способ измерения содержания газов в атмосферном воздухе с использованием спектров рассеянного солнечного излучения

Формула изобретения

Способ измерения содержания газов в атмосферном воздухе с использованием спектров рассеянного солнечного излучения, включающий: измерение в принимаемом из горизонтального направления и анализируемого спектрометром рассеянном солнечном излучении величины дифференциального спектра поглощения искомого газа и величины близко расположенного по длине волны дифференциального спектра поглощения известного газа, концентрация которого на исследуемом участке атмосферы известна заранее или измеряется независимым способом, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерений, в рассеянном солнечном излучении, принимаемом с исследуемого участка атмосферы, вычисляют отношение величины дифференциального спектра поглощения искомого газа к величине дифференциального спектра поглощения известного газа, это отношение умножают на отношение дифференциального сечения поглощения известного газа к величине дифференциального сечения поглощения искомого газа, а полученное произведение умножают на концентрацию известного газа на исследуемом участке атмосферы и результат этих вычислений принимают как величину, равную средней концентрации молекул искомого газа на исследуемом горизонтальном участке атмосферы в направлении принимаемого рассеянного солнечного излучения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к дистанционным оптическим способам контроля газового состава атмосферного воздуха.

Пассивные способы контроля содержания газовых примесей атмосферы основаны на измерении с помощью спектрометра величины спектров поглощения газовых примесей в солнечном излучении и обладают высокой оперативностью и чувствительностью измерений [1]. Величина спектра поглощения (оптическая плотность) измеряемого (искомого) газа: {- (L)· ( ))}dL на длине волны ( ) в проходящем атмосферу рассеянном солнечном излучении определяется из закона Бугера - Бера, в котором она связана с изменением интенсивности спектра солнечного излучения J( ), проходящего в атмосфере путь длиной L, концентрацией поглощающего газа и сечением поглощения газа ( ):

,

где J и J0 - интенсивности солнечного излучения до и после прохождения участка атмосферы длиной L. ( ) - коэффициент, обусловленный молекулярным (Рэлеевским) и аэрозольным рассеянием света в атмосфере соответственно. На коротком участке спектра ( ) имеет плавную зависимость от длины волны . Для уменьшения влияния коэффициента рассеяния ( ) на измерение величины спектра поглощения (оптической плотности) искомого газа обычно проводятся измерения на двух близкорасположенных длинах волн ₁ и ₂, чтобы ( ₁- ₂)/ ₁«1, тогда ( 1) ( 2). Тогда используя выражение (1) для двух длин волн и вычисляя отношения двух уравнений для каждой длины волны, получаем:

, где

( -дифференциальное сечение поглощения, как и , величина справочная, измеряемая в лабораторных условиях). При слабой дифференциальной величине спектра поглощения искомого газа, когда , выражение (2) приобретает вид:

где ,

тогда

T=( _ср L) - величина дифференциального спектра поглощения искомого газа, _ср - средняя концентрация искомого газа (обозначим _и) на трассе длинной L.

Для получения средней концентрации искомого газа _и на исследуемом (зондируемом) участке атмосферы Lи в соответствии с (3) и (4) необходимо измерить спектры солнечного излучения J₁, J₀₁, J₂, J ₀₂ соответственно до и после прохождения исследуемого участка атмосферы и определить путь Lи, который проходит рассеянное солнечное излучение на исследуемом участке. При определении концентрации искомого газа _и по формуле (5) наибольшую трудность представляет определение оптического пути Lи, которое прошло рассеянное солнечное излучение на исследуемом участке атмосферы, так как исследуемый участок атмосферы освещается на всем протяжении из разных направлений.

Известен способ, при котором рассеянное солнечное излучение направляется удаленным зеркальным отражателем на объектив спектрометра и сравниваются величины спектров искомого газа в солнечном излучении, освещающем зеркальный отражатель, и в солнечном излучении, приходящем на спектрометр от удаленного на известное расстояние зеркального отражателя [2]. В этом способе зондируемым участком атмосферы является известное Lи расстояние до зеркального отражателя. Вместо зеркального отражателя могут использоваться расположенные на известном расстоянии топографические объекты, обладающие высокими отражающими свойствами. Однако эти способы не обладают достаточной оперативностью и чувствительностью из-за необходимости установки отражателя или ограничений, обусловленных характеристиками отражения топографических объектов, и поэтому имеют ограниченные возможности применения.

Известен способ дистанционного измерения газового состава атмосферного воздуха, предложенный в работе [3], в котором эффективная длина пути рассеянного солнечного излучения в атмосфере, в горизонтальном направлении определяется как величина, обратная коэффициенту ослабления проходящего ее излучения Lи= ^-1.

Однако применение этого способа осложняется требованием определения коэффициента ослабления солнечного излучения ( ) на зондируемом участке атмосферы, связанное с необходимостью использования дополнительной аппаратуры для измерения величины коэффициента ослабления солнечного излучения на определенной длине волны и на том же участке атмосферы, на котором проводится измерение _и.

Наиболее близким к предлагаемому способу измерения является способ, приведенный в работе [4], в котором концентрация искомого газа на исследуемом участке атмосферы определяется по отношению величины спектра поглощения искомого газа к величине спектра поглощения одного из газов, плотности которых всегда известны, так как они распределены пропорционально плотности атмосферы. К таким газам, имеющим спектры поглощения в видимом и инфракрасном диапазоне, спектра относятся азот кислород О₂ и двуокись углерода СО₂. Условием измерений по способу [4] является близкое расположение спектров поглощения кислорода O₂ или двуокиси углерода СО₂ к спектру поглощения искомого газа, чтобы излучение в обоих спектрах проходило в атмосфере одинаковое расстояние. Однако спектры поглощения этих газов расположены в ограниченном диапазоне спектра солнечного излучения: у кислорода - в видимой (около длины волны 700 нм), у двуокиси углерода - в инфракрасной части спектра, в то время как спектры поглощения многих атмосферных газов, таких как окись брома ВrО, двуокись хлора СlO₂, формальдегид СН ₂О, двуокись азота NO₂ и других газов, расположены в районе 350-450 нм, т.е. отстоят почти на 300 нм по спектру солнечного излучения. Поэтому применение способа [4] для измерения атмосферных газов, у которых спектры поглощения расположены далеко от спектров поглощения О₂ или СО₂, будет вызывать ошибки. Из-за зависимости величины Рэлеевского и аэрозольного рассеяния света от длины волны пути солнечного излучения в атмосфере, в спектрах поглощения О₂ или СО₂ и искомого газа до поступления в спектрометр будут значительно отличаться и увеличатся ошибки измерения. Эмпирическая зависимость коэффициента ( ) от длины волны [6] ( )~ ^-q, где лежит в диапазоне от 0.12 до 2.3 для разных атмосферных условий. Так как расстояние между спектрами окиси брома ВrО, двуокиси хлора СlO₂, формальдегида СН₂О, двуокиси азота NO₂ и спектрами О ₂ или СО₂ составляет около 300 нм, то разница в коэффициентах рассеяния ( ), а следовательно, и ошибки измерения концентрации искомых газов (из-за разницы пути излучения на зондируемом участке) могут составить для этих газов от 9 до 160 процентов. Большие величины ошибок ухудшают возможность измерения указанных атмосферных газов способом [4].

Предлагаемый способ, в отличии от способа [4] дает возможность использовать для измерения содержания искомых газов в атмосфере любые другие атмосферные газы, с близкорасположенными к искомому газу спектрами поглощения.

Способ заключается в дополнительном измерении на исследуемом участке атмосферы величины спектра поглощения Т2 любого известного газа, концентрация которого 2 в атмосфере на этом участке известна или может быть измерена любым другим независимым способом, а спектр поглощения известного газа расположен близко к спектру поглощения искомого газа. Тогда пути принимаемого рассеянного солнечного излучения, содержащего спектры поглощения известного и искомого газов, будут приблизительно равны:

В соответствии с (4) и (5) для каждого газа длины пути излучения на исследуемом участке атмосферы описываются выражениями:

,

Тогда из (6) и (7) получается соотношение, необходимое для определения концентрации искомого газа и, в котором присутствуют используемые в (4) величины спектров поглощения искомого и известного газов соответственно Ти, Т2, концентрация известного газа ₂, но отсутствует длина исследуемого участка атмосферы Lи:

Предлагаемый способ позволяет избежать измерения длины пути Lи, как в способе, описанном в работе [4], коэффициента ослабления солнечного излучения ( ), как в способе, описанном в работе [3] и расширить диапазон используемого спектра рассеянного солнечного излучения, следовательно, и количество измеряемых газов в отличие от способа измерения, представленного в работе [4], так как позволяет использовать для измерения концентрации искомого газа, величину спектра поглощения любого другого газа, имеющего спектр поглощения, расположенный близко к спектру поглощения искомого газа, концентрация которого на исследуемом участке известна или измеряется независимым способом. Наиболее эффективным представляется использование способа на длинных горизонтальных участках атмосферы с равномерным распределением концентраций искомого и известного газов вдоль исследуемого участка атмосферы. Такие условия могут выполняться для горизонтальных трасс, приподнятых над поверхностью земли.

В предлагаемом способе появляется возможность выбирать известный газ с характерной изрезанной структурой спектра поглощения, что позволяет легко выделять его спектр в условиях наложения (интерференции) на спектр искомого газа и тем самым дополнительно повышать точность измерения.

Для увеличения точности измерений предлагаемого способа можно учесть присутствие начальной величины спектров поглощения искомого и известного газов в рассеянном солнечном излучении, освещающем исследуемый горизонтальный участок атмосферы сверху и снизу. Для этого необходимо измерить начальные величины спектров поглощения искомого газа и второго газа соответственно Тни и Тн2 в солнечном излучении освещающем исследуемую горизонтальную трассу и в выражении (7) заменить величины спектров поглощения Ти на (Ти-Тни), а Т2 на (Т2-Тн2), как предложено в работе [5], хотя практически для всех газов, кроме озона (О₃), при горизонтальных наблюдениях на длинных трассах выполняются соотношения: (Ти-Тни)»Тни и (Т2-Тн2) » Тн2.

Предлагаемый способ особенно удобен для измерения газов с маленькими концентрациями и обладающими высокой химической активностью, тогда как известный газ может иметь высокую концентрацию и меньшую химическую активность, что делает измерение его содержание в атмосфере доступным для других способов измерений. Способ измерения, предлагаемый в данной работе, может быть особенно полезен при исследованиях на летательных аппаратах, когда регистрируются спектры рассеянного солнечного излучения концентраций сразу нескольких газов, а дистанционные спектральные измерения концентрации одного из газов в направления полета дублируются измерением его концентрации газоанализатором, использующим, например, способ отбора пробы воздуха, или другим, независимым способом измерения.

Литература

1. Назаров И.М., Николаев А.Н., Фридман Ш.Д. Основы дистанционных методов мониторинга загрязнения природной среды. Ленинград, Гидрометеоиздат, 1983, с.142-170.

2. Габриэлян А.Г., Дианов-Клоков В.И. «Спектроскопические измерения распределения антропогенной окиси углерода над г.Ереваном». ФАО АН СССР, 1982, т.18, № 12, с.1312-1317

3. Шайков М.К. Способ определения газового состава атмосферного воздуха. А.С. № 1764014 A1, G01W 1/00 от 27.10.89, Бюл. № 35 от 23.09.92.

4. Шайков М.К. «Способ измерения концентрации газов в атмосферном воздухе». Заявка № 2009147375/28(070122) от 22.12.2009.

5. Шайков М.К., Чаянова Э.А., Иванов Е.В. «Новый метод и корреляционный спектрометр для дистанционного измерения содержания двуокиси азота в атмосфере». АН СССР, Оптика атмосферы, том 3, № 3, март 1990 г., с.320-324.

6. «Лазерный контроль атмосферы» Под ред. Э.Д. Хинкли. М., «Мир», 1979, с.122.