Способ определения температуры атмосферы

 

(19) (11) СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)э 6 01 W 1/04

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (2 1} 2661018/10 (22) 28.08.78 (46) 07.12,92. Бюл. М 45 (71) Институт оптики атмосферы СО АН

: СССР (72) С,А.Даничкин (56) Труды Центральной аэрологической обсерватории, M.: 1973, вып. 10, с. 54.

Авторское свидетельство СССР

N 534132, кл. G 01 Ч/ 1/04, 1977. (54j(57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ АТМОСЭЕРЫ путем посылки s исследуемую область монохроматического

Изобретение относится к способам зондирования атмосферы излучением оптического диапазона, в частности к способам определения температуры, и может быть использовано при метеорологических измерениях.

Известны способы зондирования атмосферы путем посылки в нее коротких импульсов оптического излучения и приема обратно рассеянных потоков спонтанного комбинационного рассеяния (СКР), Для измерения температуры атмосферы из CKP выделяют излучения стоксовой и антистоксовой компонент колебательного спектра на молекулах азота или кислорода воздуха и по соотношению интенсивностей этих излучений судят о температуре в зондируемом объеме, дальность до которого определяют по временной задержке между посылаемым и принимаемым излучениями.

Недостаток этого способа заключается .в сложности технической реализации, так как интенсивность внтистоксовой колебательной компоненты CKP в атмосфере при излучения, приема рассеянного атмосферой излучения и выделения в нем полосы чисто вращательного спектра спонтанного комбинационного рассеяния с последующим определением его интенсивности. о т л и ч а юшийся тем, что, с целью упрощения технической реализации способа, выделяют в рассеянном излучении колебательный спектр спонтанного комбинационного рассеяния, определяют интенсивность излучения в нем и по отношению интенсивностей чисто вращательного и колебательного спектров судят о температуре. существующих энергиях излучений очень слаба.

Известны также способы определения температуры атмосферы путем йзмерения в обратнорассеянном излучении"интенсивностей в полосах чисто вращательного спектра

СКР воздуха. При этом интенсивности измеряют в двух участках, выделяемых либо только в стоксовой, либо только в антистоксовой полосе, либо один выбирают в стоксовой, а другой — в антистоксовой полосе.

В известйых способах определения температуры один из участков необходимо выбирать в областях, отстоящих друг от друга на <100 см . Для работы в столь узких спектральных интервалах, когда выделяемые участки отстоят друг от друга и от возбуждающей линии на 30-100 см, требуется

-1 аппаратура с высоким спектральным разрешением при большой светосиле. что усложняет способ.

Наиболее близким к изобретению является способ, сущность которого заключается втом,,что в атмосферу посылают

727008 монохроматическое излучение, принимают рассеянное атмосферой, выделяют в нем полосы чисто вращательного спектра СКР и определяют его интенсивность, При реализации способа один иэ участков необходимо выбирать в области с частотой 10-70 см,. а другой — в области с

-1 частотой 90-170 см . Участки неэначитель-1 но разнесены между собой. Кроме того, один из них расположен в непосредственной близости, в 30-40 см от линии возбуж-1 дающего излучения, сигнал рассеяния на которой на 6-8 порядков выше с.игналов

CKP. Необходимость выделения узких участков спектра и отсечки мощного сигнала помехи при работе в небольшом спектральном диапазоне требует применения спектральных приборов высокого разрешения. .Недостатком известного способа является сложность технической реализации и работы с аппаратурой.

Целью изобретения является упрощеwe технической реализации способа, Поставленная цель достигается тем, что

flo предлагаемому способу опрецеления температуры атмосферы, заключающемуся в посылке в атмосферу монохроматического излучения, измерении интенсивности в полосе чисто вращательного спектра обратнорассеянного СКР, измеряют также интенсивность в участке колебательного спектра СКР и по отношению интенсивностей вращательного и колебательнс го спектров судят о температуре атмосферы.

Использование колебательного спектра

СКР молекул азота, спектрально отстоящего от возбуждающей линии на 2331 см, или кислород1а, имеющего спектральный сдвиг в

1556 см, позволяет выбирать для измерения интенсивности в чисто вращательном спектре одну область 90-170 см, Выделяемые для реализации способа спектральные компоненты СКР значительно разнесены друг от друга и or длины волны возбуждающего излучения. Это позволяет применить спектральную аппаратуру с меньшим спектральным разрешением и упрощает работу с ней.

Интенсивность колебательного СКР не зависит от температуры рассеивателей. От температуры зависит интенсивность чисто вращательного СКР, поэтому в спектре обратнорассеянного излучения выделя от участок чисто вращательного CKP воздуха в области от 90 до 170 см стоксовой полосы (или антистоксовой). Величина принимае.мого с расстояния r излучения в участке чисто вращательного спектра равна

Р1(г)=а1," ехр (— — ) — — TgrTir а(г 1 Е (И А

Т КТ

{1) гдеp (r) — плотность воздуха;

А — аппаратурная константа; щ — константы молекул, не зависящие от температуры;

Т вЂ” температура;

Е(1у) — вращательная энергия молекул в состоянии 1

1у — вращательное квантовое число начального состояния

К вЂ” постоянная Больцмана;

T1(r) — прозрачность слоя атмосферы для выделенного участка спектра;

T0(r) — прозрачность слоя атмосферы на зондирующей длине волны, Суммирование, e (1) ведется по всем линиям азота и кислорода, попадающим в выделяемый участок спектра. В спектре рассеянного назад излучения с помощью спектральной аппаратуры выделяют также излучение колебательного СКР,- например, молекул кислорода. Это излучение смещено спектрально or возбуждающего монохроматического излучения на частоту u - 1556 см . Величина сигнала, принимаемого с расстояния r, описывается уравнением зондирования вида

F2(r)=-0.2 02 p (r ) — 2 То(г)Т2(г), {2) где с 2 — сечение СКР молекулы кислорода, не зависящее от температуры; Tz(r) — прозрачность слоя атмосферы на длине волны

СКР кислорода.

Отношение измеренных величин интен 0 сивностей для одного и того же расстояния дает множитель, зависящий от температуры

R(T)-Р2 — =В

F1 где  — постоянная отношения, Спектральным ходом прозрачности атмосферы для участков спектра, разнесенных друг от друга íà v .1400 см, в большинстве случаев оптического состояния атмосферы для дальности зондирования до 2-3 км можно пренебречь и принять отношение

Т2(г)/T1(r)=1

Таким образом, по отношению- интенсивностей принятых сигналов на колебательном СКР азота или кислорода и чисто вращательном СКР воздуха и известной из калибровок зависимости RP) от температу727008 ры, определяется температура в зондируемом объеме атмосферы, находящемся на определенном расстоянии от прибора.

Составитель С.Даничкин

Редактор Т.Шарганова Техред М.Моргентал Корректор Т,Вашкович

Заказ 560 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 101

Предлагаемый способ определения температуры атмосферы может быть реализован следующим образом;

Импульс монохроматического излучения лазера в видимой или УФ-области спектра посылают s атмосферу, Принимают обратнорассеянное излучение и разлагают его с помощью спектрального прибора. Из спектра выделяют излучение колебательного СКР на молекулах кислорода (или азота) с р =1556 GM а также излучение в полосе чисто вращательного спектра воздуха, на5 пример в области Лт -90-160 см стоксовой полосы, Регистрируют выделенные излучения с помощью фотоприемников и находят отношение зарегистрированных сигналов, устраняя тем самым влияние на

10 точность измерений неопределенных аппаратурных и атмосферных параметров.