Лидарное зондирование

Принципы и физика лидарного зондирования атмосферы

Лидар (от английского LIght Detection And Ranging) — активный дистанционный метод зондирования, основанный на использовании оптического излучения (в основном лазерного) для исследования различных характеристик атмосферы. В отличие от пассивных методов, лидар сам генерирует импульс и регистрирует сигнал, рассеянный или отражённый различными атмосферными объектами.

Излучение, испускаемое лазером, взаимодействует с молекулами и аэрозолями атмосферы, а также с облаками и твердыми поверхностями. Возвращённый сигнал несет информацию о плотности, скорости, размере и составе частиц на разных высотах. Измеряя время задержки между испусканием и приёмом сигнала, можно определить расстояние до объекта или слоя в атмосфере, а по спектральным, временным и поляризационным характеристикам — физические параметры среды.

Уравнение лидарного зондирования

Фундаментальным выражением, описывающим возвращённый лидарный сигнал, является лидарное уравнение:

$$ P(r) = \frac{P_0 \cdot C \cdot \beta(r)}{r^2} \cdot \exp\left(-2 \int_0^r \alpha(s) ds \right) $$

где:

P(r) — мощность возвращённого сигнала от расстояния r,
P₀ — мощность исходного лазерного импульса,
C — системная постоянная (включает характеристики передатчика и приёмника),
β(r) — коэффициент обратного рассеяния на расстоянии r,
α(s) — коэффициент экстинкции на пути распространения сигнала,
r — расстояние до слоя атмосферы.

Данное уравнение лежит в основе всех типов лидаров: молекулярных, аэрозольных, облачных, доплеровских, дифференциальных и др.

Типы лидарных систем

Аэрозольные и облачные лидары

Используют упругое (нулевое смещение по длине волны) рассеяние на аэрозолях и каплях. Применяются для:

определения вертикального распределения аэрозольной оптической толщины;
наблюдения за распространением загрязнителей;
выявления высот и толщины облачных слоёв.

Такие лидары чувствительны к изменениям концентрации частиц и позволяют исследовать атмосферные граничные слои с высоким вертикальным разрешением.

Молекулярные лидары (Rayleigh-лидары)

Базируются на рассеянии света на молекулах воздуха. Основное применение — зондирование верхней атмосферы (до мезосферы и нижней термосферы). За счёт малого вклада аэрозолей на этих высотах такие лидары обеспечивают высокую точность профилирования температуры и плотности.

Доплеровские лидары

Измеряют частотный сдвиг возвращённого сигнала, обусловленный эффектом Доплера. Применяются для:

определения вертикального и горизонтального ветра;
мониторинга турбулентности;
аэродромной безопасности и авиации.

Доплеровские лидары способны регистрировать как рассеяние на молекулах (Rayleigh), так и на аэрозолях (Mie), в зависимости от задачи.

Дифференциальные абсорбционные лидары (DIAL)

Осуществляют измерения на двух длинах волн: одна — в полосе поглощения исследуемого газа, другая — вне её. Разность в интенсивности возвращённого сигнала позволяет определить концентрации газов, например:

озона (O₃),
водяного пара (H₂O),
диоксида углерода (CO₂),
метана (CH₄).

Этот метод отличается высокой селективностью и используется в задачах мониторинга атмосферы и климата.

Raman-лидары

Используют неупругое рассеяние (рамановское), при котором длина волны сигнала сдвигается в зависимости от молекулы. Позволяют исследовать состав атмосферы, включая водяной пар, азот, кислород и другие газы. Метод чувствителен, но требует мощных лазеров и чувствительных детекторов.

Особенности взаимодействия излучения с атмосферой

Излучение, распространяющееся в атмосфере, подвергается различным процессам:

Рассеяние Рэлея (на молекулах) — обратно пропорционально четвёртой степени длины волны;
Рассеяние Ми (на частицах) — доминирует при взаимодействии с аэрозолями и каплями воды;
Поглощение — обусловлено присутствием газов (водяной пар, озон, CO₂ и др.).

Эти эффекты определяют выбор длины волны лазера в зависимости от цели исследования. Например, для минимизации поглощения используются “окна прозрачности” атмосферы: 355 нм, 532 нм, 1064 нм и др.

Конструкция лидарных комплексов

Современные лидары состоят из следующих основных компонентов:

Лазерный излучатель — генератор когерентного импульса с высокой мощностью и короткой длительностью;
Телескоп (оптическая система) — собирает возвращённое излучение;
Детектор — преобразует оптический сигнал в электрический (например, фотоумножители, лавинные фотодиоды);
Система обработки сигнала — включает усилители, АЦП, программное обеспечение для интерпретации данных;
Управляющие системы и интерфейс — обеспечивают работу в автоматическом или дистанционном режиме.

В автономных и мобильных версиях могут использоваться компактные лидары на твердотельных лазерах и фотонных приёмниках.

Вертикальное и временное разрешение

Лидары обеспечивают высокое вертикальное разрешение (до десятков метров) и высокую частоту обновления (до десятков Герц). Это делает их особенно ценными для мониторинга быстропротекающих процессов:

формирования инверсий температуры;
распространения загрязнений;
оценки турбулентной структуры в пограничном слое;
исследования грозовой активности и струйных течений.

Применение в атмосферных исследованиях

Лидарные технологии успешно применяются в ряде направлений:

Климатология — для оценки вертикального распределения аэрозолей и облачности, влияющих на радиационный баланс;
Метеорология — для уточнения прогнозов погоды, в том числе в условиях сложного рельефа;
Мониторинг загрязнений — лидары позволяют отслеживать перенос частиц и газов в атмосфере в реальном времени;
Авиация — предупреждение о сдвигах ветра, турбулентности и условиях обледенения;
Исследование верхней атмосферы — профилирование температуры, плотности, ветра в мезо- и термосфере;
Космические миссии — спутниковые лидары (например, CALIPSO, Aeolus) дают глобальные оценки облаков и ветров.

Примеры современных лидарных систем

CALIOP (на борту спутника CALIPSO) — облачно-аэрозольный лидар, работающий на длинах волн 532 и 1064 нм.
DIAL системы NASA — используются для зондирования озона и водяного пара.
DWL (Doppler Wind Lidar) на спутнике Aeolus (ESA) — для глобального картирования полей ветра.
Наземные комплексы PollyXT, LILAS и др. — сети активных станций для длительного мониторинга атмосферы.

Преимущества и ограничения метода

Преимущества:

высокая точность и разрешающая способность;
возможность зондирования как нижней, так и верхней атмосферы;
оперативность получения данных;
чувствительность к микроструктуре и динамике атмосферы.

Ограничения:

зависимость от погодных условий (осадки, плотная облачность могут блокировать сигнал);
высокая стоимость и сложность эксплуатации;
необходимость учёта множественного рассеяния и калибровок.

Перспективы развития

Современные исследования направлены на:

миниатюризацию лидарных систем;
использование новых диапазонов длин волн;
повышение энергетической эффективности и автономности;
интеграцию лидаров в глобальные сети наблюдений;
создание когерентных лидаров с высоким спектральным разрешением;
разработку спутниковых систем нового поколения с возможностью трёхмерной томографии атмосферы.

Лидарное зондирование остаётся одним из наиболее точных и универсальных инструментов для количественного анализа физических и химических процессов в атмосфере Земли.