авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:   || 2 | 3 |

Лазерно-локационные исследования метеорных следов и внутренних гравитационных волн

-- [ Страница 1 ] --

УДК 551.501; 551.511 На правах рукописи

ФИЛИППОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ

Лазерно-локационные исследования метеорных следов

и внутренних гравитационных волн

25.00.29 - Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

кандидата физико-математических наук

Республика Казахстан

Алматы, 2010

Работа выполнена в Акционерном обществе «Национальный центр космических исследований и технологий», ДТОО «Астрофизический институт им. В.Г.Фесенкова»

Научные руководители: академик НАН РК, доктор физико-

математических наук, профессор

ОМАРОВ Т.Б.

кандидат физико-математических наук

ЛЯДЖИН В.А.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

ХАЧИКЯН Г.Я.

кандидат физико-математических наук

ВАСИЛЬЕВ И.В.

Ведущая организация: Казахский национальный университет

им. аль-Фараби

Защита состоится 10 сентября 2010 года в 16 час. на заседании объединённого диссертационного совета ОД 53.03.01 при Акционерном обществе «Национальный центр космических исследований и технологий» по адресу: 050010, Республика Казахстан, г. Алматы, ул. Шевченко, д.15, АО

«Национальный центр космических исследований и технологий».

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АО «НЦКИТ», в ДТОО «Астрофизический институт им. В.Г.Фесенкова» - 050020, г. Алматы, Каменское плато, Обсерватория 23.

Автореферат разослан «__ » июля 2010 г.

Учёный секретарь Объединённого

диссертационного совета ОД 53.03.01,

доктор физико-математических наук Вильковиский Э.Я.

ВВЕДЕНИЕ

Общая характеристика работы. Диссертация посвящена разработке и практической реализации новых способов обнаружения и определения параметров метеорных следов и внутренних гравитационных волн в стратосфере и мезосфере с помощью лазерного локатора.

Актуальность исследования. В настоящее время одним из наиболее эффективных и перспективных методов исследования атмосферы является лазерно-локационный или лидарный метод. Это связано с уникальными параметрами излучения лазеров: очень высокая монохроматичность, когерентность, направленность и мощность излучения и большими сечениями взаимодействия этого излучения с отдельными составляющими атмосферы. В результате, с помощью лидаров исследовалось большое число отдельных газовых и аэрозольных составляющих атмосферы, а также различные движения и неоднородности в ней.

Одним из таких универсальных движений в атмосфере являются внутренние гравитационные волны (ВГВ) или волны плавучести. ВГВ играют важную роль в физике ионосферы, поскольку они вызывают подобные волновые возмущения электронной концентрации, и в связи с этим существенно влияют на распространение радиоволн. Внутренние гравитационные волны имеют существенное значение и для процесса адаптации метеорологических полей друг другу и, соответственно, для прогноза погоды – одной из главных задач физики атмосферы. В ряде проблем физики атмосферы внутренние гравитационные волны имеют и самостоятельный интерес. Например, возмущения в атмосфере Земли, вызванные гравитационными полями Луны, Солнца, собственными колебаниями атмосферы Земли и периодическим нагреванием атмосферы. Поэтому исследование внутренних гравитационных волн в атмосфере с помощью лазерных локаторов является актуальной задачей.

Второй важной задачей, рассматриваемой в диссертации, является исследование наиболее резко выраженных неоднородностей в атмосфере - метеорных следов. Метеоры являются основным источником аэрозольных частиц и атомов многих химических элементов в мезосфере и верхней стратосфере, и таким образом, в значительной степени определяют физические свойства, химический состав и их концентрацию в этой части атмосферы. Важный практический интерес к метеорам связан с задачами освоения космического пространства и обеспечения безопасности полёта космических аппаратов на этих высотах, поскольку концентрация аэрозольных частиц может изменяться в десятки раз в стратосфере, мезосфере и нижней термосфере. Достаточно сказать, что на МКС (международной космической станции) к настоящему времени установлено 5 панелей для защиты от метеоров. Таким образом, исследование метеоров, в частности метеорных следов, с помощью лазерных локаторов также является актуальной задачей.

Цель исследования: определение характеристик и новых свойств метеорных следов и внутренних гравитационных волн на основе новых способов с использованием лазерного локатора.

Задачи исследования:

- предложить способ обнаружения и измерения параметров метеорных следов на основе использования лазерного локатора;

- с помощью нового способа обнаружить метеорные следы в стратосфере и мезосфере и измерить характеристики этих следов;

- предложить лазерно-локационный способ обнаружения и измерения параметров внутренних гравитационных волн, проявляющихся в синхронном движении основной массы стратосферы;

- с помощью нового способа обнаружить внутренние гравитационные волны, проявляющиеся в синхронном движении основной массы стратосферы, и измерить их параметры.

Объект исследования: пространственно-временные неоднородности в стратосфере и мезосфере.

Предмет исследования: метеорные следы в стратосфере и мезосфере; внутренние гравитационные волны, проявляющиеся в синхронном движении основной массы стратосферы.

Метод исследования: активное дистанционное зондирование стратосферы и мезосферы с помощью лазерного локатора путём измерения объёмного коэффициента обратного рассеяния, характеризующего состояние оптически активных компонент в атмосфере; разработка соответствующих способов определения характеристик исследуемых неоднородностей.

Научная новизна исследования.

1.Разработан новый лазерно-локационный способ обнаружения и измерения параметров метеорных следов.

2.Впервые измерены характеристики метеорных следов в стратосфере и мезосфере с помощью лазерного локатора.

3.Разработан новый лазерно-локационный способ обнаружения и измерения внутренних гравитационных волн, проявляющихся в синхронном движении основной массы стратосферы.

4.Впервые с помощью лазерного локатора обнаружены внутренние гравитационные волны, проявляющиеся в синхронном движении основной массы стратосферы, и измерены их параметры.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1.Лазерно-локационный способ обнаружения и измерения параметров метеорных следов, заключающийся в использовании взаимной ориентации излучения лазера и метеорного следа, с направлением лидара в соответствующий радиант метеорного потока и использовании другой длины волны излучения лазера.

2.Свойства и характеристики метеорных следов в стратосфере и мезосфере полученные с помощью лазерного локатора, которые выделяются как наиболее резко выраженные оптические неоднородности атмосферы, связанные с концентрацией аэрозольных частиц в десятки раз превышающей фоновую.

3.Лазерно-локационный способ обнаружения и измерения внутренних гравитационных волн, основанный на применении объёмного коэффициента обратного рассеяния в качестве основного параметра среды, где аэрозольная составляющая коэффициента использовалась для повышения чувствительности и надёжности метода.

4.Свойства и характеристики внутренних гравитационных волн, проявляющихся в синхронном движении основной массы стратосферы.

Практическая значимость исследования. Результаты исследований метеорных следов могут быть использованы в моделях верхней стратосферы, мезосферы и термосферы с целью определения влияния аэрозольных частиц на космические аппараты, поскольку на этих высотах основной поставщик аэрозоля – метеоры. Результаты исследований внутренних гравитационных волн могут быть использованы в моделях ионосферы, где проявления этих волн играют существенную роль при распространении радиоволн.

Апробация результатов исследования. Основные результаты исследования докладывались и обсуждались на семинарах ДТОО «Институт ионосферы», ДТОО «Астрофизический институт им. В.Г. Фесенкова», ДТОО «Институт космических исследований», ТОО «Специальное конструкторско-технологическое бюро «Гранит»; а также на 14 всесоюзных и международных конференциях. Всего по теме диссертации опубликовано 26 печатных работ; из них пять статей опубликованы в научных изданиях, рекомендованных Комитетом по контролю в сфере образования и науки МОН РК; получено два авторских свидетельства на изобретение.

Достоверность и обоснованность полученных результатов. Достоверность и надёжность измерений до высот 90 км подтверждается экспоненциальным падением с высотой локационного сигнала до высот 90 км, а также логарифмическим падением с высотой измеренного фонового объёмного коэффициента обратного рассеяния в стратосфере, которое соответствует такому же падению плотности атмосферы полученному с помощью радиозондов и других измерений.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка использованных источников из 125 наименований, приложения и содержит 97 страниц текста, включая 37 рисунков и 3 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель, объект, предмет исследования, ставятся задачи, определяются научная новизна, теоретическая значимость и практическая ценность исследования.

В первом разделе приводятся технические характеристики лазерного локатора, условия проведения измерений, сравнительный анализ различных лидаров, их возможности и ограничения. В конце раздела приведена постановка задачи исследований в диссертации.

Основой лазерного локатора являлся оптический квантовый генератор с длиной волны излучения 532 нм и длительностью импульса 16 нс с частотой следования импульсов 25 или 50 Гц. В качестве приёмной антенны лазерного локатора использовался астрономический зеркальный телескоп с диаметром рабочей поверхности зеркала 1,2 м и фокусным расстоянием 13 м. При этом использовались интерференционные фильтры со спектральной полушириной пропускания 1,4 нм.

Лазерный локатор был смонтирован и установлен в астрономической обсерватории ДТОО «Астрофизический институт им. В.Г. Фесенкова». Эта обсерватория расположена на Ассы - Тургеньском высокогорном плато. Плато удалено от города Алматы на 80 км к востоку и расположено на высоте 2700 метров над уровнем моря. Между плато и городом находится часть хребта Заилийского Алатау (Северный Тянь – Шань), достигающая высот 4500 – 5000 метров над уровнем моря.

Эти условия обеспечили один из лучших в мире астроклимат, что было связано с высокой степенью чистоты атмосферы и практически полным отсутствием влияния города на загрязнение воздуха и засветку атмосферы ночью, а также с пониженной степенью турбулентности из-за плавных форм рельефа.

Такое расположение лазерного локатора имело большие преимущества, поскольку исключалось ослабление излучения лазера, а также обратно рассеянного излучения наиболее оптически плотной частью нижней тропосферы, а оставшаяся часть тропосферы имела очень высокую прозрачность. В свою очередь, расположение лидара далеко за городом, отделенным горным хребтом, дополнительно уменьшало ослабление этих излучений за счет отсутствия в атмосфере заметных концентраций антропогенных аэрозольных частиц и газов.

При экспериментальных исследованиях постановка задачи включает решение, по крайней мере, трёх задач: объективная оценка возможностей и ограничений аппаратуры, объективная оценка условий проведения экспериментов и выбор объекта исследований с учётом актуальности и новизны. В результате выбрана задача: исследование колебаний плотности газовой составляющей атмосферы в стратосфере. Эти колебания в значительной степени могут быть объяснены с помощью теории внутренних гравитационных волн. Поэтому в задачу входит исследование параметров этих волн.

Технические характеристики лазерного локатора, а также место расположения его, представляют редкую возможность эффективно исследовать наиболее труднодоступную часть средней атмосферы: верхнюю стратосферу и всю мезосферу. Поэтому следующей задачей является изучение метеорных следов на этих высотах. Исследование метеорных следов с помощью лазерного локатора ещё более редко встречающаяся в научной литературе задача.

Во втором разделе представлено уравнение лазерной локации, решение этого уравнения, метод обработки принятого сигнала, основанный на этом решении, лидарные исследования неоднородностей в стратосфере и мезосфере.

Из уравнения лазерной локации следует возможность исследования, как различных параметров дисперсных сред, характеризующих, например, внутренние гравитационные волны в атмосфере, так и объектов в среде (метеорные следы). Как известно, суть лазерного зондирования атмосферы может быть выражена с помощью уравнения лазерной локации:

, (1)

где - энергия принятого сигнала в фотоэлектронах;

- энергия импульса излучения лазера в фотонах;

- эффективность приёмо-передающей системы;

S- площадь приемного зеркала телескопа;

- пространственная протяжённость импульса (зондируемый объём);

- прозрачность слоя атмосферы от лидара до зондируемого объема;

L - расстояние от лидара до середины зондируемого объема атмосферы;

- объёмный коэффициент обратного рассеяния.

Таким образом, принятый сигнал (N), в первом приближении, прямо пропорционален энергии излучения лазера (W), площади зеркала телескопа (S), прозрачности атмосферы в прямом и обратном направлении (T2) и объёмному коэффициенту обратного рассеяния (). В результате, первые два параметра (W и S) и определяют превосходство одного лидара перед другим при прочих равных условиях. Кроме этого исключительно важной характеристикой является прозрачность атмосферы (T) в месте проведения измерений.

Решение уравнения лазерной локации заключалось в определении неизвестных величин. Это прозрачность атмосферы (T) и объемный коэффициент обратного рассеяния (). Другие величины, входящие в уравнение лазерной локации либо хорошо известны, либо постоянны, либо и то и другое.

При зондировании стратосферы и мезосферы прозрачность атмосферы (T), во многих случаях, можно считать постоянной. Это связано с тем, что основной вклад в ослабление лазерного излучения вносят наиболее плотные, нижние слои атмосферы.

В свою очередь, объёмный коэффициент обратного рассеяния состоит из объёмного коэффициента обратного молекулярного рассеяния и объёмного коэффициента обратного аэрозольного рассеяния. В основе объединения этих величин лежит известное представление об атмосфере на высотах стратосферы и мезосферы как об аэрозоле, состоящем из смеси газов и взвешенных частиц. В связи с этим, отдельные объемы газов и аэрозольные частицы перемещаются вместе за счёт сил внутреннего трения (вязкости). В результате, объемный коэффициент обратного рассеяния модулируется изменяющейся плотностью газовой составляющей атмосферы и концентрацией аэрозольных частиц. Это явилось физической основой предложенного метода обработки принятого лидарного сигнала с целью выявления волновых возмущений плотности атмосферных газов в стратосфере и мезосфере.

Решение уравнения лазерной локации (1) относительно величины и одновременно суть обработки принятого сигнала N заключались в следующем. Принятый сигнал, отделенный от фона ночного неба, в логарифмической форме нормировался в соответствии с квадратом расстояния. Постоянные величины и параметры лидара изменяющиеся от импульса к импульсу исключались путем взятия производной по расстоянию до зондируемого объёма. Все эти величины на графике будут представлены как вертикальные прямые линии и, в связи с этим, не будут принимать участия в модуляции принятого сигнала. Таким образом,

(2)

В результате обе составляющие, действующие синхронно, увеличивали результирующую амплитуду, выраженную через амплитуду колебаний величины . Поэтому аэрозольная составляющая использовалась для повышения чувствительности и надежности метода при регистрации и измерении параметров возмущений плотности газов в атмосфере.

Волновые процессы в стратосфере и мезосфере исследовались и ранее, с помощью лидаров, однако в качестве изменяющегося параметра волны использовалась плотность молекулярной атмосферы, концентрация атомов натрия и концентрация аэрозолей, каждый из параметров в отдельности.

Однако исследование поставленных выше задач встречает серьёзные трудности, связанные с необходимостью зондирования стратосферы и мезосферы. Подавляющее количество лидаров использовалось и используется для исследования тропосферы, поскольку для зондирования более высоких слоёв требуются мощные лазеры и крупные телескопы, с большой площадью зеркала. Кроме этого необходима очень высокая прозрачность атмосферы в районе измерений. Последние два параметра являются серьёзным препятствием для большинства исследовательских групп.

В свою очередь, лазерное зондирование атмосферы можно разделить на два основных метода. В первом используется молекулярное и аэрозольное рассеяние лазерного излучения, а второй метод основан на резонансном рассеянии лазерного излучения на атомах металлов. Если первый используется, преимущественно, для тропосферы и стратосферы, то второй – для верхней мезосферы и нижней термосферы.

Нами применялось лазерное зондирование атмосферы, в котором использовалось молекулярное и аэрозольное рассеяние лазерного излучения. Для того чтобы существенно повысить высоту зондирования применялся телескоп со сравнительно большой площадью приёмного зеркала (1,13 м2), а лазерный локатор располагался далеко от населённых пунктов в горах, для обеспечения высокой прозрачности атмосферы. Это позволило уверенно зондировать не только стратосферу, но и всю мезосферу.

В третьем разделе представлены лазерно-локационные исследования метеорных следов.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.