CC BY
11
УДК 550.34.038.4; 551.508.856
ЛИДАРНОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ АЭРОЗОЛЕЙ В ТОННЕЛЕ НАД ОЧАГОМ ВУЛКАНА ЭЛЬБРУС
С. М. Першин1, А. Л. Собисевич2, В. А. Завозин1, М.Я. Гришин1, В.Н. Леднев1, В. С. Макаров3, В. Б. Петков4, Я. Я. Понуровский1, А. Н. Фёдоров1, Д. Г. Артёмова1
Обнаружено кратное (до 300%) увеличение лидарного сигнала рассеяния в виде коротких (~2 часа) выбросов на его сезонном снижении в тоннеле-тупике Баксанской Нейтринной Обсерватории (БНО) над очагом вулкана Эльбрус. Установлено совпадение короткопериодическо-го увеличения концентрации аэрозоля с выходом радона (222Rn) и повышением влажности. Измерены немонотонный нетривиальный профиль температуры с инверсией в объёме тоннеля, а также высокая концентрация тяжёлых магматических газов (12Сй2 и 13 Сй2), поступающих из очага вулкана Эльбрус. Совокупность данных указывает на импульсную генерацию туманов и увеличение коэффициента рассеяния. Продемонстрирована высокая чувствительность компактного лидара к вариациям аэрозолей над очагом вулкана.
Ключевые слова: инверсия температуры в горячем тоннеле, рост лидарного сигнала рассеяния, спектральный анализ газов из очага вулкана Эльбрус.
Введение. Недавно [1] в глухом наклонном тоннеле (43°14/57.7//N, 42°43/19.5"E, длиной ~50 м и диаметром до 3 м) Баксанской Нейтринной Обсерватории (БНО) ИЯИ РАН под горой Андырчи на удалении 4000 м от входа было зарегистрировано сезонное (август-октябрь) двукратное снижение сигнала обратного рассеяния на аэрозолях
1 ИОФ РАН, 119991 Россия, Москва, ул. Вавилова, 38; e-mail: [email protected].
2 Институт физики Земли им. О.Ю. Шмидта РАН, 123242 Москва, ул. Большая Грузинская, 10, с. 1.
3 Институт космических исследований РАН, 117133 Россия, Москва, Профсоюзная ул., 84.
4 Институт ядерных исследований РАН, 117312 Россия, Москва, проспект 60-летия Октября, 7А, с. 3.
с помощью компактного лидара. Существенно, что выявленная зависимость симбат-на сокращению плеча лазерного деформографа [1, 2], используемого для измерения деформации коры Земли [3, 4], а также сезонному снижению температуры внешней атмосферы на ~4 °C [1]. При этом температура в горячем тоннеле уменьшилась менее чем на 0.1 °C [1] (данные прецизионного термометра с разрешением ~0.005 °C, разработанного в ИФЗ РАН [5]). Такое снижение указывало на стабильность подогрева основания тоннеля магматическими газами.
Особый интерес здесь вызывают короткие и интенсивные (до 300% от средних значений) импульсы лидарного сигнала рассеяния на аэрозолях (напр., 13.09, 19.09 и 21.10 см рис. 4(с) из работы [1]), физика которых остается пока неясной и является предметом изучения в данной работе.
Эксперимент. Зондирование аэрозолей проводили уникальным лидаром на диодном лазере с безопасной для глаз плотностью (< 1 мкДж/см2) энергии импульса излучения и на однофотонном лавинном фотодиоде (SPAD) в качестве приёмника, принцип работы которого, а также обработка данных зондирования аэрозолей изложены в работах [1, 6]. В качестве источника в лидаре использовался GaAlAs (910 нм) лазер с рекордно коротким для диодного лазера импульсом (3 нс) [7] и частотой повторения 10 кГц. В каждом измерении с интервалом 30 минут лидар излучал 100 000 импульсов для повышения статистической достоверности получаемых сигналов аэрозольного рассеяния. Лидар обеспечивал дискретизацию фотоотсчётов вдоль трассы зондирования с шагом 10 см. Общий вид лидара в отдельных блоках: оптический (вверху) и электронный, показан на рис. 1.
Лидар был размещён в горячем (~40 °C) тоннеле (43°14/57.7"N, 42°43/19.//E) на высоте 1715 м над уровнем моря, который является лабораторией ИФЗ РАН. Условия горячего тоннеля БНО (высокая температура, влажность и др.) были экстремальными для лидара. Способность работы лидара в экстремальных условиях испытывали ранее при подготовке прототипа данного лидара к полёту на Марс с миссией НАСА "Mars Polar Lander-99", как первого лидара для зондирования атмосферы [8]. На схеме вертикального разреза тоннеля (рис. 2) показано, что зондирование аэрозолей проводили на отрезке длиной ~32 м [1] с подъёмом трассы от 0.4 м до 1.5 м (рис. 2(b), пунктир) к глухой стене.
Рядом с лидаром на платформе (на высоте 0.4 м) был установлен коммерческий датчик влажности (HIH-5031) воздуха. Вариации относительной влажности в процентах считывали через 30 минут. Датчик радона (RADEX MR107) был установлен в углуб-
лении (~0.5 м) основания тоннеля на расстоянии 1 м от лидара. Такой выбор был обусловлен тем, что радон, плотность которого ~9.4 кг/м3 (в 7.4 раза тяжелее воздуха), должен скапливаться у основания тоннеля. Заметим, что датчик радона проводил измерения только один раз в час для надежного определения сигнала согласно документации прибора.
Измерения профиля температуры воздуха в тоннеле проводили 10.09.2020 одновременно тремя полупроводниковыми датчиками температуры TMP37 - Т1, Т2, Т3 с помощью разработанной нами метеостанции на основе микроконтроллера ATmega328 -Arduino Uno R3 в качестве аналого-цифрового преобразователя. Датчики были отка-либрованы по ртутному термометру LABORTHERM-N с ценой деления 0.1 °C и диапазоном значений -10...100 °C. Мы закрепили датчики на переносной штанге на разной высоте: на основании тоннеля, ~0 м, на 1 м и 1.5 м. Выбор высоты был обусловлен углом наклона трассы лидарного зондирования аэрозолей в нижней половине объёма тоннеля (рис. 2) [1]. Данные термодатчиков записывали через 5 метров вдоль тоннеля и сохраняли в управляющем компьютере (было проведено семь параллельных измерений). После сбора данных о температуре был произведен расчет средней температуры и стандартное отклонение в каждом сечении тоннеля на трёх уровнях по высоте относительно основания тоннеля.
Рис. 1: Лидар на диодном лазере СаЛЛв (910 нм, 3 нс): оптический блок расположен сверху (чёрный), электронный блок (светлый) расположен снизу.
Точки измерений Лидар Входная решетка
Рис. 2: Схема горячего тоннеля БНО, вид сбоку, с траекториями наклонной трассы лидарного зондирования аэрозолей (пунктир) и измерения профиля температуры на разной высоте: у основания (толстая линия), 1 м (штрихпунктир), 1.5 м (штриховая прямая).
Результаты и обсуждение. Для удобства анализа динамики импульсных бросков (до 300% от средних значений) лидарного сигнала рассеяния на аэрозолях в тоннеле было выбрано два фрагмента из данных мониторинга сезонного снижения лидарного сигнала при деформации коры Земли [1], которые были сопоставлены с данными вариации влажности и радона (рис. 3). Отметим короткую (2-3 часа) длительность выбросов сигнала рассеяния и влажности с высокой скоростью нарастания на фронте выброса по сравнению со сглаженными и продолжительными (~сутки) импульсами выхода радона. Отметим, что влажность возрастала до 4% относительно среднего значения, тогда как импульсы лидарного сигнала увеличивались на 200—300% (см. рис. 3, данные за 19.09 и 22.10). Более того в некоторые моменты (рис. 3(а), 19.09 в 10:20 и 14:00; и рис. 3(Ь), 08.10 в 13:20, 21.10 в 17:44) фронт нарастания влажности совпадал с фронтом импульса сигнала рассеяния, а также с увеличением выхода радона, который хорошо растворяется в воде, как показали многолетние измерения в тоннелях нейтринной обсерватории Гран Сассо (Италия) [9]. Отметим, что иногда импульсы аэрозолей (17.09 в 11:00 и 18.09 в 10:00) наблюдались в периоды увеличения выхода радона, но без повышения влажности.
Выявленные особенности дают основание полагать, что повышение влажности на 1-2% отражает небольшой выход паров Н2О (рис. 3), а значительное увеличение рассе-
Рис. 3: Фрагменты (12-20 сентября и 7-23 октября 2019 года) данных мониторинга сезонного снижения лидарного сигнала рассеяния на аэрозолях (чёрная линия, 2), относительной вла^юности (синяя линия, 1) и радона (розовая линия, 3) в горячем тоннеле БНО в августе-ноябре 2019 г.
яния на аэрозоле вызвано генерацией тумана при адиабатическом охлаждении шлейфа, а также на пылевых частицах в шлейфе - центрах конденсации Айткена [10]. При этом скачок аэрозольного рассеяния (рис. 3(а), 17.09) в отсутствие заметного повышения влажности, но с увеличением выхода радона может быть вызван конденсацией паров Н2О на а-частицах спонтанного распада ядра радона (222И,п) с выделением энергии 5.5903 (3) МэВ [11].
Подобное явление - конденсация паров Н2О при атмосферном давлении, наблюдается при образовании утренних туманов испарения на границе контакта «холодного» воздуха с "теплым" над водоёмом. В нашем случае наличие слоя тёплого и влажного (рис. 3) воздуха над горячим основанием тоннеля допускает формирование туманов испарения при снижении температуры воздуха в верхней половине тоннеля, например, из-за просачивания талой воды ледника, по аналогии с подобным процессом в тоннеле нейтринной обсерватории Гран Сассо (Италия) [9]. На основании этого предположения в тоннеле было проведено измерение продольного и поперечного профиля температуры воздуха, который показан на рис. 4.
Из рис. 4 видно, что распределение температуры по объёму тоннеля имеет немонотонный и нетривиальный профиль. Так скальное основание тоннеля (рис. 4, толстая линия) имеет локальный источник подогрева (до 38 °С) в середине тоннеля с уменьшением в начале тоннеля (до 34.5 °С) и у глухой стены (до 33.5 °С). Таким источником
Рис. 4: Профиль температуры в глухом тунеле (см. рис. 1) от вспомогательной штольни до стены на разных уровнях от основания: ~0 м; ~1 ми ~1.5 м с инверсией температуры в начале тоннеля.
являются горячие магматические газы очага вулкана, которые выходят в тоннель из трещин основания. Профиль температуры на высоте 1-1.5 м кардинально отличается от профиля нагрева основания, что указывает на отсутствие вертикального перемешивания. В первой половине тоннеля на этой высоте формируется слой "холодного" (33-35 °С) воздуха относительно "теплого" (34-38 °С) основания. Далее этот слой подогревается до 36.5 °С и снижается у глухой стены до 34-35 °С. Наличие слоев с инверсией (до А < 4 °С) температуры над горячим основанием тоннеля указывает на нарушение закона Архимеда и формирование неустойчивости Релея-Тейлора [12], когда слой холодного плотного воздуха находится выше теплого слоя. Это можно объяснить тем, что при условии расслоения воздуха и отсутствия перемешивания, когда внизу находится слой теплого и, одновременно, более плотного воздуха, чем вверху, в холодном слое. Тогда следует допустить, что магматические газы, которые поступают в тоннель через трещины из очага вулкана, содержат компоненты, объёмная плотность которых выше плотности воздуха, 1.27 кг/м3.
Одним из таких газов является радон, плотность которого в 7.4 раза выше воздуха. Другими компонентами могут быть 12СО2 и 13СО2, которые выделяются из очага вулкана и диффундируют сквозь массив скалы [13, 14]. С целью обнаружения этих газов в тоннелях БНО были отобраны пробы газов из трещины, покрытой слоем воды, по ранее разработанной методике наполнения стеклянной ёмкости (бутылки) [13]. Пробу брали недалеко от горячего тоннеля, в штольне с непрерывным выделением пузырьков газа через слой воды. Через сутки проба была доставлена в Институт общей физики РАН, где был проведен анализ состава пробы газов на специально разработанном спектрометре высокого разрешения на диодных лазерах ДЛС-А3-05 (рис. 5), который подробно описан в работах [15, 16].
Рис. 5: Общий вид диодного лазерного спектрометра высокого разрешения ДЛС-А3-05, разработанного в ИОФ РАН (вверху - многопроходная кювета, снизу - блок лазерного спектрометра с тремя перестраиваемыми диодными лазерами).
Перед измерениями мы провели калибровку спектрометра-анализатора по составу специально подготовленной смеси газов (Предприятие ООО "Фёссен", г .Москва). Газы с помощью прокачки принудительно подавали в многоходовую кювету Эррио ДЛС-А3-05 (рис. 5). Результаты анализа состава газов пробы из тоннеля БНО, а также измерения их концентраций сведены в табл. 1.
Таблица 1
Содержание пробы газов, собранной под поверхностью воды в штольне БНО (10.09.2020 г.). Объем пробы воздуха 500 мл. Температура пробы 23 °C
№ п/п Газы Измеренная концентрация Фон /ПДК
1 12co2 12% 400 ppm / 0.5%(1)
2 13CO2 1350 ppm 4.5 / 56 ppm
3 СН4 40 ppm 2 ppm / 1.05%
4 H2S 2.4 ppm 0.03 ppb / 5 ppm
5 H2O Насыщенные пары
6 NH3 0.05 / 2 ppm
Из таблицы 1 видно, что из основания тоннеля поступают газы, состав которых указывает на их вулканическую природу [13]. Существенным здесь являются их высокая концентрация (в 10-20 раз превышающая ПДК [17, 18]) и отличия молекулярной массы. Естественно ожидать, что подобные газы поступают по трещинам и в горячий тоннель, поскольку размеры очага вулкана составляют десятки километров от его кратера [13, 14]. Эти газы выходят в объём и подогревают основание тоннеля. Наличие тяжёлых (радон, СО2) и лёгких (Н2О, СН4) газов позволяет учитывать их влияние на формирование температурных полей в горячем тоннеле в соответствии с рассмотренным выше механизмом.
Существенным фактором здесь является расслоение газов по плотности и сток тяжёлых газов по тёплому и наклонному основанию вниз, в штольню БНО. Медленный сток этих газов запускает втягивание "холодного" (рис. 4, ~33 °С) воздуха из вспомогательной штольни в горячий тоннель. Генеральное снижение температуры основания и воздуха у глухой стены тоннеля (рис. 4) указывает на возможное охлаждение стены и свода парами Н2О талых вод ледника [9]. Тогда профиль температуры (рис. 4) с границами контакта "холодного"/"тёплого" воздуха, которые пересекают шлейфы горячих газов очага вулкана и трассу лидарного зондирования, допускает флуктуации параметров на границе с образованием туманов.
Таким образом, полученные данные позволяют заключить, что 300% увеличение импульсов сигнала лидара индуцировано визуально незаметными шлейфами тяжёлых газов и паров Н2О из очага вулкана Эльбрус. Тяжёлые газы (радон, 12СО2 и 13СО2) обеспечивают расслоение воздуха и сток вниз по горячему основанию тоннеля, блокируют архимедову конвекцию и формируют над горячим основанием слой с инверсией
температуры. Флуктуации холодного воздуха при контакте с теплыми шлейфами газов и паров Н2О, пыли и а-частиц радона создают условия для генерации туманов. В этих условиях аэрозольный лидар является чувствительным индикатором выхода шлейфов магматических газов в тоннеле, которые отражают активность вулкана Эльбрус.
Физически ясно, что для изучения динамики формирования аэрозольных шлейфов необходимо повысить частоту опроса данных лидара и установить дополнительные детекторы двуокиси углерода и метана, а также влажности от свода до основания тоннеля с термодатчиками через 0.5 м на входе тоннеля и около лидара. Отметим, что мониторинг вариации состава газов непосредственно по длине горячего тоннеля с помощью газового анализатора ДЛС-А3-05 в реальном времени позволит выявить и измерить распределение шлейфов газов вдоль основания, из стен и свода тоннеля.
Работа была выполнена при финансовой поддержке РНФ, соглашение № 19-19-00712.
Авторы выражают благодарность академику Е. И. Гордееву за плодотворное обсуждение полученных результатов.
ЛИТЕРАТУРА
[1] S. M. Pershin, A. L. Sobisevich, M. Ya. Grishin, et al., Laser Phys. Lett. 17(11), 115607 (7pp) (2020).
[2] V. K. Milyukov, A. V. Myasnikov, V. V. Kuzminov, et al., Proc. of 8th Int. Conf. on Adv. Optoelectr.& Lasers, CÜAL*2019, Sept 06-08, Sozopol, Bulgaria (IEEE Xplore Digital Library). DOI: 10.1109/CA0L46282.2019.9019472.
[3] V. K. Milyukov and A. V. Myasnikov, Measurement Techniques, Instrument Society of America 48(12), 1183 (2012).
[4] P. J. Melchior, 1983, The Tides of the Planet Earth, Oxford: Pergamon Press; Melchior Paul J., "The Earth Tides", Pergamon Press, Oxford, 458 pages, 1966.
[5] D. V. Likhodeev, V. V. Gravirov and K. V. Kislov, Seism. Instrum. 54, 673 (2018).
[6] S. M. Pershin, M. Y. Grishin, V. A. Zavozin, et al., Laser Phys. Lett. 17(2), 026003 (2020).
[7] С. М. Першин, М. Я. Гришин, В. А. Завозин и др., Квантовая электроника 51(5), 423 (2021). https://DOI:org/10.1070/QEL17544.
[8] https://mars.nasa.gov/internaLrecources/818/.
[9] N. Yu. Agafonova, V. V. Ashikhmin, E. A. Dobrynina, et al., Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 83(5), 614 (2019). Известия РАН, серия физическая: 201983 (5), 673-675.
[10] H. Peter McMurry, Aerosol Science and Technology 33(4), 297 (2000).
[11] G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, and A. H. Wapstra, Nuclear Physics A 729, 3 (2003). DOI: 10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001.
[12] Д. А. Лабунцов, В. В. Ягов, Механика двухфазных систем (М., Изд-во МЭИ, 2000) с. 143.
[13] В. Ю. Лаврушин, Подземные флюиды Большого Кавказа и его обрамления (М., ГЕОС, 2012).
[14] А. Г. Гурбанов, О. А. Богатиков, Б. С. Карамурзов и др., Вулканология и сейсмология 4, 3 (2011).
[15] V. V. Liger, Yu. A. Kuritsyn, V. R. Mironenko, et al., High Temperature 56(1), 98 (2018). DOI: 10.1134/S0018151X18010108.
[16] A. I. Nadezhdinskii and Ya. Ya. Ponurovskii, Quantum Electronics 49(7), 613 (2019). DOI: http://D0I.org/10.1070/QEL16776.
[17] Стандарт EN 13779:2004. Ventilation for non-residential buildings - Performance Ventilation requirements for ventilation and room-conditioning systems.
[18] https://docs.cntd.ru/document/557235236.
Поступила в редакцию 2 декабря 2021 г. После доработки 17 декабря 2021 г. Принята к публикации 20 декабря 2021 г.
