Исследование ослабления и рассеяния лазерного излучения в диапазоне длин волн от 0,4 до 6,45 мкм аэрозолем с различным распределением частиц по размерам в атмосферном пограничном слое

Исследования направлены на создание нового полуэмпирического метода решения обратной задачи лазерного зондирования для определения функции распределения аэрозольных частиц по размерам в атмосферном приземном слое (АПС) по результатам измерений лидарных сигналов рассеяния Ми и оптической плотности на 8 длинах волн лазерного излучения в диапазоне 0,4 – 6,45 мкм. С другой стороны, свойства аэрозоля в АПС зависят от природных и техногенных факторов формирования химического и дисперсного состава этих аэрозолей. Актуальность исследований определяется тем, что в настоящее время приоритетность воздушного фактора в глобальном загрязнении не подвергается сомнению. Интенсивность, концентрация и количество факторов антропогенного воздействия на атмосферу постоянно увеличиваются. Неожиданность возникновения, сложность быстрого обнаружения источника загрязнения, проблемы в определении конкретного источника загрязнения и непредсказуемость развития этих событий порождают тяжелые последствия многочисленных чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. Недаром сравнительно недавно были введены экологические нормативы РМ2,5 и РМ10, подтверждающие опасность аэрозольного загрязнения и важность контроля размеров частиц.Учитывая, что более 90% массы веществ переносится в атмосфере на высоте до 2 км изучение химического и дисперсного состава аэрозолей АПС очень важно и для этого необходим мониторинг аэрозоля в атмосфере в реальном времени с высоким пространственно-временным разрешением. Новизна исследований заключается не только в постановке задачи, но и в установлении закономерностей ослабления и рассеяния лазерного излучения в диапазоне длин волн от 0,4 до 6,45 мкм в АПС с различным распределением аэрозольных частиц по размерам. Комплексное применение различных лидарных методов позволит объективно оценить параметры аэрозоля, установить оптические постоянные основных аэрозолей атмосферы и уточнить алгоритм работы аэрозольного лидара, который может быть широко использован для дистанционного мониторинге АПС и выявлении его аэрозольного загрязнения. Для калибровочных экспериментов и сравнительного анализа реальных и дистанционно определяемых характеристик аэрозолей часть проб будет изучена на лабораторной лазерной установке методом их контролируемого инжектирования в замкнутый воздушный поток. Полученные результаты позволят измерить оптические постоянные частиц, упростят интерпретацию данных дистанционного зондирования и повысят их достоверность. Это один из основных факторов, обеспечивающих надежность получаемых результатов. Для натурных экспериментов будет использована автоматизированная многоволновая лидарная система, изготовленная авторами в рамках Основной части Гос. Задания Министерства образования и науки РФ, проекты № 2284 и №5.7721.2017/БЧ. Такая система обладает высокой чувствительностью и быстродействием в обработке результатов измерений и может стать основой для исследований выбросов аэрозольных частиц в атмосферу над промышленными предприятиями или районами. Причем, для комплексного мониторинга необходимо объединить на одной платформе аэрозольный лидар для дистанционного измерения концентрации частиц, по степени деполяризации — параметра формы частиц, а по индикатрисе рассеяния лазерного излучения и с помощью лидарной системы дифференциального ослабления и рассеяния - параметры функции распределения аэрозольных частиц по размерам. Алгоритм работы этой системы авторами постоянно совершенствуется и составляет научную новизну проекта. Работа системы основана на использовании, имеющихся в нашем распоряжении лазера на парах стронция (три длины волн от 1 до 6,45 мкм), АИГ: Nd - лазера (две длины волн - 0,532 и 1,064 мкм) и трех полупроводниковых лазеров (длины волн - 0,405, 0,67 и 0,85 мкм). Подобная система позволяет определять характеристики аэрозоля с хорошим пространственно-временным разрешением ( дальность до 2 км, шаг по расстоянию - 15 м). Возможность реализации такого проекта подтверждается ранее проведенными исследованиями авторов заявки и других научных коллективов, а целесообразность определяется важными преимуществами методов лазерного зондирования, к которым следует отнести дистанционность, непрерывность, оперативность, высокие пространственное и временное разрешение и низкую эксплуатационную стоимость.Таким образом, одним из фундаментальных результатов исследований является изучение взаимодействия лазерного излучения с аэрозольным потоком и установление с помощью рассеянного назад лидарного сигнала зависимости распределения частиц по размерам от микрофизических параметров аэрозоля. Такой комплексный подход позволит сформировать единую концепцию лазерного зондирования аэрозольных частиц в атмосферном пограничном слое и в индустриальных потоках. В конечном счете, это даст возможность не только диагностировать состояние окружающей среды и контролировать технологии производства, но и управлять ими как единой системой, поддерживая качество окружающей среды и экономику технологических процессов на необходимом уровне.