Радиофизический комплекс: Высотный поляризационный лидар для зондирования атмосферы и Томская ионосферная станция «ЛИДАР-ИОНОЗОНД»

Лазерный метод измерения параметров атмосферы имеет исключительно важное значение в решении задач экологического мониторинга, динамики и физики атмосферы. Он аналогичен по своим принципам радиолокационному и относится к классу дистанционных, бесконтактных и оперативных методов. Использование волн оптического диапазона, естественно, приводит к совершенно иной методической и технологической основе измерений. Суть метода заключается в следующем. В атмосферу посылается узконаправленный пучок лазерного излучения с длительностью импульса в несколько наносекунд. Отраженное атмосферой в обратном направлении излучение (лидарный сигнал) воспринимается оптической приемной антенной и затем направляется на фотодетектор, преобразуется в электрический сигнал, оцифровывается и, затем, обрабатывается в ЭВМ. Изменяя состояние поляризации зондирующего излучения и, используя на входе приемной системы лидара поляриметр, измеряется матрица обратного рассеяния света (МОРС) исследуемых аэрозолей (размерность МОРС - 4х4). По виду матрицы обратного рассеяния и соотношению отдельных элементов можно определить тип аэрозольных частиц (сферические - несферические) и, более того, оценить степень преимущественной пространственной ориентации несферических частиц (например, кристаллических микрочастиц в облаках верхнего яруса). Основные технические параметры лидара. После завершения модернизации в приёмо-передающую часть лидара установлен лазер LS-2137U. При частоте повторения импульсов 10Гц и длительности 6-7 нс энергия излучения в импульсе на длине волны 532 нм составит 400мДж. Передатчик последовательно направляет в атмосферу излучение четырёх видов поляризации: три линейных с ориентацией плоскости поляризации 0, 45 и 90 угловых градусов относительно базиса и круговую поляризацию. Приемное устройство: три телескопа Кассегрена с диаметром зеркал 0,5 м; полоса пропускания интерференционных фильтров 1,2 нм с коэффициентом пропускания 60% в максимуме; фотодетектор -  ФЭУ фирмы HAMAMATSU; в каждом канале установлен поляризационный анализатор, состоящий из фазовой пластинки и призмы Волластона. Система регистрации - счетчик одноэлектронных импульсов PMS-400A фирмы Becker and Hickl GmbH. Система сбора, обработки и документирования информации на базе персонального компьютера. Для изменения состояния поляризации лазерного излучения и поляризационного базиса приемника используются вращающиеся диски, в отверстия которых вмонтированы поляризационные элементы. Это позволяет существенно сократить общее время измерений и, тем самым, уменьшить погрешность, обусловленную изменчивостью измеряемых параметров в процессе зондирования. Время измерения вертикального профиля одного параметра Стокса сигнала обратного рассеяния (одно состояние поляризации зондирующего пучка) при частоте повторения зондирующих импульсов 10Гц составляет от 2 до 4 с. Пространственное разрешение при исследовании перистых облаков - 96 м (высота 8 -10 км), при зондировании стратосферного аэрозоля (высота 20-30 км) - 960 м. Относительная ошибка оценки эхо-сигнала - 3%. Время измерения поляризационной матрицы обратного рассеяния (16 элементов) достигает 1-3 минут на высотах порядка 30 км. Информация записывается в виде файлов в памяти компьютера. Для качественного анализа полученных результатов в ходе эксперимента, информация в виде высотных профилей параметров Стокса выводится на экран монитора.

Главные преимущества, обоснование уникальности установки, в том числе сопоставление уну с существующими аналогами

Томская ионосферная станция имеет самый длинный ряд наблюдений в России (СССР) и включена Постановлением Правительства РФ в “Перечень уникальных экспериментальных установок национальной значимости”, исх. № НИ19-23/79 от 03.04.1995г. Миннауки РФ. Используются данные комплексного мониторинга, полученные авторами с 1994 г. по настоящее время. Они охватывают полный одиннадцатилетний период солнечной активности, что принципиально важно в этих исследованиях. Для дистанционной диагностики ионосферы используется единственный в Российской Федерации ионосферный радар «Диназонд 21». Работа станции осуществляется в автоматическом режиме с удаленным доступом через Интернет. Уникальная база данных, полученная за весь период наблюдений на Томской ионосферной станции, представляет собой на настоящем этапе временные ряды ионосферных параметров регулярных и спорадических ионосферных слоёв за период 1936-2007 гг. Ее общий объем на сегодняшний день составляет 5 Гб. Для изучения физических полей природной окружающей среды используются уникальные аппаратно-измерительные комплексы мониторинговых измерений характеристик электромагнитных излучений, инфразвукового фона окружающей среды и автоматизированная метеорологическая станция. Уникальный аппаратно-измерительный комплекс мониторинговых измерений характеристик электромагнитных излучений окружающей среды позволяет получать спектральные характеристики в КНЧ диапазоне (от 0.01 до 40 Гц), в диапазоне гармоник промышленной частоты (от 5 Гц до 1 кГц), КНЧ-модуляции в ВЧ сигналах, проходящих через ионосферный канал связи, а также проводить измерения уровня электромагнитного фона в НЧ, СЧ, ВЧ и УВЧ диапазонах (от 30 кГц до 60 МГц) и вариаций трех компонент (вертикальной, восточной и северной) геомагнитного поля. Этот комплекс работает в автоматическом режиме с удаленным доступом через Интернет и имеет данные непрерывного мониторинга, которые представлены в электронном виде с 1994 г. по настоящее время. Уникальный измерительно-вычислительный комплекс инфразвукового фона имеет три разнесенных в пространстве датчика регистрации вариаций атмосферного давления и позволяет получать спектральные характеристики инфразвукового фона окружающей среды в диапазоне частот от 0.01 до 40Гц. В 2010 г. комплекс был модернизирован и дооснащен тремя пространственно разнесенными микробарометрами «ISGM03» которые позволяют получать спектральные характеристики инфразвукового фона окружающей среды в диапазоне частот от 0.02 до 4 Гц. Этот комплекс работает в автоматическом режиме с удаленным доступом через Интернет и имеет данные непрерывного мониторинга, которые представлены в электронном виде с 1997 г. по настоящее время. Автоматизированная метеорологическая станция по регистрации атмосферного давления, температуры и относительной влажности воздуха, скорости и направления ветра имеет данные непрерывного мониторинга, которые представлены в электронном виде с 2000 г. по настоящее время. Практика зарубежных исследований основывается на использовании линейно поляризованного зондирующего излучения и приёме двух ортогонально поляризованных компонент лидарного сигнала, что, естественно, не позволяет определить полную МОРС. Высотный поляризационный лидар Томского государственного университета, разработанный совместно с Институтом оптики атмосферы СО РАН, по своим техническим характеристикам относится к уникальным экспериментальным установкам мировой значимости. Он измеряет высотные профили всех элементов МОРС атмосферного аэрозоля (включая облачный) и, тем самым, позволяет изучать процессы, о которых ранее информация была весьма ограничена, в силу отсутствия технических средств для её получения. Высотный поляризационный лидар для зондирования атмосферы, внесён в "Перечень уникальных экспериментальных установок национальной значимости" (Unique Research Facilities in Russia. -Paris: Organ. for Economic Co-Operation and Development. 1995. p.161-164). Информация о лидаре содержится в международном каталоге, изданном в США в 1993 году (Тhird International lidar Researchers Direktory.Compiled by M.P. Cormick Atmosph. Sci. Division, NASA Langley Reserch Center (1993) p.71), что свидетельствует о включёнии лидара в мировую сеть станций лазерного зондирования атмосферы.

Основные направления научных исследований, проводимых с использованием УНУ:

• мониторинг ионосферных параметров, содержания аэрозоля в тропосфере и стратосфере, спектральных характеристик электромагнитного фона, метеорологических параметров, параметров геомагнитного поля и характеристик психофизиологического состояния организма человека в синхронном (параллельном) режиме непрерывных измерений по разработанной методике на уникальных установках, дополненных целым рядом измерительно-вычислительных комплексов;
• установление степени и условий сопряженности (корреляции) между характеристиками электромагнитных полей, формируемых околоземными резонаторами Шумана и Альвена в контролируемых геофизических условиях при различных солнечных событиях и характеристиками состояния сердечно-сосудистой системы, активностью головного мозга человека;
• построение математических моделей и проведение на них численных экспериментов, позволяющих проследить всю цепь взаимосвязанных событий в системе: солнечные события – ионосфера – околоземные резонаторы – атмосфера – электромагнитные поля – организм человека и дать физическую интерпретацию результатов анализа экспериментальных данных с оценкой эффективности механизмов солнечно-земных связей;
• исследование влияния внешних физических полей на ориентацию кристаллов пластинчатой и столбчатой форм в перистых облаках;
• исследование влияния пульсаций скорости ветра на характер ориентации в перистых облаках кристаллических частиц различных размеров и сравнение результатов этих исследований с теоретическими моделями авторов проекта и других авторов;
• исследования волновых процессов в атмосфере, стратосферного аэрозоля и озона и влияния солнечного ветра на характеристики светорассеивающих слоев в средней атмосфере северного полушария;
• исследование процессов поступления аэрозолей в среднюю атмосферу вследствие крупных природных и техногенных катастроф и разработка технологии контроля трансграничных переносов аэрозольных загрязнений на высотах, включающих тропосферу и нижнюю стратосферу.

Наиболее значимые научные результаты исследований

С помощью высотного поляризационного лидара впервые инструментально определены параметры ориентации кристаллов льда в облаках и обнаружены в нижней стратосфере частицы аэрозоля, отличающихся по микроструктуре от фонового. По возможности измерения полной поляризационной матрицы обратного рассеяния лидар является уникальным, единственным в мире. Поскольку матрица рассеяния несет исчерпывающую информацию о состоянии аэрозольного ансамбля, то, наблюдая изменение элементов матрицы во времени и пространстве, можно получать данные не только о микроструктуре аэрозоля на конкретной высоте, но и давать оценку параметров внешних физических полей. Систематические ряды наблюдений за аэрозолем в верхних слоях атмосферы позволяют своевременно обнаружить появление над точкой стояния лидара аэрозолей другого типа, что однозначно связывается с циркуляцией атмосферы и трансрегиональными переносами воздушных масс. Если учесть, что прямые исследования стратосферного аэрозоля крайне затруднены (подъем контактных приборов возможен только на специальных аэростатах или высотных самолетах), то использование высотного поляризационного лидара для систематических наблюдений за состоянием атмосферы на высотах до 30 км. экономически оправдано. Результаты экспериментов на установке Лидар в настоящее время имеют мировой приоритет в плане получения информации об ориентации кристаллических частиц в облаках верхнего яруса. Дело в том, что в программах расчета радиационного баланса атмосферы широко используются оптические модели, в которых не учитывается свойство ориентированности несферических облачных частиц, например, кристаллов льда в перистых облаках. По этой причине используется модель, в лучшем случае, предполагающая хаотическую ориентацию частиц, что ведет к уменьшению точности расчетов. Совершенствование оптической модели облаков верхнего яруса крайне важно для понимания ключевых проблем глобальных изменений климата на планете. Систематические измерения высотных профилей МОРС в верхних слоях атмосферы позволяют отработать технологию контроля трансрегионального переноса аэрозольных загрязнений атмосферы, что очень важно в свете подписания Россией Киотского протокола. 

Наиболее значимые научные результаты исследований: 

1. Реализована математическая модель среднеширотной ионосферы с возможностью наблюдения эффектов солнечных затмений, для практически любого солнечного затмения. Полученные результаты представляют интерес для развития методов и аппаратуры дистанционного зондирования атмосферы, а также для углубления знаний о микроструктуре облаков верхнего яруса, об ионосфере Земли и процессах протекающих в них. 
2. Описаны гибридная модель трендов, спектральное оценивание на основе метода максимальной энтропии и алгоритм оценки комплексного спектра максимума энтропии. 
3. Построены модели, определяющие особенности проявления событий на Солнце в состоянии показателей физической среды обитания, которые определяются, согласно разрабатываемой концепции, процессами в ионосферных резонаторах, в первую очередь в резонаторе "Земля - Ионосфера" (шумановском резонаторе). Получена эмпирическая модель, позволяющая с вероятностью 70 % рассчитать частоты первых трех мод шумановского резонатора для каждого заданного часа любого месяца. 
4. Численно реализована модель среднеширотной ионосферы с возможностью наблюдения эффектов солнечных затмений. Различия модельных и экспериментальных данных для рассмотренных данных не превысили 20 %. 
5. Разработаны эмпирические модели, отражающие особенности влияния вариаций электромагнитных полей и ряда других экологических факторов на функциональное состояние основных регуляторных систем организма человека. При исследовании действия комплекса величин температуры, давления, влажности, скорости ветра и магнитной возмущенности и других на период сердечных сокращений, в результате применения регрессионного анализа, из расчетов можно сделать вывод, что параметры окружающей среды оказывают значительное влияние. В реализованной эмпирической модели общий коэффициент детерминации для среднего периода сердечных сокращений равен 26 %, а для дисперсии 20 %. 
6. Эмпирическая модель, описывающая сезонные и суточные изменения спектральных характеристик шумановских резонансов в зависимости от гелио -геофизичесиких условий. 
7. Построена эмпирическая модель спектральных характеристик шумановских резонансов за период непрерывного мониторинга в течение последних 12 лет. Выявлены основные эмпирические зависимости частот, амплитуд и добротностей первых четырех мод шумановских резонансов. 
8. По экспериментальным данным построена регрессионная модель спектральных характеристик электромагнитного фона в полосе частот альвеновских резонансов, описывающая влияние 11-ти летнего цикла солнечной активности, на долю которого приходится порядка 15 % вариаций резонансных частот. 
9. Разработана физико-математическая модель ионосферы с включением околоземных глобальных резонансов Шумана и формированием электромагнитного фона КНЧ–диапазона окружающей среды. 
10. На основе феноменологического подхода в рамках теории переноса электромагнитного излучения обоснована и сформулирована физико-математическая модель пространственно-временного распределения плотности потока мощности радиоизлучения СЧ и ВЧ–диапазонов. 
11. Разработана физико-математическая модель пространственно-временного распределения спектральных характеристик шумановских резонансов. 
12. Построена регрессионная модель зависимости уровня инфразвукового фона от метеорологических величин: атмосферного давления, температуры, влажности и скорости ветра. 
13. Разработаны методические основы и алгоритмы статистического анализа для поиска климатических трендов. Сделан выбор модели трендов. Описаны гибридная модель трендов, спектральное оценивание на основе метода максимальной энтропии и алгоритм оценки комплексного спектра максимума энтропии. 
14. Проведена оценка комплексного спектра максимума энтропии гармонического колебания и прогнозирование солнечной активности на основе оценок комплексного спектра максимума энтропии. Изложен алгоритм ангармонического спектрального разложения. 
15. Проведена оценка комплексного спектра максимума энтропии гармонического колебания и прогнозирование солнечной активности на основе оценок комплексного спектра максимума энтропии. 
16. Разработан алгоритм ангармонического спектрального разложения. 
17. Разработана методика измерения элементов матрицы обратного рассеяния света облаков верхнего яруса в светлое время суток, которая основана на подавлении мощного сигнала обратного рассеяния из «ближней зоны» лидара с помощью электрооптического затвора и одновременном увеличении энергии зондирующих импульсов. Экспериментально показано, что для измерений совокупности 16 профилей интенсивности рассеянного назад излучения фотоэлектронным умножителем, работающем в режиме счёта фотонов, необходимо произвести накопление, не менее чем, по 200 импульсам лазера при частоте следования импульсов 10 Гц.

Контакты:

634050, г. Томск, пр. Ленина, д. 36
Самохвалов Игнатий Викторович
т.(3822)413984
e-mail: lidar@mail.tsu.ru