или, что еще лучше, чтобы частоту излучения можно было плавно перестраивать. Существуют лазеры с плавной перестройкой частоты (в пределах некоторого интервала частот). Имеются также специальные приборы, в которых происходит преобразование лазерного излучения определенной частоты в излучение разных частот; эти частоты можно непрерывно перестраивать в довольно широком диапазоне значений. Такие приборы называют параметрическими генераторами света. Они работают в комплекте с лазером, при этом излучение лазера поступает в параметрический генератор света. Но вернемся к контролю состава атмосферы. Каждое химическое соединение поглощает свет определенной частоты или нескольких определенных частот. Измеряя интенсивность излучения (после прохождения трассы) для разных частот, иначе говоря, измеряя частотную зависимость интенсивности излучения, можно по значениям частоты, при которых наблюдаются резкие уменьшения («провалы») интенсивности, делать заключение о наличии в атмосфере тех или иных химических соединений. В результате поглощения излучения молекулами этих соединений и возникают «провалы» в интенсивности на соответствующих частотах.
Используя схему лидара, регистрируют фотоприемником: отраженное лазерное излучение (например, излучение, отраженное от поверхности облака или скопления аэрозольных частиц); излучение, рассеянное аэрозольными частицами или отдельными молекулами; излучение, испускаемое теми или иными молекулами после поглощения ими лазерного излучения (люминесцентное излучение).
Как можно контролировать состав атмосферы, исследуя рассеяние света ее частицами? Дело в том, что при рассеянии света на тех или иных молекулах происходит изменение частоты света, причем для разных молекул это изменение различно. Атомы в молекуле совершают колебания; эти колебания характеризуются определенной для данного химического соединения частотой или набором из нескольки?__частот. В прос
тейшем случае, когда молекула состоит всего из двух атомов, имеется одна колебательная частота; обозначим ее через v0. Пусть на газ из таких молекул падает лазерный пучок частоты v. В результате рассеяния света на колеблющихся молекулах возникнет излучение на частотах v — v0 и v + v0. Такое рассеяние света называют комбинационным. Итак, будем зондировать атмосферу лазерным лучом определенной частоты и измерять спектральный состав света, рассеянного назад к фотоприемнику.

По наблюдаемым в рассеянном свете сдвигам частоты (или сдвигам волны) можно судить о наличии в атмосфере тех или иных соединений. Предположим, что используется лазер на рубине; его излучение имеет длину волны 0,694 мкм. Допустим далее, что в рассеянном излучении наряду с длиной волны 0,694 мкм зарегистрированы длины волн 0,798 и 0,785 мкм. Наблюдаемые сдвиги длины волны (0,798 - 0,694 = 0,104 мкм и 0,785 - 0,694 = 0,091 мкм) указывают на присутствие в атмосфере соответственно молекул СО и NO, т. е. угарного газа и окиси азота.
Заметим, что для контроля состава атмосферы по комбинационному рассеянию света удобнее использовать (по ряду причин) лазерное излучение длиной волны около 0,3 мкм. Поэтому на практике само излучение рубинового лазера в атмосферу обычно не посылают, а предварительно пропускают это излучение через специальный кристалл (так называемый нелинейный кристалл), где оно преобразуется во вторую гармонику, т. е. в излучение с удвоенной частотой. В атмосферу посылают вторую гармонику излучения рубинового лазера; ее длина волны равна 0,347 мкм.
В лидарах наряду с комбинационным рассеянием света используется явление люминесценции. Поглощая лазерное излучение некоторой частоты, молекулы среды затем высвечивают излучение другой (всегда меньшей) частоты; это и есть люминесценция. Частота, на которой наблюдается люминесценция, имеет одно или несколько определенных значений для данного химического соединения. Исследуя спектральный состав люминесцентного излучения, можно выявить наличие в атмосфере тех или иных соединений.

В качестве примера укажем лидар для контроля промышленных загрязнений атмосферы, созданный в Институте спектроскопии АН СССР в Москве. Лидар использует комбинационное рассеяние света. Он имеет 76

лазер на гранате с неодимом, который генерирует излучение длиной волны 1,06 мкм. Прежде чем отправиться в атмосферу, излучение проходит последовательно через два нелинейных кристалла и преобразуется в четвертую гармонику с длиной волны 0,266 мкм; она-то и отправляется в атмосферу. Дальность действия лидара около 100 м, протяженность зондируемого слоя атмосферного воздуха примерно 20 м. Лидар посылает зондирующие импульсы с энергией 1 мДж при частоте повторения 50 Гц. Рассеянное назад излучение улавливается приемным зеркалом диаметром 80 см и затем поступает в спектрограф-для выявления его спектрального состава.
В настоящее время исследуются возможности более широкого применения лазеров для контроля состояния и загрязнений атмосферы. Один из основных центров этих исследований в СССР - Институт оптики атмосферы АН СССР в Томске. Исследования показали, что лазеры можно успешно применять не только для контроля химического состава загрязнений атмосфе
ры. Лидары четко выявляют границы областей повышенной загрязненности атмосферы, например частицами дыма из заводских труб. Они позволяют изучать перемещения этих областей, изменение их формы со временем. С помощью лазеров измеряют также стандартные метеорологические параметры атмосферы: температуру, плотность, влажность, скорость ветра. Наконец, возможно лазерное зондирование облаков: точное измерение их нижней границы, исследование зарождения и развития облака, изучение пространственной структуры облаков. Лазерную локацию облачности производят как с земной поверхности, так и со специально оборудованных самолетов.
Летающие лидары оказались весьма полезными не только для исследования облачности, но также для контроля состава морской воды вблизи ее поверхности, для выявления загрязнений поверхности морей и океанов.
Морская вода-сложная среда, в которой присутствуют различные минеральные и органические вещества, а также мелкие водоросли и биологическая взвесь, называемые планктоном. Наряду с лесами планктон, рассеянный по огромной поверхности океанов, является той естественной лабораторией, где совершается великий процесс фотосинтеза-процесс, без которого была бы невозможна жизнь на Земле. К несчастью, в наше время поверхность океанов все более загрязняется, главным образом нефтепродуктами. Загрязнения отравляют морскую воду, нарушают протекающие в ней естественные процессы, губительно сказываются на процессах фотосинтеза. Прикрытый сверху нефтяной пленкой, планктон утрачивает способность к фотосинтезу.
Лазерное зондирование поверхности моря или океана с борта самолета, который летит со скоростью около 400 км/ч на высоте в несколько сотен метров, позволяет довольно легко выявить области. жизнеспособного планктона, а также участки водной поверхности, покрытые пленкой нефти. В процессе лазерного зондирования регистрируют: а) то конкретное место поверхности океана, куда в данный момент был послан лазерный луч (и откуда, следовательно, пришло излу- чение-отклик); б) интенсивность отклика; в) спектральный состав отклика. В качестве зондирующего излучения применяют, например, импульсы лазера на
азоте (длина волны 0,34 мкм) или импульсы второй гармоники лазера на гранате с неодимом (0,53 мкм). Излучение-отклик может представлять собой излучение люминесценции, возникшей в приповерхностных слоях морской воды в результате поглощения в них лазерного излучения. Если, например, излучение люминесценции имеет длину волны 0,68 мкм, то в данном месте пс/верхности океана находится жизнеспособный планктон. Планктон, утративший способность к фотосинтезу, или пленка нефти люминерцируют на иных длинах волн. Сканируя лазерным лучом по водной поверхности, простирающейся под крылом самолета, можно быстро определить границы участка, богатого планктоном, или, напротив, границы участка, покрытого нефтяной пленкой. При этом по интенсивности излучения люминесценции можно судить о плотности приповерхностного слоя планктона или о толщине нефтяной пленки.

<< | >>

↑

Источник: Тарасов Л.В.. Знакомьтесь - лазеры. 1988

Еще по теме ЛАЗЕРНЫЙ КОНТРОЛЬ ЗАГРЯЗНЕНИЙ АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНОВ:

- Популярная физика -