Поляризация лазерного излучения в пыли и облаке в Центральноазиатском регионе

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Поляризация лазерного излучения в пыли и облаке в Центральноазиатском регионе

При поляризационных измерениях в атмосферу посылается линейно поляризованный лазерный луч. Сигнал обратного рассеяния расщепляется установленной в анализаторе призмой Волластона на две ортогональные поляризационные компоненты: одна из них I₁ поляризована параллельно, а другая I₂ - перпендикулярно к вектору поляризации лазерного луча. Отношение деполяризации D определяется как D(z) = I₂(z)/I₁(z). Компоненты интенсивности локационного сигнала I₁ и I₂ регистрируются в двух различных приемных каналах. Для интерпретации полученных (измеряемых) сигналов должно быть предварительно определено отношение чувствительности этих каналов R. Это достигается специальной экспериментальной процедурой с использованием призмы Глана - поляризатора, устанавливаемого в лазерный луч перед направлением его в атмосферу. Призма Глана устанавливается во вращающейся оправе, снабженной угловой шкалой. Вращением призмы можно вращать вектор поляризации лазерного луча. Углы, относящиеся к шкале призмы Глана, будут обозначены символом в. На начальном этапе определяется угол гашения лазерного луча в_с в процессе визуального наблюдения светового пятна на рассеивающем экране. Тогда угол поляризации луча в_р=(в_с+90°)±180·n, где n - целое число.

Для определения отношения чувствительности поляризационных каналов где и - коэффициенты чувствительности каналов поляризации, выполняются два измерения. В первом вектор поляризации определяется призмой Глана, повернутой на угол -45° к направлению ориентации анализаторов в приемнике; во втором - на угол +45°. Программа обработки поляризационных измерений снабжена специальным блоком для определения R:

где I₁₁, I₁₂ и I₂₁, I₂₂ - значения сигналов соответственно в первом и втором измерениях; z - расстояние вдоль лидарной трассы.

Величина R как функция от z, согласно своему определению, есть величина постоянная. Однако в реальных измерениях R(z) немного колеблется около своего среднего значения из-за влияния неоднородностей атмосферы и шумов сигнала. Поэтому используется средняя величина < R(z) > на некотором интервале (z₁, z₂). Для достижения достаточной точности берется Дz~5 км. Относительная погрешность калибровки в данном случае может быть уменьшена до величины приблизительно 0,02 [1].

В реальном эксперименте на результаты измерения профиля D(z) существенно влияет малое отклонение в ориентации плоскости поляризации излучения относительно главных осей призмы Волластона. Конструкция лидара не обеспечивает строгую их подгонку. Если пара этих осей повернута на некоторый угол д, то значения сигналов I₁ и I₂ в каналах

где с_а - пропорционально энергии луча лазера; f_а - функция, рассчитывающаяся для факторов, зависящих от расстояния вдоль лидарной трассы.

Если рассмотреть величину

поляризация рассеянный излучение лазерный

то видно, что при значение s(z)?1 не зависит от D(z). Программа обработки обеспечивает визуализацию s(z) на графической диаграмме и расчет среднего значения величины < s(z) > на интервале (z₁, z₂). Вращая призму Глана и производя серию измерений, определяем угол в₀, когда s(z) ?1. Ориентация главных осей призмы Волластона дается углом в_v=в₀+45°. Искомый угол поворота оси призмы в по отношению к вектору поляризации

Поляризационные измерения проводят на тех же установках параметров зондирования, что и калибровку. Если из-за различных причин возникает необходимость изменения чувствительности одного из каналов, то величина этого изменения должна быть определена и учтена в расчетах вводом соответствующего коэффициента коррекции К_с. Определенная ранее s(z) преобразуется в

Связь для D(z) из уравнения (2) можно выразить как

На рис. 1 величина отношения рассеяния R практически постоянна на всех высотах в тропосфере, хотя значения деполяризационного отношения D изменяются почти в 2 раза. Видимо, это связано с тем, что аэрозольные частицы являются сферическими с размерами 0,16 мкм и менее, концентрация которых увеличивается с высотой (рис. 1). Обратные траектории показывают, что пыль пришла в наш регион со стороны Сахары через северо-западный Казахстан. Воздушная масса, проходя над пустынями Кара-Кум и Кызыл-Кум, дополнительно насыщалась частицами песчаной пыли, которая затем оседала в нижнюю тропосферу при антициклонической циркуляции [2].

Рис. 1. Деполяризационное отношение на длине волны 532 нм и спектры распределений концентраций частиц в пыли

22 ноября 2002 г.в 22:51.

Иную картину показало зондирование пыли в нижней тропосфере 24 и 25 ноября 2002 г. (рис. 2). В это время пыль распространялась из Аравии, Афганистана, Иранского нагорья и через пустыни Кызыл-Кум и Кара-Кум достигла нашего региона. В районы Кыргызстана поступала теплая запыленная тропическая воздушная масса.

Рис. 2. Деполяризационное отношение и отношение рассеяния в пыли

24 ноября 2002 г.

С приближением холодного северо-западного вторжения вертикальная мощность пыли растет [2]. Величина деполяризационного сигнала обратного рассеяния в этом случае практически постоянна вплоть до высоты 5,5 км и не превышает D=0,19, хотя R растет (рис. 2). Затем D уменьшается до 0,1, уменьшается и коэффициент обратного рассеяния. С увеличением глубины проникновения зондирующего импульса в аэрозоль D испытывает флуктуации, коррелирующие с коэффициентом обратного рассеяния. Абсолютные значения D находятся в пределах 0,1-0,25, что, в общем, согласуется с величинами D в Азиатской пыли [3].

25 ноября 2002 г. пыль пришла с Иранского нагорья через пустыни Кызыл-Кум и Кара-Кум. В этом случае также наблюдался рост R и падение D с некоторой задержкой, т.е. профиль деполяризации находился в противофазе с профилем R, что свидетельствует о подавляющем влиянии на деполяризацию рассеяния второй кратности, а также о большой концентрации частиц пыли (рис. 3).

Рис. 3. Деполяризационное отношение и отношение рассеяния в пыли

25 ноября 2002 г.

В рассмотренных случаях предполагалось, что аэрозольные частицы были представлены несферическими частицами, концентрация которых уменьшалась с высотой, но при этом параметр несферичности оставался постоянным (см. рис. 2 и 3).

Рис. 4 Динамика деполяризационного отношения и отношения рассеяния в облаке

26 ноября 2002 г.

Рассмотрим теперь двухчасовую динамику прихода в наш регион облака 26 ноября 2002 г. (рис. 4). По сравнению с 25 ноября траектория частиц поднялась примерно на 5° широты. Вынос фрагментов облака произошел в наш регион с высотным гребнем со стороны Афганистана по 63° меридиану, а затем с зональным потоком.

До входа в облако сигнал обратного рассеяния оставался практически постоянным, но наблюдалось уменьшение деполяризации, т.е. оптические свойства частиц на этом участке изменяются. С увеличением глубины проникновения сигнала в облако D испытывает небольшие флуктуации, коррелирующие с R. Абсолютные значения D в облаке 0,15-0,48. Одновременный рост и D, и R внутри облака можно объяснить только уменьшением относительной доли несферических частиц, в противном случае доля несферических частиц возрастает [1]. От общей концентрации частиц при однократном рассеянии D обратно рассеянного сигнала не зависит.

После выхода из облака оптические свойства аэрозольных частиц оставались неизменными.

Рис. 5. Спектры распределения концентраций частиц по размерам.

26 ноября 2002 г. 22:06.

Спектры распределения концентраций частиц также показали неоднозначную картину в этом случае (рис. 5). Под облаком и, особенно в нижней части облака, преобладали относительно крупные частицы. В середине и вверху облака уже большая часть частиц имела мелкие размеры, а распределения их можно аппроксимировать нормальным законом случайных величин.

Рис. 6. Динамика отношения рассеяния и деполяризационного отношения в развивающемся облаке

22-23 декабря 2002 г.

На рис. 6 приведена динамика деполяризационного отношения и отношения рассеяния в развивающемся облаке 22-23 декабря 2002 г.

До входа в облако оптические свойства аэрозольных частиц оставались постоянными. Но в отличие от рассмотренного выше случая сигнал обратного рассеяния от самого облака отличался более чем в 6-7 раз. Деполяризационное отношение в самом облаке на ранней стадии развития достигало 0,5, а в облаке спустя сутки - 0,58. При этом от основания облака (~8,1-8,2 км) до 9,5 км максимумы и минимумы в ходе D и R совпадали. Это говорит о том, что в самом облаке относительная доля несферических частиц падала.

Исследования деполяризации лазерного излучения показывают, что в пыли величина деполяризационного отношения не превышает 0,25-0,30, а аэрозоль в основном представлен несферическими частицами преимущественно сухой мелкой фракции. Наоборот, деполяризация в облаке свидетельствует о том, что в самом облаке доля несферических частиц падает от основания, где преобладают крупные частицы, вглубь, и что аэрозоль в самом облаке слабо обводнен. Надо полагать, что это является одним из характерных признаков облаков типа Азиатского Коричневого Облака в отличие от облаков обычного типа. При этом деполяризация в самом облаке достигает 0,5-0,6.

Работа выполнена в рамках проекта KR-310 Международного научно-технического центра.

Литература

1. Лазерное зондирование индустриальных аэрозолей. - Новосибирск: Наука. 1986. - 187 с.

2. Зыскова Э.Ю., Когай Г.А. Методологические вопросы анализа трансграничного переноса аэрозоля в тропосфере над Тянь-Шанем // Наст. ж. - С. 107-115.

3. Murayma T. Optical properties of Asian dust aerosol lofted over Tokyo observed by Raman Lidar / Proc. ILRC 21. Canada, Quebec, 7-12 July 2002. - P.331-334.

Размещено на Allbest.ru