Сибирская лидарная станция ИОА СО РАН

В Центре лазерного зондирования атмосферы разработан и функционирует уникальный экспериментальный комплекс "Сибирская лидарная станция" (СЛС) с главным приемным телескопом диаметром 2,2 метра. СЛС, расположенная в Томске (56.5° с.ш., 85.0° в.д.), является единственной точкой на азиатской части территории России, где на основе методов дистанционного оптического зондирования осуществляется регулярный мониторинг таких параметров и составляющих атмосферы, как аэрозоль, температура, облачность, озон, газовые составляющие озоновых циклов. Данные многолетних комплексных наблюдений позволяют: разработать региональные эмпирические модели характеристик атмосферы; исследовать механизмы, определяющие взаимосвязи и динамику измеряемых параметров, в частности, определить степень влияния фотохимических и динамических факторов атмосферы на аномальные изменения озонового слоя. Возможность проведения комплексных одновременных измерений выжнейших климатообразующих и экологических параметров атмосферы является характерной чертой исследований на СЛС и обеспечивается применением различных методов лазерного зондирования атмосферы в сочетании со спектрофотометрическими измерениями (рис.1).

Рис.1. Структура комплексного эксперимента на СЛС

В 1995 году распоряжением Миннауки России станция включена в "Перечень уникальных научно-исследовательских и экспериментальных установок национальной значимости" (рег. N 01-64). Регулярные лидарные наблюдения за стратосферным аэрозолем начались на СЛС в 1986 году на лидаре с приемным зеркалом 1 метр. В 1989 году на этом лидаре были начаты измерения озона. В 1991 году были организованы измерения на лидаре с приемным зеркалом 2.2 метра. На этом лидаре осуществляется многочастотное зондирование оптических и микрофизических характеристик стратосферного аэрозоля, а также зондирование температуры по молекулярному рассеянию света в стратосфере и мезосфере. К настоящему времени СЛС включает комплекс лидаров с приемными зеркалами диаметром 2.2., 1.0., 0.5., 0.3, и 0.27 метра и набором лазерных источников, генерирующих излучение в диапозоне 271-1064 нм. Это позволяет осуществлять различными методами зондирования измерения озона, аэрозоля и температуры в различных высотных диапозонах тропосферы и стратосферы (в случае температуры до высоты 70 км.). Кроме того, для изучения механизмов изменчивости стратосферного озона, на СЛС ведутся регулярные спектрофотометрические измерения общего содержания озона, общего содержания и вертикального распределения NO₂.

Рис.2. Схема лидарного комплекса СЛС

На рис.2 приведена схема лидарного комплекса СЛС. Регулярное зондирование оптических характеристик аэрозоля осуществляется на длине волны 532 нм. Для определения асферичности частиц измеряется степень деполяризации лидарного сигнала. Многочастотное зондирование микрофизических характеристик стратосферного аэрозоля (спектр размеров частиц) осуществляется эпизодически, в рамках проведения отдельных измерительных компаний. Многочастотное зондирование проводится на длинах волн 353, 511, 532, 628, 683 и 1064 нм. При этом длины волн 353 и 683 нм получены после ВКР-преобразования в водороде излучений эксимерного (308 нм) и твердотельного (532нм) лазеров. Все лазерные источники имеют неустойчивые резонаторы, обеспечивающие расходимость выходного излучения не более 0,3 мрад, что не требует дополнительной коллимации зондирующего излучения.

Рис.3. Примеры зондирования стратосферного аэрозоля на различных длинах волн

В качестве иллюстрации возможностей зондирования стратосферного аэрозоля на различных длинах волн на рис.3 приведены вертикальные профили отношения рассеяния R (отношение суммы коэффициентов обратного аэрозольного и молекулярного рассеяния к коэффициенту молекулярного рассеяния). Профили измерены в различное время и демонстрируют вертикальную стратификацию и относительную интенсивность аэрозольных слоев в фоновых условиях 1997 года и в условиях повышенного содержания вулканогенного аэрозоля. Примеры вертикальных профилей концентрации озона и температуры, восстановленные из данных лидарных измерений, показаны на рис. 4.

Рис.4. Вертикальные профили концентрации озона (N) и температуры (T), восстановленные из данных лидарных измерений

Отдельно на длине волны 1064 нм в дневное и ночное время суток проводятся измерения пространственно-временной изменчивости оптических и геометрических характеристик облачности, включая облака верхнего яруса (перистые облака), (рис.5).

Рис.5. Изменение вертикальной структуры скорректированного по дальности лидарного сигнала при наблюдении перистой, высококучевой и кучевоц облачности

Можно отметитить некоторые особенности использования лазеров на парах металлов (меди-511 нм и золота-628 нм) при зондировании тропосферного и стратосферного аэрозоля. В отличии от высокоэнергетичных твердотельных и эксимерных лазеров, энергия импульсов генрации лазеров на парах металлов на 2-3 порядка меньше, что полностью устраняет или значительно снижает эффект насыщения ФЭУ мощным сигналом от ближней зоны зондирования. Достаточная средняя мощность излучения обеспечивается за счет большой частоты следования импульсов генерации (кГц), которая обуславливает также малые времена накопления лидарных сигналов в режиме счета фотонов (минуты). Эти преимущества используются и при зондировании тропосферного озона DIAL лидаром на линиях 271/279 нм (нелинейное преобразование частот лазеров на парах меди в кристаллах b-ВВО).
Многоканальный режим работы лидара с приемным зеркалом диаметром 2.2 м осуществляется за счет наклона некоторых зондирующих лучей на небольшой угол (30 град.) относительно вертикали. Регистрация оптических лидарных сигналов осуществляется либо непосредственно в фокальной плоскости, либо оптический сигнал передается с помощью световода оптически склеенного с фоконом к кюветам спектральной селекции с ФЭУ.
Спектрофотометрические измерения общего содержания озона ведутся на озонометре М-124. Прибор М-124 является калиброванным стандартным прибором Гидрометеосети и предназначен для измерения общего содержания озона в земной атмосфере, работает по прямому или рассеянному солнечному свету. Наблюдения ведутся ежечасно в пределах допустимых угловых высот солнца, максимальная погрешность измерений - 8%.
< Сумеречный спектрофотометр, созданный на базе монохроматора МДР-23 предназначен для регистрации спектров рассеянного в зените солнечного излучения при углах Солнца 83 - 96°. с целью определения наклонного содержания NO₂. Из данных о наклонном содержании восстанавливается профиль вертикального распредления концентрации NO₂ с пространственным разрешением 5 км в диапазоне высот 0 - 50 км и рассчитывается общее содержание NO₂. На рис.6 приведены газовые хода NO₂ и О₃.

Рис.6. Временной ход общего содержания двуокиси азота и озона над Томском

В планах дальнейшего развития исследований на станции предполагается расширение числа измеряемых параметров атмосферы; совершенствование техники, методики измерений, математических методов решения обратных задач оптического зондирования для увеличения точности и расширения высотного диапазона измерений. В настоящее время для более детального изучения фотохимических процессов образования и разрушения озона разрабатываются спектрофотометрические каналы измерений NO₃ и отношения HCl/HF, которое является индикатором содержания ОН в атмосфере. Ведутся работы по запуску в режим измерений канала зондирования тропосферного озона на основе эксимерного KrF лазера.