Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.
Одной из самых обсуждаемых проблем в современном мире является глобальное потепление [1–4], которое связано наличием парниковых газов в атмосфере. К основным парниковым газам относят: диоксид углерода (CO2), метан (CH4), озон (O3) и водяной пар. Существенное влияние на глобальное потепление связывают с увеличением CO2 в атмосфере.
Целью данной работы является разработка средств и методов направленных на мониторинг динамики концентрации (CO2), метан (CH4).
Для решения данной задачи разработан макет динамического фурье-спектрометра (ДФС) [5–7], работающего в инфракрасном спектральном диапазоне длин волн от 1,0 до 1,7 мкм (10 000… 5 880 см–1). Выбор данного спектрального диапазона связан с наличием в нем колебательно-вращательных линий поглощения парниковых газов (см. таблицу) [8]. Линии поглощения CO2 находятся в районе 1,6 мкм, линии CH4 в области 1,66 мкм, а О2 – на длине волны 1,27 мкм. Регистрации линии поглощения O2 необходима для расчета абсолютной концентрации CO2 и CH4, так как концентрация кислорода в атмосфере неизменна.
Линии поглощения основных газов атмосферы в видимом — ближнем ИК-диапазоне
Основные газы в атмосфере | Центральная длина волны, мкм |
CO2 | 1,4, 1,6, 2,0, 2,7, 4,3 |
O2 | 0,63, 0,69, 0,76, 1,06, 1,27, 1,58 |
N2O | 2,87, 4,06, 4,5 |
CH4 | 1,66, 2,2, 3,3 |
CO | 2,34, 4,67 |
Оптическая схема разработанного макета представлена на рис. 1 [9, 10]. В приемном канале спектрометра, для обеспечения стабильности и надежности его работы, используются тетраэдрические отражатели [9] в качестве зеркал с апертурой 36 мм и отклонением 1 угл. с. Подвижный отражатель установлен на пружинном параллелограмме, который обеспечивает ход 4 мм в одну сторону. Ход подвижного зеркала позволяет регистрировать интерферограммы с количеством отсчетов 32 000, что определяет теоретическое спектральное разрешение 2 см–1.
В разработанном макете используется светоделитель, выполненный из материала К8 и предназначенный для видимой и инфракрасной областей спектра. Для отсекания излучения ниже 1 мкм перед приемником установлены длинноволновые фильтры.
Регистрация излучения осуществляется InGaAs-приемником с активной областью 2 мм и обнаружительной способностью D* = 1,0 · 1014 см·√Гц/Вт.
Для стабилизации скорости движения зеркала и определения моментов считывания интерферограммы используется референтный канал с учетверенной разностью оптического хода. В качестве опорного источника используется He–Ne-лазер с длиной волны 632 нм.
С применением созданного макета проводили эксперименты, направленные на регистрацию линий поглощения CO2. Эксперименты выполняли в городских условиях, недалеко от загруженных дорог. Прибор устанавливали под небольшим углом к горизонту, порядка 20°, по направлению неба. Измерения проводили в пассивном режиме по отраженному солнечному излучению.
Полученный на макете график спектрального коэффициента пропускания атмосферы изображен на рис. 2. По оси ординат отложен спектральный коэффициент пропускания T(n), а по оси абсцисс – волновое число n (см–1). Спектр получен при усреднении по 15 интерферограммам с общим временем регистрации 1 мин. В экспериментальном спектре присутствуют линии поглощения кислорода O2 на волновом числе 7880 см–1, CO2 на волновых числах 6250 см–1 и 6350 см–1 и CH4 на 6024 см–1. Положение линий поглощения соответствует приводимому в спектральной базе HITRAN [11].
Отношение сигнал/шум в спектре составляет 4110. Для наглядности отдельно показаны линии поглощения газов CO2, CH4 и O2. Видно, что наблюдаемые линии поглощения сливаются и колебательно-вращательная структуры не разрешена. Это связано с большим угловым полем входного телескопа равным 4°, что приводит к спектральному разрешению 10 см–1.
С применением разработанного макета осуществляли долговременный мониторинг содержания CO2 и CH4 в атмосфере в течение 7 ч. Выполняли расчет как интегральной, так и объемной концентрации. Интегральные значения CO2 и CH4 рассчитывали по глубине линий поглощения в регистрируемом спектре. Объемную концентрацию CO2 и CH4 рассчитывали по их интегральным концентрациям с учетом нормировки на интенсивность линии поглощения O2.
Графики объемных концентраций CO2, CH4 и O2 показаны на рис. 3.
Форма графика хорошо повторяет моменты загруженности на дорогах. В вечернее время уменьшение объемной концентрации связано с увеличением оптической трассы и захвата массы воздуха, находящейся за пределами Москвы.
