CC BY
0_ A SSSBESBXS ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА И ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА
-ПРОКОГОвСКИЕ НЕДЕЛИ-
Исследование дымовых шлейфов в тропосфере с использованием 5-канального флуоресцентного лидара
Касьяник Н.И.
Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, Москва Е-mail: kasnik46@yandex. ru
DOI: 10.24412/cl-35673-2024-1-26-28
Частицы дыма, возникающие в процессе лесных пожаров, являются одной из основных компонент атмосферного аэрозоля. Высокие температуры в областях горения обеспечивают выброс дыма в тропосферу. Дымовые шлейфы поглощают солнечную радиацию, разогреваются, поднимаются до нижней стратосферы и переносятся на большие расстояния, совершая до нескольких оборотов вокруг земного шара. Так шлейфы дыма, сформированные над Северной Америкой, могут наблюдаться над Москвой в широком диапазоне высот: от пограничного слоя до тропопаузы (~12 км). Частицы дыма оказывают влияние на динамику формирования жидких и ледяных облаков, поэтому процессы переноса дыма и его оптические свойства активно исследовали в последнее десятилетие с использованием многоволновых лидаров.
Однако дымовые шлейфы не всегда могут быть надёжно идентифицированы с использованием традиционных Ми-рамановских лидаров. В частности, проблематичным оказывается разделение дыма и городского аэрозоля, поскольку оба типа частиц обладают близкими характеристиками. В цикле работ, проводимых в ЦФП ИОФ РАН с 2020 года было продемонстрировано, что частицы дыма обладают высоким сечением флуоресценции и позволяют надёжно детектировать слои дыма на высотах свыше 12 км.
Начиная с 2022 года в ЦФП работает пятиканальный флуоресцентный лидар, который позволяет оценивать спектр флуоресценции аэрозоля [1]. Лидар использует YAGiNd-лазер с энергией импульса 80 мДж на длине волны 355 нм при частоте повторения 20 Гц. Сигнал флуоресценции собирают ньютоновским телескопом с апертурой 40 см. Центральные длины волн и ширины полос пропускания каналов составляют 438/29, 472/32, 513/29, 560/40 и 614/54 нм. 2023 год оказался рекордным по количеству лесных пожаров, и флуоресцентный лидар в период с апреля по сентябрь был
ШКОЛА-КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ
, «ПРОХОРОВСКИЕНЕДЕЛИ-
22-24 октября 2024 г.
использован для регулярных измерении вертикальных распределении параметров частиц. Лидар позволяет измерять коэффициент обратного рассеяния на длине волны 355 нм (Р355) и коэффициенты «обратного флуоресцентного рассеяния» на пяти длинах волн (B348, B472, B513, B560, B614). Для описания флуоресцентных свойств частиц мы также используем величину «эффективность флуоресценции» (Gi), которая является отношением коэффициента обратного флуоресцентного рассеяния В1 к Р355.
Измерения, проведённые в ЦФП в течение 2023 года, позволили определить усреднённые спектры, соответствующие городскому аэрозолю, дыму в нижней тропосфере и дыму в верхней тропосфере. В то время как флуоресценция городского аэрозоля уменьшается с увеличением длины волны, пик флуоресценции дыма смещается в сторону каналов 513 нм для нижней тропосферы и 560 нм для верхней тропосферы. Поэтому выбор эталонных спектров дыма и городского аэрозоля предоставляет возможность измерения вкладов этих частиц в полный сигнал флуоресценции (B^q, B%38).
На рис. 1 и 2 представлены результаты измерений атмосферного аэрозоля, проведённые в ночь с 25 на 26 сентября 2023 года. На цветных картах видна граница между дымом и городским аэрозолем. На рис. 2 также показано, что дым и городской аэрозоль хорошо разделяются, а их смешивание практически отсутствует.
б)
Ratio В560/В438
4 000
2 000
4 000
2 000
20 22 00 UTC Time, Н
20 22 00 UTC Time, Н
Рис. 1. Измеренные ночью с 25 на 26 сентября 2023 года пространственно-
временные распределения (а) коэффициента обратного рассеяния флуоресценции В513 (Тм-1ср-1нм-1),
(б) отношение В560/В438.
Приведенные результаты подтверждают высокую эффективность флуоресцентной методики, и расчёты спектров флуоресценции будут в дальнейшем использованы для анализа временной эволюции параметров.
ШКОЛА-КОНМРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЁНЫХ
ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА И ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА
а)
б)
URBAN
SMOKE
18 19 20 21 22 23 00 01 02 Time [hours]
18 19 20 21 22 23 00 01 02 Time [hours]
Рис. 2. Обратное рассеяние флуоресценции (в Тм-1ср-1нм-1) на длине волны 438 нм, приписываемое городским частицам (В"зв) (а) и дыму (В%38) (б).
Наблюдения 25-26 сентября 2023 г.
Автор выражает благодарность научному руководителю д.ф.-м.н. Веселовскому И.А. и к.ф.-м.н. Коренскому М.Ю. за постановку научной задачи, помощь в измерениях и обсуждение результатов.
1. Veselovskii I., Kasianik N., Korenskii M., et al., Atmos. Meas. Tech. 2023, 16, 2055-2065. https://doi.org/10.5194/amt-16-2055-2023.
