Вперше, наскільки нам відомо, за допомогою компактного лидара зворотного розсіювання зареєстрована еволюція багатошарових туманів. Зондування аерозолів проводили в похилому тунелі (траса довжиною 50 м) сцинтилляционного телескопа Баксанській нейтринної обсерваторії. Лідар був зібраний на діодному GaAs-лазері (? = 910 нм) з безпечним для очей рівнем випромінювання (< 1 мкДж / см2) і великою частотою повторення (до 10 кГц) імпульсів з рекордно короткойдлітельностью (~ 3 нс) при накачуванні імпульсами струму. Як приймача використовували кремнієвий лавинний фотодіод, який працював в стробіруемий режимі рахунку фотонів.

Анотація наукової статті з фізики, автор наукової роботи - Першин С.М., Гришин М.Я., Завозін В.А., Кузьмінов В.В., Ледньов В.Н.


Область наук:

  • фізика

  • Рік видавництва: 2019


    Журнал: Короткі повідомлення з фізики Фізичного інституту ім. П.Н. Лебедєва Російської Академії Наук


    Наукова стаття на тему 'лідарного ЗОНДУВАННЯ ЕВОЛЮЦІЇ БАГАТОШАРОВИХ ТУМАНОВ У похилому тунелю Баксанська нейтринна обсерваторія'

    Текст наукової роботи на тему «солідарності ЗОНДУВАННЯ ЕВОЛЮЦІЇ БАГАТОШАРОВИХ ТУМАНОВ У похилому тунелю Баксанська нейтринна обсерваторія»

    ?До 20-річчя доставки лидара РАН місією НАСА до Марсу

    УДК 550.34.038.4; 551.588.856

    Лідарного ЗОНДУВАННЯ ЕВОЛЮЦІЇ БАГАТОШАРОВИХ ТУМАНОВ У похилому тунелю Баксанська нейтринна обсерваторія

    С. М. Першін1, М.Я. Грішін1'2, В. А. Завозін1, В. В. Кузьмінов3, В.Н. Леднёв1, В. С. Макаров4, А. В. Мясніков5, А. В. Тюрін4, А. Н. Федоров1, В. Б. Петков3

    Вперше, наскільки нам відомо, за допомогою компактного лидара зворотного розсіювання зареєстрована еволюція багатошарових туманів. Зондування аерозолів проводили в похилому тунелі (траса довжиною 50 м) сцинтилляционного телескопа Баксанській нейтринної обсерваторії. Лідар був зібраний на діодному СсЛв-лазері (А = 910 нм) з безпечним для очей рівнем випромінювання (< 1 .мкДж / с.м2) і великою частотою повторення (до 10 кГц) імпульсів з рекордно короткою тривалістю (~ 3 нс) при накачуванні імпульсами струму. Як приймача використовували кремнієвий лавинний фотодіод, який працював в стробіруемий режимі рахунку фотонів.

    Ключові слова: лідар нового покоління, багатошарові тумани, тектонічні аерозолі в тунелі.

    Вступ. Відомо, що за допомогою компактного лидара [1, 2] на діодному лазері з безпечним для очей рівнем випромінювання (< 1 мкДж / см2) [3] ми недавно [4] відкрили новий індикатор стиснення / розтягування кори Землі - тектонічний аерозоль. деформує-

    1 ІТФ РАН, 119991 Росія, Москва, вул. Вавилова, 38.

    2 МФТІ, 141701 Росія, Московська область, Долгопрудний, Університетський пров., 9.

    3 ІЯД РАН, 117312 Росія, Москва, пр-т 60-річчя Жовтня, 7а.

    4 ІКД РАН, 117997 Росія, Москва, вул. профспілкова 84/32.

    5 Державний астрономічний інститут ім. П. К. Штернберга МГУ (ГАІШ МГУ), 119234 Росія, Москва, Університетський пр-т, д. 13.

    цію кори Землі вимірювали лазерним деформографом [5] з довжиною плеча інтерферометра 17.2 м. Вперше, наскільки нам відомо, була зареєстрована сезонна варіація виходу аерозолів на інтервалі січень-травень 2018 р Стиснення кори Землі до березня 2018 р супроводжувалося підвищенням виходу аерозолів, а подальше розширення, навпаки, зниженням виходу аерозолів.

    Фур'є-аналіз сезонної варіації аерозолів показав, що добові і півдобові частоти модуляції лідарного сигналу зворотного розсіювання на аерозолях уздовж траси зондування визначаються з невисоким значенням відношення сигнал / шум через малу довжину тунелю (~ 17 м) і великого кроку (5 м) дискретизації (щодо довжини траси зондування). Беручи до уваги спосіб формування сигналу лидара, можна припустити, що підвищення відносини сигнал / шум буде досягнуто при використанні даних про модуляції аерозолів, отриманих в другому каналі зондування - коефіцієнта пропускання траси при повному проході траси в обох напрямках. Однак для цього необхідна більш точна, ніж 5 м, локалізація стіни тунелю. Великий крок дискретизації в роботі [4] маскує стан стіни в кінці тунелю, що допускає перемішування вкладу сигналу зворотного розсіювання і пропускання на повному проході траси. Фізично ясно, що зменшення кроку дискретизації траси одночасно зі збільшенням довжини траси зондування дозволять окремо реєструвати ці сигнали і вивчати варіації аерозолів, використовуючи обидва канали, що є предметом цього повідомлення.

    Експеримент. Експеримент проводився в липні-серпні 2019 року в похилому тунелі довжиною 120 м і діаметром 5 м Баксанській нейтринної обсерваторії (www.inr.ru/bno) поблизу сцинтилляционного телескопа. Тунель був обмежений стінками з дверима. Тунель був прокладений на стадії монтажу телескопа і залишений без оздоблення стін і підстави. Через танення льодовика на вершині гори Андирчі в тунель просочувалася вода, яка капала зі стелі в деяких місцях, що підтримувало високу вологість і температуру близько 12 ° C. Зауважимо, що сезонні варіації грунтової води в подібних умовах у нейтринної обсерваторії Гран Сассо (Gran Sasso) в Італії [6] супроводжувалися виходом тектонічного газу радону через його високої розчинності в воді [7]. Ми припустили, що в нашому випадку вихід радону буде проявлятися в варіаціях аерозолів, які утворюються на іонах як центрах конденсації через радіоактивного розпаду радону [7].

    Лідар був розміщений на висоті 2.5 м над підлогою. Вибір тунелю в Баксанській нейтринної обсерваторії був обумовлений великою довжиною траси, а також наявністю ла-

    Зерно деформографа з довжиною плеча 75 м, розташованого поруч в головній горизонтальній штольні і орієнтованого однаково з трасою лідарного зондування (у напрямку північ-південь). При тривалих вимірах варіацій аерозолів лазерний деформограф є опорним і необхідним інструментом вимірювання величини і знака деформації кори Землі [8]. Схема експерименту і розташування тунелів в Баксанській нейтринної обсерваторії представлені на рис. 1 (а).

    Мал. 1: (а) схема тунелів на ділянці Баксанській нейтринної обсерваторії поблизу сцинтилляционного телескопа; (Б) фото приймально-передавального блоку (чорного кольору) лидара і інтерфейсний блок (сірого кольору); (В) типовий профіль зворотного розсіювання в атмосфері, що прилягає до лидара, і сигнал від мішені на відстані 47 м.

    Для скорочення кроку дискретизації уздовж траси ми розробили нову версію лидара на імпульсному диодном GaAs-лазері (А = 910 нм) з накачуванням імпульсом струму і лавину фотодіоді [1-3, 9]. Температура фотодіода стабілізувалася вбудований-

    вим елементом Пельтьє з відхиленням ± 0.05 ° С. Температура лазера підтримувалася з відхиленням не більше ± 0.5 ° С для узгодження довжини хвилі з пропускною здатністю интерференционного фільтра перед приймальним каналом. Для харчування лазера був розроблений генератор імпульсів струму з керованою частотою повторення. Нам вдалося отримати генерацію імпульсів з рекордно короткою, наскільки нам відомо, тривалістю (~ 3 нс) і великий (~ 10 кГц) частотою повторення імпульсів з енергією ~ 0.3 мкДж. Така довжина імпульсу в просторі (~ 90 см) допускала скорочення кроку дискретизації траси до 10 см і обмеження довжини траси до 240 м тривалістю стрибає 1.6 мкс, який подавався на фотодіод синхронно з імпульсом лазера. Маса лидара не перевищувала 400 грам: 100 г - приймально-передавальний блок і 300 г - інтерфейсний блок (див. Рис. 1 (б)). Стабільність роботи лидара контролювали за рівнем шумових відліків приймача. У разі фонової засвітки при несанкціонованому відвідуванні рівень шуму підвищувався. Управління роботою лидара проводили з персонального комп'ютера, встановленого в безпосередній близькості. Комп'ютер мав доступ в мережу Інтернет, тому контроль і управління роботою ліда-ра проводили дистанційно (з лабораторії ІТФ РАН, Москва). Кожен вимір підсумовували по 100 000 лазерним імпульсам (один вимір - 10 секунд) з інтервалом 30 хв між сеансами.

    На рис. 1 (в) показаний приклад типового [1, 2] профілю зворотного розсіювання вздовж траси зондування без корекції на квадрат відстані від лидара. Перший пік фотоотсчётов (2-5 м на рис. 1 (в)) пропорційний коефіцієнту зворотного розсіювання на аерозолях, тому сигналом зворотного розсіювання вибрали інтеграл фотоотсчётов на відстані від 0 до 40 м. Інтеграл другого піку фотоотсчётов показує розсіювання на екрані - сигнал пропускання на повному проході траси. При цьому лідар вимірює довжину траси (47 м), як лазерний далекомір, і амплітуду сигналу розсіювання на екрані (число фотоотсчётов), яка пропорційна коефіцієнту пропускання і обернено пропорційна варіації аерозолів на трасі. Зауважимо, що полушіріна другого піку (~ 1 м) дорівнює тривалості імпульсу (~ 3 нс) лазера на напіввисоті.

    Результати та обговорення. На рис. 2 представлені результати моніторингу варіацій аерозолів в тунелі протягом трьох днів (з 0:00 понеділка до середи), які відображають деякі особливості стану атмосфери в тунелі, що повторюються з тижневим періодом. Ці особливості вказують на процеси утворення і розпаду щільних аерозольних хмар в тунелі з багаторазовим зміною коефіцієнтів розсіювання і пропускання. З рис. 2 (а) видно, що прозора атмосфера (мінімум

    аерозолів, товста лінія, і максимум пропускання, сіра лінія) рано вранці в понеділок (~ 8 годин з початку вимірювань) швидко стає сильно розсіює. Цей стан атмосфери зберігається з деякими варіаціями до кінця тижня. При цьому число шумових відліків (рис. 2 (а), тонка лінія, збільшення в 50 разів) фотоприймача не змінюється, що свідчить про стабільну роботу лидара.

    Мал. 2: (а) варіації сигналу зворотного розсіювання (товста лінія), сигналу пропускання траси на повному проході (сіра лінія) і шумові відліки за відсутності лазерних імпульсів (тонка лінія, х50 для візуалізації). Початок вимірювань 20 липня 2019 р 0:00, закінчення вимірювань 23 липня 2019 року в 20:59; (Б) три профілю сигналу зворотного розсіювання вздовж траси на 7, 41 і 68 годинах вимірювань, відповідно; (В) кореляція сигналів зворотного розсіювання і пропускання траси на повному проході туди і назад.

    Важливо відзначити, що просторовий профіль коефіцієнта зворотного розсіювання (рис. 2 (б)) істотно змінюється при утворенні аерозолів в тунелі. Так, на профілі прозорою атмосфери (7 годин, тонка лінія) з'являється аерозольна рассеивающее хмара (41 годину, точки) з виразним фронтом на видаленні 14 м від лидара (див. Вставку на рис. 2 (б)). На третій день (68 годин) хмара поширилося майже

    до лидара з аерозольним ущільненням в околиці 14 м (локальний екстремум). Відзначимо, що коефіцієнт пропускання (повний прохід туди і назад) зменшується при збільшенні щільності аерозолів в тунелі, про що свідчить зменшення амплітуди сигналу від екрану (другий пік, рис. 2 (б)) в зазначені години (7 годин - 2960 відліків, 41 годину - 1220, 68 годин - 1040).

    Виявлена ​​антікорреляція сигналів двох каналів, розсіювання і пропускання, вказує на те, що ми зондуємо динаміку реального процесу - варіацію концентрціі аерозолів на заданому інтервалі. Результат кореляційного аналізу представлений на рис. 2 (в). Тут по осі абсцис відкладені величини сигналу зворотного розсіювання на відрізку траси від лидара (0 м) до екрану (47 м), при цьому по осі ординат відкладені величини сигналу пропускання. З рис. 2 (в) видно, що лідарні сигнали розсіювання на аерозолях і пропускання траси сильно корельовані з коефіцієнтом кореляції 0.975.

    1200

    про 1000 н

    | 800 е Боо

    § 400

    і

    * 200

    ° 0 10 20 30 40 50 "б Те 20 30 40 50 ~~

    Відстань, м Відстань, м

    Мал. 3: (а) просторова модуляція сигналу зворотного розсіювання при утворенні багатошарового (5-6 шарів) туману (15.07.2019, 11:24) з 3-кратним зниженням коефіцієнта пропускання траси (другий пік); (Б) зондування екрану крізь щільний туман з ~ 10-кратним збільшенням коефіцієнта зворотного розсіювання (перший пік).

    При аналізі даних зондування на рис. 2 (б) (див. Вставку) ми звернули увагу на модуляцію профілю коефіцієнта розсіювання уздовж траси в тумані, що вказує на шаруватість або чергування щільності аерозолю. Було висловлено припущення про можливість пошуку сеансу вимірювань з більш глибокої модуляцією коефіцієнта розсіювання аж до поділу аерозольних шарів. Така структура багатошарового туману була виявлена ​​в базі даних (15.07.2019, о 11:54) (див. Рис. 3 (а)), фронт туману

    зупинився на позначці 7-8 м до лидара. Зондування 5-6 шарів туману вказує на нові можливості і області застосування лидара - виявлення подібних багатошарових аерозольних структур, вимір дистанції і швидкості руху фронту туману-хмари або вулканічного шлейфу при інтенсивному виверженні.

    Більш того, аналіз даних виявив ситуацію (див. Рис. 3 (б)), коли туман (аерозольна хмара) заповнив весь обсяг тунелю аж до лидара (15.08.2019, в 9:29). З рис. 3 (б) видно, що щільність туману багаторазово (майже в 10 разів, до 2900 відліків) зросла (пор. Амплітуду (300 відліків) першого піку на рис. 1 (в) або рис. 2 (б)) і, навпаки, амплітуда другого піку істотно впала (з ~ 3000 до ~ 350 відліків). Це дуже важливий результат, оскільки він показує можливість зондування крізь розсіюють перешкоди (наприклад, крони дерев [10]), а також щільний туман або хмара, перебуваючи всередині хмари або туману, наприклад, в вертольоті при посадці в горах, або при маневруванні і причалювання суден в порту.

    Сукупність виявлених лидара специфічних особливостей періодичної генерації аерозолів і шаруватих туманів (з ~ 8 годині ранку після неробочих днів) в похилому тунелі Баксанській нейтринної обсерваторії вказує на можливість керування параметрами процесу. Так, в момент відкриття зовнішніх воріт обсерваторії тепле повітря (16-20 ° С) ззовні надходить через примусової вентиляції в похилий тунель, який наповнений вологим повітрям низької температури (10-12 ° С). При взаємодії цих повітряних мас відбувається конденсація парів води (аналогічно туманів над річкою в ранкові години). Фронт парів переміщається вгору по потоку припливної вентиляції з різною швидкістю і переривань в різні дні в залежності від режиму надходження теплого повітря. У неробочі дні тижня ворота закриті, температура в похилому тунелі стабілізується за відсутності надходження теплого повітря, і атмосфера прояснюється (див. Рис. 1 (б), від 0 до 7 годин).

    Висновки. Виявлено сильні флуктуації щільності аерозолів і туманів в похилому тунелі Баксанській нейтринної обсерваторії з-за високої вологості та наявності потоків припливної вентиляції. Величина флуктуацій маскує варіації аерозолів, що виносяться тектонічними газами (водень, гелій, радон та ін.). Зауважимо, що за місяць вимірювань (липень-серпень) деформограф Баксанській нейтринної обсерваторії [8] зареєстрував розширення гірської породи на ~ 25 мкм довжини плеча (75 м) інтерферометра, яке, однак, не проявилося як очікуване [4] зниження виходу аерозолів в нашому випадку. Швидше за все, це обумовлено невеликими варіаціями аерозолів за місяць. Відомо, що сезонні варіації радону (і аерозолів, який

    утворюються при розпаді радону) в подібній ситуації в нейтринної обсерваторії в Гран Сассо (Італія) не перевищують 4% [6]. Звідси випливає, що внесок радону в варіації аерозолів за місяць буде помітно менше. Погоджено рішення про продовження зондування аерозолів в сухому гарячому тунелі БНО з глухою стіною і стабільною температурою (~ 40 ° С) без примусової циркуляції повітря.

    З іншого боку, попередні експерименти показали, що нова версія чи-дара з кроком дискретизації 10 см забезпечує високу чутливість до варіацій розсіюють властивостей аерозолів в тунелі і специфічні можливості зондування крізь багатошарові тумани з переміщається фронтом. Безсумнівно, що унікальний процес генерації подібних динамічних структур на великій довжині в тунелі Баксанській нейтринної обсерваторії вимагає окремого вивчення, щоб зробити його керованим. Тоді такий генератор туманів буде затребуваний для калібрування лидаров метеорологів, систем навігації для забезпечення безпеки в портах, а також для оснащення вертольотів і літаків, як пілотованих, так і безпілотних.

    Автори висловлюють подяку РНФ за фінансову підтримку гранту № 19-19-00712. Автори також вдячні академіку РАН А. Д. Гвишиани за плідну дискусію по тектонічних аерозолям на сесії ОНЗ РАН 25.09.2019.

    ЛІТЕРАТУРА

    [1] S. Pershin, V. Linkin, V. Makarov, et al., "Spaceborn laser altimeter based on the single photon diode receiver and semiconductor laser transmitter", in: Conf. Lasers Electro-Optics, Optical Society of America, Baltimore, Maryland, 1991: p. CFI1. http://www.osapublishing.org/abstract.cfm?URI=CLEO-1991-CFI1.

    [2] S. M. Pershin, "New generation of the portable backscatter lidar with eye-safe energy level for environmental sensing," in SPIE Atmospheric Propagation and Remote Sensing III, 2222, 392 (1994); http://dx.doi.org/10.1117/12.178007.

    [3] D. H. Sliney and J. Mellerio, Safety with Lasers and Other Optical Sources: a Comprehensive Handbook (Springer Science & Business Media, 2013).

    [4] С. M. Першин, Г. І. Долгих, A. Ф. Бункин і ін., Короткі повідомлення з фізики ФІАН 45 (7), 32 (2018) [Bulletin of the Lebedev Physics Institute 45, 214 (2018 ); doi: 10.3103 / S1068335618070059].

    [5] Г. І. Долгих, Сейсмічні прилади 39, 13 (2003).

    [6] Н. Ю. Агафонова, В. В. Ашихмин, Е. А. Добриніна і ін., Известия Російської Академії Наук. Серія Фізична 83 (5), 673 (2019) [Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 83, 614 (2019); doi: 10.3103 / S1062873819050046].

    [7] D. Ouzounov, S. Pulinets, J. Liu, et al., Multiparameter Assessment of Pre-Earthquake Atmospheric Signals, in: Pre-Earthquake Process. A Multidisciplinary Approach to Earthquake Prediction Studies (American Geophysical Union and John Wiley & Sons, Inc., 2018), pp. 339-359.

    [8] V. K. Milyukov and A. V. Myasnikov, Meas. Tech. 48 (12), тисяча сто вісімдесят три (2005); doi: 10.1007 / s11018-006-0042-7.

    [9] S. Pershin, A. Bunkin, R. Nunes, et al., WIT Trans. Ecol. Environ. 63, 241 (2003). [10] M. A. Canuto, F. Estrada-Belli, T. G. Garrison, et al., Science 80, 361 (2018);

    doi: 10.1126 / science.aau0137.

    Надійшла до редакції 9 жовтня 2019 г. Після доопрацювання 18 жовтня 2019 р Прийнята до публікації 21 жовтня 2019 р.


    Ключові слова: ЛИДАР НОВОГО ПОКОЛІННЯ /БАГАТОШАРОВІ туман /Тектонічні аерозолі в тунелі

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити