Сравнение методов определения концентраций частиц модельного рассеивающего слоя лидаром упругого рассеяния

Рассмотрена актуальная задача расширения области применения лидаров упругого рассеяния для определения микроструктуры приземного слоя атмосферы, содержащего полидисперсные и несферические частицы различной природы. Предложено интерпретировать микроструктуру слоя атмосферы как эквивалентную рассеивающую среду, состоящую из монодисперсных частиц. Проведён сравнительный анализ двух методов определения концентраций частиц в рассеивающем приземном слое атмосферы по лидарным сигналам обратного рассеяния с одновременной регистрацией угловых характеристик ореола рассеяния зондирующего пучка и по результатам контактных измерений с применением нефелометра. В рамках модели эквивалентной среды рассмотрена микрофизическая интерпретация измеряемых лидаром коэффициентов обратного рассеяния и экстинкции. Сравнены способы определения концентрации эквивалентных частиц модельной рассеивающей среды нефелометром по рассеянию на отдельных частицах в прямом и обратном направлениях. Концентрация эквивалентных частиц определена по результатам относительных измерений сигналов, образующихся при рассеянии светового излучения отдельными частицами, и показано, что она пропорциональна отношению квадрата ненормализованного момента первого порядка к ненормализованному моменту второго порядка. Отмечено, что найденные по обратному рассеянию ненормализованные моменты зависят от альбедо частицы, а найденные по прямому рассеянию – практически не зависят. Показано, что одновременные измерения сигналов, образованных рассеянием излучения отдельными частицами в прямом и обратном направлениях, позволяют определять необходимую для решения лидарного уравнения связь между коэффициентами обратного рассеяния и экстинкции, а затем использовать коэффициент обратного рассеяния для определения концентраций эквивалентных частиц. Результаты выполненного анализа позволяют однозначно сопоставить концентрацию эквивалентных частиц измеряемому сигналу обратного рассеяния. Полученные результаты можно применить при разработке дистанционных методов контроля аэрозольного загрязнения приземного слоя атмосферы.

1. Kulkarni P., Baron P. A., Willeke K. Aerosol Measurement: Principles, Techniques, and Applications. Third Edition, Wiley Inc., 2011, 883 p. https://doi.org/10.1002/9781118001684

2. Measures R. M. Laser Remote Sensing: Fundamentals and Applications. New York, Wiley, 1983, 912 p.

3. Арумов Г. П., Бухарин А. В. Выбор оптимальных трасс для дистанционных измерений микроструктуры рассеивающего объекта // Измерительная техника. 2022. № 10. С. 31–36.

4. Veselovskii I., Kolgotin A., Griaznov V., Muller D., Wandinger U., Whiteman D. N. Applied Optics, 2002, vol. 41, no. 18, pp. 3685–3699. https://doi.org/10.1364 /AO.41.003685

5. Mishchenko M. I. Journal Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2009, vol. 110, no. 11, pp. 808–832. https://doi.org/10.1016/j.jqsrt.2008.12.005

6. Арумов Г. П., Бухарин А. В. Использование специальных экранов, моделирующих рассеянное в среде излучение, для измерения эквивалентного поперечного сечения частиц // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2021. Т. 18. № 3. С. 298–306.

7. Арумов Г. П., Бухарин А . В., Макаров В. С. Трёхмерные отражающие объекты в задаче моделирования лидарного сигнала от рассеивающего слоя // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2022. Т. 19. № 4. С. 328–334.

8. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. М.: Мир, 1986. 664 с.

9. Veretennikov V. V., Kozlov V. S., Naats I. E., Fadeev V. Ya. Optics Letters, 1979, vol. 4, no. 12, pp. 411–413. https://doi.org/10.1364/OL.4.000411

10. Glenn K. Y. Applied Optics, 2000, vol. 39, no. 30, pp. 5446– 5455. https://doi.org/10.1364/AO.39.005488