Обсуждаются результаты замкнутого численного эксперимента по лазерному зондированию концентрации водяного пара и малых газовых примесей в тропосферном слое атмосферы на основе новой гибридной технологии LIDAR-DOAS, использующей в качестве распределенного трассового отражателя атмосферный аэрозоль. Проведенные на основе метода Монте-Карло количественные оценки подтверждают перспективность подобного подхода, расширяющего возможности классической схемы дифференциальной оптической атмосферной спектроскопии (DOAS) в плане дистанционного контроля и локализации опасных антропогенных выбросов токсичных газов до высоты тропопаузы. Необходимость оценки сигналов обратного рассеяния с высоким спектральным разрешением на основе нестационарного уравнения переноса потребовала существенной модификации алгоритмов статистического моделирования. Использован новый метод локальной оценки потока, учитывающий селективное поглощение газовой атмосферы. Сочетание этого метода с генетическим алгоритмом решения обратной задачи восстановления профилей искомых газовых компонентов тропосферы дает возможность строгого количественного прогноза эффективности разрабатываемых лидарных систем мониторинга окружающей среды.
лидарное зондирование, широкополосное излучение, генетический алгоритм
1. Schotland R.M. The detection of the vertical profile of atmospheric gases by means of a ground-based optical radar // Proc. Third Symp. on Remote Sensing of the Environment. Michigan: Ann. Arbor. USA, 1964. P. 215-224.
2. Zuev V.E. Laser Beam in the Atmosphere. Plenum. Publ. Corp. N. Y., 1981. 345 p.
3. Gibson A.J., Thomas L. Ultraviolet laser sounding of the troposphere and lower stratosphere // Nature (Gr. Brit.). 1975. V. 256. N 5578. P. 561-563.
4. Mattias V., Bosenberg J., Frendenthaler V., Amadeo A., Balis D., Chaikovsky A. Aerosol lidar intercomparison in the framework of the EARLINET project. 1. Instruments // Appl. Opt. 2004. V. 43. P. 961-976.
5. Godin S., Carswell A.I., Donovan D.P., Claude H., Steibrecht W. Ozone differential absorption lidar algorithm intercomparison // Appl. Opt. 1999. V. 38. N 30. P. 6225-6236.
6. Fiorani L., Durieux E. Comparison among error calculations in differential absorption lidar measurements // Opt. and Laser Technol. 2001. V. 33. P. 371-377.
7. Uchino O., McCormic M.P., Swissler T.J., McMaster L.R. Error analysis of DIAL measurements of ozone by Shuttle eximer lidar // Appl. Opt. 1986. V. 25. N 21. P. 3946-3951.
8. Browell E.V., Ismail S., Shipley T. UV DIAL measurements of О3 profiles in regions of spatially inhomogeneous aerosols // Appl. Opt. 1985. V. 24. P. 2827-2836.
9. Kovalev V.A., McElroy J.L. Differential absorption lidar measurement of vertical ozone profiles in the troposphere that contains aerosol layers with strong backscattering gradients // Appl. Opt. 1994. V. 33. P. 8393-8401.
10. Костко O.K., Портасов B.C., Хаттатов В.У., Чаянова Э.А. Применение лазеров для определения состава атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 216 с.
11. Lazzarotto B., Friound M., Larcheveque G. Ozone and water-vapor measurements by Raman lidar in the planetary layers: error sources and field measurements // Appl. Opt. 2001. V. 40. N 18. P. 2985-2997.
12. Креков Г.М., Крекова М.М. Об эффективности методов колебательно-вращательной рамановской спектроскопии при лазерном зондировании облачной атмосферы // Оптика атмосф. и океана. 2005. T. 18. № 5. C. 471-481.
13. Walmsley H.L., O'Connor S.J. The accuracy and sensitivity of infrared differential absorption lidar measurements of hydrocarbon emissions from process units // Pure and Appl. Opt. A. 1998. V. 7. P. 907-925.
14. Noxon J.F. Nitrogen Dioxide in the Stratosphere and Troposphere measured by Ground-based Absorption Spectroscopy // Science. 1975. V. 189. P. 547-549.
15. Noxon J.F., Whipple E.C., Hyde R.S. Stratospheric NO2. 1. Observational method and behavior at Midlatitudes // J. Geophys. Res. C. 1979. V. 84. Is. 8. P. 5047-5076.
16. Platt U., Perner D., Patz H.W. Simultaneous measurement of atmospheric CH2O, O3 and NO2 by differential optical absorption // J. Geophys. Res. C. 1979. V. 84. Is. 10. P. 6329-6335.
17. Platt U. Monitoring by Spectroscopic Techniques. N.Y.: John Wiley & Sons, 1994. 245 p.
18. Platt U., Perner D. Direct Measurements of Atmospheric CH2O, HNO2, O3, NO2, and SO2 by differential optical absorption in the near UV // J. Geophys. Res. C. 1980. V. 85. Is. 12. P. 7453-7458.
19. Platt U. Differential Optical Absorption Spectroscopy // Air Monitoring Encyclopedia of Analytical Chemistry / Ed. R.A. Meyers. Chichester: John Wiley & Sons Ltd., 2000. P. 1936-1959.
20. Platt U., Perner D. Measurements of Atmospheric Trace Gases by Long Path Differential UV/visible Absorption Spectroscopy // Optical and Laser Remote Sensing / D.K. Killinger and A. Mooradian (Eds.). N.Y.: Springer-Verlag, 1983. P. 95-105.
21. Rothman L.S., Jacquemart D., Barbe A., Benner C.D., Birk M., Brown L.R., Carleer M.R., Chackerian C., Chance Jr.K., Coudert L.H., Dana V., Devi V.M., Flaud J.-M., Gamache R.R., Goldman A., Hartmann J.-M., Jucks K.W., Maki A.G., Mandin J.Y., Massie S.T., Orphal J., Perrin A., Rinsland C.R., Smith M.A.H., Tennyson J., Tolchenov R.N., Toth R.A., Vander Auwe-ra J., Varanas P., Wagner G. The HITRAN 2004 molecular spectroscopic database // J. Quant. Spectrosc. & Radiat. Transfer. 2005. V. 96. P. 139-204.
22. Plane J.M.C., Smith N. Atmospheric monitoring by differential optical absorption spectroscopy // Spectroscopy in Environmental Science / R.J.H. Clark and R.E. Hester, Eds. Chichester: Wiley, 1995. P. 223-262.
23. Stutz J., Platt U. Numerical analysis and estimation of the statistical error of differential optical absorption spectroscopy measurements with least-squares methods // Appl. Opt. 1996. V. 35. P. 41-6053.
24. Vandaelea A.C., Tsoulib A., Carleerb M., Colinb R. UV Fourier transform measurements of tropospheric O3, NO2, SO2, benzene, and toluene // Environ. Pollut. 2002. V. 116. P. 193-201.
25. Vandaele A.C., Carleer M. Development of Fourier transform spectrometry for UV-visible DOAS measurements of tropospheric minor constituents // Appl. Opt. 1999. V. 38. P. 2630-2639.
26. Pundt, Mettendorf K.U. Multibeam long-path differential optical absorption spectroscopy instrument: a device for simultaneous measurements along multiple light paths // Appl. Opt. 2005. V. 44. P. 4985-4994.
27. Haonninger G., von Friedeburg C., Platt U. Multi axis differential optical absorption spectroscopy (MAX-DOAS) // Atmos. Chem. and Phys. 2004. V. 4. P. 231-254.
28. Platt U. Air Pollution Monitoring Systems - Past-Present-Future // Advanced Environmental Monitoring / Eds. Y.J. Kim and U. Platt. Springer, 2008. P. 3-20.
29. Jones R.L. A novel ranging UV-visible spectrometer for remote sensing of the troposphere // SPIE Opt. Methods Atmos. Chem. 1992. V. 15. P. 393-402.
30. Strong K., Jones R.L. Remote measurements of profiles of atmospheric constituents with UV-visible ranging spectrometer // Appl. Opt. 1995. V. 34. P. 6223-6235.
31. Povey I.M., South A.M., Hill C., Freshwater R.A., Jones R.L. A broadband lidar for measurement of tropospheric constituents profiles from the ground // J. Geophys. Res. D. 1998. V. 103. Is. 3. P. 3369-3380.
32. South A.M., Povey I.M., Jones R.L. Broadband lidar measurement of tropospheric water vapor profiles // J. Geophys. Res. D. 1998. V. 103. Is. 23. P. 31191-31202.
33. CCD Image Sensors in Deep-Ultraviolet. Berlin; Heidelberg: Springer, 2006. 287 p.
34. Douard M., Bacis R., Rambaldini P., Wolf J.P. Fourier-transform lidar // Opt. Lett. 1995. V. 20. P. 2140-2142.
35. Креков Г.М., Крекова М.М., Суханов А.Я. Оценка эффективности использования перспективных лидаров белого света для зондирования микрофизических параметров слоистой облачности: 1. Аналитический обзор // Оптика атмосф. и океана. 2009. Т. 22. (В печати).
36. Rairoux P., Schillinger H., Niedermeier S. Remote sensing of the atmosphere using ultrashort laser pulses // Appl. Phys. B. 2000. V. 71. P. 573-580.
37. Wille H., Rodrigues M., Kasparian J. Teramobile: a mobile femtosecond-terawatt laser and detection system // Eur. Phys. J. Appl. Phys. 2002. V. 20. P. 183-190.
38. Woste L., Wedekind C., Wille H., Rairoux P., Stein B., Werner C., Niedermeier S., Ronneberger F., Schillinger H., Sauerbrey R. Femtosecond atmospheric lamp // Laser und Optoelektronik. 1997. V. 29. P. 51-53.
39. Kasparian J., Rodrigues M., Mejean G., Salmon J.Yu., Wille H., Wolf G.P., Franco M., Mysyrowicz A., Woste L. White-light filaments for atmospheric analysis // Science. 2003. V. 301. P. 61-64.
40. Schwarz H.R. Numerische Mathematik. Stuttgart; Willey, 1988. 345 p.
41. Lienert B.R., Porter J.N., Sharma S.K. Repetitive genetic inversion of optical extinction data // Appl. Opt. 2001. V. 40. P. 3476-3482.
42. Mera N.S., Elliott L., Ingham D.B. A multi-population genetic algorithm approach for solving ill-posed problems // Comput. Mechanics. 2004. V. 33. P. 254-262.
43. Irvine W.M. The formation of absorption bands and the distribution of photon optical paths in scattering atmosphere // Bull. Astron. Inst. Nether. 1964. V. 17. P. 266-279.
44. Зуев В.Е., Кабанов М.В. Перенос оптических сигналов в земной атмосфере. М.: Сов. радио, 1977. 368 с.
45. Михайлов Г.А. Оптимизация весовых методов Монте-Карло. М.: Наука, 1987. 237 с.
46. Креков Г.М. Метод локальной оценки потока в задачах широкополосного лазерного зондирования // Оптика атмосф. и океана. 2009. Т. 22. (В печати).
47. Мицель А.А., Фирсов К.М., Фомин Б.А. Перенос оптического излучения в молекулярной атмосфере. Томск: Изд-во STT, 2001. 443 с.
48. Dell'Aglio M., Kholodnykh A., Lassandro R., De Pascale O. Development of a Ti:Sapphire DIAL system for pollutant monitoring and meteorological applications // Opt. and Lasers Eng. 2002. V. 37. P. 233-244.
49. Зуев В.Е., Креков Г.М. Оптические модели атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1986. 256 с.