Методы дистанционного обнаружения атомов и молекул, измерения их концентрации и температуры, основанные на использовании СКР света

В табл. 1 приведены типичные характеристики основных видов взаимодействия лазерного излучения с атмосферными компонентами. Рассеивание оптических волн в зависимости от типа рассеивателей и соотношения их размеров с длиной волны обычно подразделяется на три вида: рассеяние Ми, рэлеевское и КР света.

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

Вид взаимодействия

Соотношение частот

ds / dW, см3/ср

Выявленные компоненты

Рассеяние Ми

nр = n0

10-26– 10-8 (аэрозоля)

Частицы аэрозоля

Рэлеевское рассеяние

nр = n0

10-26 (вне резонанса)

10-23 (в резонансе)

Атомы и молекулы

Комбинационное рассеяние

nр ¹ n0

10-29 (вне резонанса)

10-26 (в резонансе)

То же

Испускание (флуоресценция)

nр = n0

nр ¹ n0

10-29 (потушенная)

10-26 (потушенная)

То же

Поглощение

nр = n0

10-20

То же

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.

Перейти на страницу: 1 2

Публикации по єкологии

Проблемы загрязнения биосферы и ее экологическое значение
Человек всегда использовал окружающую среду в основном как источник ресурсов, однако в течение очень длительного времени его деятельность не оказывала заметного влияния на биосферу. Лишь в конце прошлого столетия изменения биосферы под влиянием хозяйственной деятельности об ...

Экологическое состояние Азовского моря
Азовское море - уникальный природный объект. Важность сохранения его в чистом виде очевидна. Каждый из нас понимает, что наше море является источником как материального, так и духовного богатства. Основными проблемами Азовского моря являются его неудовлетворительное экологиче ...

Разделы