Способ определения микроструктуры атмосферных дымок

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВ ТЕЛЬСТЬУ (61) Дополнительное к авт. свмд-ву— (22) Заявлено 310778 (21) 2653525/18-25 с присоединением заявим М— (23) Приоритет—

Опубликовано 070981. Бюллетень М 33

Дата опубликования описания 670981 (51)М. Кл 3

С 01 и 21/25

Государственный комитет

СССР но ямам изобретений и открытий (53) УДК 536. 341 (088. 8) (72) Автор изобретения

A.Ï. Нришивалко

Ордена Трудового Красного Знамени институт физики

AH Белорусской ССР (7i 2 Заявитель (54 ) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МИКРОСТРУКТУРЫ

АТМОСФЕРНЫХ ДЫМОК Упт Б 6< .!i. 3 ИР7Я

Изобретение относится к области атмосферной оптики и может быть использовано для оперативного контроля за состоянием и трансформациями важнейшей составляющей приземного слоя

5 атмосферы-атмосферного аэрозоля в состоянии дымки.

Известен способ анализа размеров частиц полидисперсной среды (1),,О заключающийся в том, что измеряют отношение интенсивностей рассеянного назад света для компонент, поляризованных перпендикулярно и параллельно плоскости рассеяния, и затем по изменению степени поляризации нахо-. дят распределение частиц по размерам.

Этот способ имеет тот недостаток, что.для анализа микроструктуры атмосферной дымки он недостаточно чув- 20 ствителен, так как интенсивности ортогонально поляризованных компонент рассеянного назад света в случае .атмосферной дымки близки между собой, степень деполяризации невелика.

Известен также способ определения размеров частиц (2), заключающийся в том, что одновременно измеряют интенсивности свет а, рассеянного под/ различными углами, и по угловой за- . Зо висимости интенсивности рассеянного света определяют размеры частиц.

Однако этот способ имеет тот недостаток, что применительно к.атмосферной дымке он слишком громоздок, неудобен и дорог, так как требует создания очень хорошо сколлинированного луча и измерениЯ с широко разнесенными приемниками излучения.

Ближайшим техническим решением является способ определения микроструктуры атмосферных дымок (3) включающий измерения показателя ослабления излучения дымкой.

Недостатком метода оптимальной параметризации является то, что он требует измерений показателя ослабления света аэрозолем для набора длин волн. Показатель преломления вещества частиц, образующих дымку, должен быть определен из неэависиийих измерений или задается априорно, исходя из предложений о происхождении исследуеиюх воздушных масс.

Выполнение измерений в определенном спектральном диапазоне требует спектральной аппаратуры с перестройкой частоты излучения и занимает значительное время, в течение которого

711835 дисперсия структуры дымки может измениться.

Цель изобретения — упрощение и удешевление способа.

Поставленная цель достигается тем, что измеряют показатель ослабления дымки для двух длин волн Али Л иэ спектрального диапазона Л = 0,361,1 мкм, удовлетворяющих условию

Лл/Лg 0,5, берут отношение двух измеренных значений показателей ослабления и затем находят параметр 11, характеризующий микроструктуру дымки, иэ соотношения

10 где < (Лл) и б (Q — измеренные значения показателей ослабления на дли- 20 нах волн Лл и Л, А, В и 0 - числовые коэффициенты, равные соответственно 1,87; 1,09 и

1,61.;

Сущность изобретения поясняется следующим.

На основе статистического анализа очень большого числа экспериментальных.данных установлепо, что в сухих атмосферных дымках над континентом З0 спектр размеров частиц характеризуется степенным распределением вида

Л

dN(r) = Cr d I g r (2) где d N (r ) — число частиц с радиусом 35 в интервале от r до r+d r, С вЂ” норми. ровочный множитель, 4 — параметр, характеризующий ширину распределения и изменяющийся в пределах от 2,5 до

4.

В распределении (2) константа связана с концентрацией частиц. Распределение частиц по размерам полностью определяется значением параметра 4 . С учетом распределения и концентрации частиц можно записать выра- 45 жение для показателя ослабления дымки в виде г2 (!1- л7

В= Си (г,п,ж,л)г dr, I 50 где гл. и г2 — предельные размеры частиц, обычно принимаемые равными г = 0,04 мкм, r = 10 мкм, .k (r; ri,_#_, À ) — фактор эффективности ос лабления для отдельной частицы, за.висящий от радиуса частицы, длины волны излучения, а также от показателя преломления и и показателя поглощения Зе вещества частиц. Из опыта известно, что частицы естественного атмосферного аэрозоля практически 60 не поглощают .излучения в видимом и ближнем ИК-диапазонах длин волн (X<0,01). Показатель преломления этих частиц может изменяться от 1, 4 до 1,9.

Таким образом, значения показателя ослабления атмосферной дымки зависят от концентрации частиц, их распределения по размерам, показателя преломления и длины волны падающего излучения. В результате проведенных исследований показано, что отношение показателей ослабления, измеренных на двух длинах волн в интервале от 0,36 до 1,1 мкм практически не зависит от показателя преломления частиц. Об этом наглядно свидетельствует ход кривых на чертеже,где представлены зависимости от параметра М отношения показателей ослабления при

0„4 мкм и Л = 1 мкм для п=1,4, (кривая 1). и n = 1,9 (кривая 2).

Кривые идут, почти накладываясь одна на другую„ различие соответствующих им значений отношений не превышает 7-10%. Совокуп6 (А ) .Л,2 ность этих значений для интересующе го нас интервала длин волн и набора эиачений параметра 1! с.погрешностью не более 8-10% выражается линейной зависимостью вида

Ig (7 — )- = — (11 — О)(1 — Вh) где отношение показателей ослабления к его логарифм не зависят от неизвестного показателя преломления частиц; А, В и 0 — числовые коэффициенты, равные соответственно 1,87, 1с09 и 1,61 °

Таким образом, измерение отношения показателей ослабления для двух волн позволяет избежать основной трудности применяемых в настоящее время способов определения микроструктуры атмосферных дымок, заключающейся в

"угадывании" показателя преломления вещества рассеивающих частиц.

Решая (3) относительно !), находим

1 (6(. лл)

9 .ф А + 0.

1 — В

Л2

Как будет показано ниже для большей информативности измерения показателей ослабления следует производить по возможности на наиболее удаленных между собой длинах волн иэ укаэанного выше спектрального интервала.

Экспериментальные значения показателя ослабления (и см. ), приведены в табл. 1.

Значенйя. параметра микроструктуры дымок (!, полученные предлагаемым способом, и рЕзультаты сравнения с результатамй известных работ, приведены в табл.. 2. для каждой из пяти серий измерений в первых строках табл. 2 приве711835

Таблица1

Дата и вре- мя измерений

99 се рий измерений в мкм

0,4 . 0,47 0,56 . 0,78 1,04

1 27 апреля 1,36 . 1,10 0,98 0,68 0,53

2 29 апреля 0,46 0,38 0,31 0,23 0,169

13 ч. 00 мин .

3 18 сентября 0 210 0,170

О, 140 0Ä 110 О, 088

0,32

4 13 января 1 18 О, 95 0;80

0,53

13ч. 45 м

5 29 сентября 0,49 - 0,44 0,405 0,34 ю

О, 315

8 ч. 25 мин. дены значения параметра микроструктуры дымки, полученные предлагаемым способом для пар длин волн, указан ных в верхней части граф 3-7. Во второй и третьей строках табл. 2 для каждой серии измерений и для каждой пары длин волн приведены в процеитрах значения относительных погрешностей полученных значений М по сравнению с результатами известных работ.

Анализ данных табл. 2 и других показывает, что наилучшее совпадение с результатами, полученными другими, более сложных методами, дают те пары длин волн, для которых отношение не превышает 0 5. В

1»

Л2

I данном случае для 1 = 0,4 .мкм и

1, 04 мкм " = О, 385 (графа 3:); для Л„= 0,47 мкм "- = 1, 04 мкм

Л

0,452 (графа 4); для Л„= 0,4 мкм и

Л = 0,78 мкм = 0,513(графа 6).

". 2

Для других пар длин совпадение несколько хуже. Как видно из табл. 2 для всех рассмотренных случаев погрешность определения 1 предлагаемым . способом не превышает 104. А при использовании измерений для пар дЛин волн, удовлетворяющих условию

1А — - «0,5, погрешность не превышает

2.

7-8%.

Следует подчеркнуть, что в табл.2 приведены результаты обработки экспериментальных данных для различных типов осенних, зимних и весенних дымок. НезавиСимо от их типа, абсолютных значений показателей ослабления и. условий эксперимента, результаты во всех случаях не хуже результатов, полученных более сложным методом оптимальной параметризации и еще более сложным методом решения интегральных уравнений. При этом не делалось никаких пердположений относительно показателя преломления, вещества частиц дымки, что является совершенно необходимым и весьма существенным составным элементом обоих методов, с которыми проведено срав15 нение.

Таким образом, погрешность способа не превышает погрешности других известных способов. Его преимуществами является простота, малое число

Щ измерений и независимость от неизвестного показателя преломления тиц дымки.

Использование способа позволит обеспечить непрерывный зкспрессный

25 .контроль состояния микроструктуры и трансформаций атмосферной дымки.

Применение его значительно сокращает объем измерительных и вычислительных работ. Время получения данных о микроструктуре дымки сокращается в

12-15 раз по сравнению с методом оптимальной параметриэации при той же точности результатов. В отличие от метода оптимальной параметризации .предлагаемый способ не требует применения ЭВМ. Измерительная аппаратура также значительно проще.

711835

:Таблица.2

Длины волн и А в мкм

0,47 0,56 0,4

99 се- .Дата и вре рий из- мя измере мерений ний

По данным известных работ

0,4

0,47 (1) (2) 27/ 1 V

2,93

2,78 2,82

-4,6 -9,1 3,02

-8,1

-2,9

-3,2

+2,2

-6,8

-1,6 +0,8 -4,0

2,86

2,80

2,91

29/ ГЧ

2,89 2,80

3,01

13 ч.00мин +0,6

-2,8

-6,3

-3,5

-6,5

2,99

2,80 2,59

18/ I V.2,67 2,52

2,83

+1,9.12, 8

2,75

-3,1

+0,7

-8,3

-5,8

-2,1

-4,7

2,65

+5,8

+6,8

3, 35 3,41

3,08 2,99

3,43

3,21

-6,8

-3,9

+4,5 +6,3

13 ч.45мин +7,0

+3,4

-7,2 -9,9

3,32

+0,9

+2,7

2,28 2,22

2,15 2,10

2,23

29/IX

-Э,Э

-7,8

2,29

-0,5

+0,1

-3,2

-2,7

8 ч. 25мин -2, 9

-2,3

-6,5

-6,0

2,28

2. Патент США 9 3770351, кл. 356.102, опублик. 1974.

3. Э.В. Йакиенко, И.Э. Наац. Сб.

Лазерное зондирование атмосферы, М., 1976, с.- 17 (прототип).

Формула изобретения

Способ определения микроструктуры атмосферных дымок, включающий.измерения показателя ослабления излучения дымкой, отличающийся тем, что, с целью упрощения и удешев-. ления способа, измеряют показатель ослабления дымки для двух длин волн 45

А4 и А из спектрального диапазона

= 0;36-1,1 мкм, удовлетворяющих

Условию 4„/Л 0,5, берут отношение двух измерейных значений ослабления и,затем находят параметр 1, характеризующий микроструктуру дымки, из соотношения где Q (А ) и 0 (А ) — измеренные значения показателей ослабления на длинах волн g и 3g, А, В и D — числовые коэффициенты, равные соответственно 1,87; 1,09 и 161.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент США 9 3653767, кл. 356.102, опублик. 1972.

7с1835

8(A ) (4г)Составитель Д. Бакланов

Редактор Т. Каменская. Техред . Бабинец Корректор л.

Заказ б719/62 Тираж 907 Подписное

ЭНИИПИ ГосударственногО комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35., Раушская наб., д. 4/5 т

Филиал ППП "Патент", r. уЖгород, ул. Про ктная 4