Том 37, номер 09, статья № 11

Аннотация:

Озон является сильнейшим окислителем, поэтому контроль состояния озоносферы – одна из важнейших задач обеспечения безопасности жизни и здоровья человека. Для исследования озона существует ряд методов, среди которых особое место занимает лидарный метод дистанционного обнаружения и идентификации с использованием селективного поглощения лазерного излучения, обладающий максимальной чувствительностью. В ИОА СО РАН решили задачу контроля всей озоносферы над Томском с помощью объединения действующих лидарных систем – трех лидарных систем Сибирской лидарной станции и мобильного озонового лидара – в новый лидарный комплекс для зондирования озона в расширенном диапазоне высот от 0,1 до 45 км. Комплекс позволяет исследовать озоносферу методом дифференциального поглощения и рассеяния, а также аэрозольные поля методом однократного упругого рассеяния. В лидарном комплексе используются Nd:YAG-лазеры фирм SOLAR и LOTIS TII, XeCl-лазер фирмы Lambda Physik, а также приемные телескопы системы Кассегрена диаметром 0,35 м и Ньютона диаметром 0,5 м. Лидары работают в режиме счета фотонов и регистрируют сигналы с пространственным разрешением от 1,5 до 160 м на длинах волн зондирования 299/341 нм на высотах ~ 0,1–12 и ~ 5–20 км, а также на длинах волн 308/353 нм в диапазоне высот ~ 15–45 км. В статье представлены результаты восстановления вертикального профиля концентрации озона. Впервые в России выполнены измерения озона от приземного слоя до 45 км на базе нового лидарного комплекса, сформированного из трех лидаров. Результаты работы лидарного комплекса могут быть использованы для корректировки квазитрехлетней модели вертикального распределения концентрации озона и аэрозоля, для сопоставления лидарных и спутниковых данных, оценки влияния климатообразующих факторов на атмосферу Западной Сибири.

Ключевые слова:

атмосфера, лазер, лидар, лидарное зондирование, озон

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Белан Б.Д. Тропосферный озон. 1. Свойства и роль в природных и техногенных процессах // Оптика атмосф. и океана. 2008. Т. 21, № 4. С. 299–322.
2. Белан Б.Д. Тропосферный озон. 2. Методы и средства измерения // Оптика атмосф. и океана. 2008. Т. 21, № 5. С. 397–424.
3. Measures R.M. Laser Remote Sensing: Fundamentals and Applications. Malabar: Krieger Publishing Company, 1992. 510 p.
4. Hassler B., Petropavlovskikh I., Staehelin J., August T., Bhartia P.K., Clerbaux C., Degenstein D., Mazière M. De, Dinelli B.M., Dudhia A., Dufour G., Frith S.M., Froidevaux L., Godin-Beekmann S., Granville J., Harris N.R.P., Hoppel K., Hubert D., Kasai Y., Kurylo M.J., Kyrölä E., Lambert J.-C., Levelt P.F., McElroy C.T., McPeters R.D., Munro R., Nakajima H., Parrish A., Raspollini P., Remsberg E.E., Rosenlof K.H., Rozanov A., Sano T., Sasano Y., Shiotani M., Smit H.G.J., Stiller G., Tamminen J., Tarasick D.W., Urban J., van der A R.J., Veefkind J.P., Vigouroux C., von Clarmann T., von Savigny C., Walker K.A., Weber M., Wild J., Zawodny J.M. Past changes in the vertical distribution of ozone – Part 1: Measurement techniques, uncertainties and availability // Atmos. Meas. Tech. 2014. V. 7, N 5. P. 1395–1427. DOI: 10.5194/amt-7-1395-2014.
5. Leblanc T., Brewer M.A., Wang P.S., Granados-Muñoz M.J., Strawbridge K.B., Travis M., Firanski B., Sullivan J.T., McGee T.J., Sumnicht G.K., Twigg L.W., Berkoff T.A., Carrion W., Gronoff G., Aknan A., Chen G., Alvarez R.J., Langford A.O., Senff C.J., Kirgis G., Johnson M.S., Kuang Shi, Newchurch M.J. Validation of the TOLNet lidars: The Southern California Ozone Observation Project (SCOOP) // Atmos. Meas. Tech. 2018. V. 11, N 11. P. 6137–6162. DOI: 10.5194/amt-11-6137-2018
6. Carswell A.I., Pal S.R., Steinbrecht W., Whiteway J.A., Ulitsky A., Wang T.Y. Lidar measurements of the middle atmosphere // Can. J. Phys. 1991. V. 69. P. 1076–1086.
7. Mytilinaios M., Papayannis A., Tsaknakis G.  Lower-free tropospheric ozone DIAL measurements over Athens, Greece // EPJ Web Conf. 2018. V. 176. P. 05025. DOI: 10.1051/epjconf/201817605025.
8. Yang L., Qiu J., Zheng S., Xia Q., Huang Q., Wang W., Pan J. Lidar measurement of aerosol, ozone and clouds in Beijing // Proc. SPIE. 2003. V. 4893. P. 45–51. DOI: 10.1117/12.466457.
9. Chen Z., Zhang J., Zhang T., Liu W., Liu W. Haze observations by simultaneous lidar and WPS in Beijing before and during APEC, 2014 // Sci. China Chem. 2015. V. 58. P. 1385–1392. DOI: 10.1007/s11426-015-5467-x.
10. Seabrook J., Whiteway J. Influence of mountains on Arctic tropospheric ozone // J. Geophys. Res.: Atmos. 2016. V. 121. P. 1935–1942. DOI: 10.1002/ 2015JD024114.
11. Steinbrecht W., McGee T.J., Twigg L.W., Claude H., Schönenborn F., Sumnicht G.K., Silbert D. Intercomparison of stratospheric ozone and temperature profiles during the October 2005 Hohenpeißenberg Ozone Profiling Experiment (HOPE) // Atmos. Meas. Tech. 2009. V. 2. P. 125–145. DOI: 10.5194/amt-2-125-2009.
12. Sullivan J.T., McGee T.J., Sumnicht G.K., Twigg L.W., Hoff R.M. A mobile differential absorption lidar to measure sub-hourly fluctuation of tropospheric ozone profiles in the Baltimore–Washington, D.C. region // Atmos. Meas. Tech. 2014. V. 7. P. 3529–3548. DOI: 10.5194/amt-2-125-2009.
13. Shunxing H., Huanling H., Yonghua W., Jun Zh., Qi Fudi, Yue Guming. Atmospheric ozone measured by differential absorption lidar over Hefei // Proc. SPIE. 2003. V. 4893. DOI: 10.1117/12.466591.
14. Liu X., Zhang Y., Hu H., Tan K., Tao Z., Shao Sh., Cao K., Fang X., Yu Sh. Mobile lidar for measurements of SO₂ and O₃ in the low troposphere // Proc. SPIE 2005. V. 5832. DOI: 10.1117/12.619553.
15. Brinksma E.J., Swart D.P.J., Bergwerff J.B., Meijer Y.J., Ormel F.T. RIVM stratospheric ozone lidar at NDSC station lauder: Routine measurements and validation during the OPAL campaign // Adv. Atmos. Remote Sens. Lidar. 1996. P. 529–532. DOI: 10.1007/978-3-642-60612-0_128.
16. McDermid I.S., Walsh D.T., Deslis A., White M.L. Optical systems design for a stratospheric lidar system // Appl. Opt. 1995. V. 34. P. 6201–6210. DOI: 10.1364/AO.34.006201.
17. Portafaix T., Godin-Beekmann S., Payen G., de Mazière M., Langerock B., Fernandez S., Posny F., Cammas J.P., Metzger J.M., Bencherif H., Vigouroux C., Marquestaut N. Ozone profiles obtained by DIAL technique at Maïdo Observatory in La Reunion Island: Comparisons with ECC ozone-sondes, ground-based FTIR spectrometer and microwave radiometer measurements // The 27th International Laser Radar Conference (ILRC 27). 2016. DOI: 10.13140/RG.2.1.3061.0403.
18. Baray J.-L., Courcoux Y., Keckhut P., Portafaix T., Tulet P., Cammas J.-P., Hauchecorne A., Godin-Beekmann S., De Mazière M., Hermans C., Desmet F., Sellegri K., Colomb A., Ramonet M., Sciare J., Vuillemin C., Hoareau C., Dionisi D., Duflot V., Vérèmes H., Porteneuve J., Gabarrot F., Gaudo T., Metzger J.-M., Payen G., Leclair de Bellevue J., Barthe C., Posny F., Ricaud P., Abchiche A., Delmas R. Maïdo observatory: A new high-altitude station facility at Reunion Island (21°S, 55°E) for long-term atmospheric remote sensing and in situ measurements // Atmos. Meas. Tech. 2013. V. 6. P. 2865–2877. DOI: 10.5194/amt-6-2865-2013.
19. Godin S., Bergeret V., Bekki S., David C., Mégie G. Study of the interannual ozone loss and the permeability of the Antarctic Polar Vortex from aerosol and ozone lidar measurements in Dumont d’Urville (66.4°, 140°S) // J. Geophys. Res. 2001. V. 106. P. 1311–1330. DOI: 10.1029/2000JD900459.
20. Gaudel A., Ancellet G., Godin-Beekmann S. Analysis of 20 years of tropospheric ozone vertical profiles by lidar and ECC at Observatoire de Haute Provence (OHP) at 44°N, 6.7°E // Atmos. Environ. 2015. V. 113. P. 78–89. DOI: 10.1016/j.atmosenv.2015.04.028.
21. Park Ch.B., Nakane H., Sugimoto N., Matsui Ich., Sasano Y., Fujinuma Y., Ikeuchi Iz., Kurokawa J.-Ich., Furuhashi N. Algorithm improvement and validation of National Institute for Environmental Studies ozone differential absorption lidar at the Tsukuba Network for Detection of Stratospheric Change complementary station // Appl. Opt. 2006. V. 45. P. 3561–3576. DOI: 10.1364/AO.45.003561.
22. Nakazato M., Nagai T., Sakai T., Hirose Y. Tropospheric ozone differential-absorption lidar using stimulated Raman scattering in carbon dioxide // Appl. Opt. 2007. V. 46. P. 2269–2279. DOI: 10.1364/AO.46.002269.
23. Veselovskii I., Barchunov B. Excimer-laser-based lidar for tropospheric ozone monitoring // Appl. Phys. 1999. V. 68. P. 1131–1137. DOI: 10.1364/AO.46.002269.
24. McDermid I.S., Godin S.M., Lindquist L.O. Ground-based laser DIAL system for long-term measurements of stratospheric ozone // Appl. Opt. 1990. V. 29. P. 3603–3612. DOI: 10.1364/AO.29.003603.
25. McDermid I.S., Beyerle G., Haner D.A., Leblanc T. Redesign and improved performance of the tropospheric ozone lidar at the Jet Propulsion Laboratory Table Mountain Facility // Appl. Opt. 2002. V. 41. P. 7550–7555. DOI: 10.1364/AO.41.007550.
26. Долгий С.И., Невзоров А.А., Невзоров А.В., Макеев А.П., Романовский О.А., Харченко О.В. Лидарный комплекс для измерения вертикального распределения озона в верхней тропосфере – стратосфере // Оптика атмосф. и океана. 2018. Т. 31, № 9. С. 764–770. DOI: 10.15372/AOO20180911; Dolgii S.I., Nevzorov A.A., Nevzorov A.V., Makeev A.P., Romanovskii O.A., Kharchenko O.V. Lidar complex for measurement of vertical ozone distribution in the upper troposphere – stratosphere // Atmos. Ocean. Opt. 2018. V. 31, N 6. P. 702–708.
27. Невзоров А.А., Невзоров А.В., Харченко О.В., Кравцова Н.С., Романовский Я.О. Мобильный лидар для зондирования тропосферного озона // Оптика атмосф. и океана. 2023. Т. 36, № 5. С. 410–416. DOI: 10.15372/AOO20230512; Nevzorov A.A., Nevzorov A.V., Kravtsova N.S., Kharchenko O.V., Romanovskii Ya.O. Mobile lidar for sensing tropospheric ozone // Atmos. Ocean. Opt. 2023. V. 36, N 5. P. 562–568.
28. Павлов А.Н., Столярчук С.Ю., Шмирко К.А., Букин О.А. Лидарные исследования изменчивости вертикального распределения озона под влиянием процессов стратосферно-тропосферного обмена в Дальневосточном регионе // Оптика атмосф. и океана. 2012. Т. 25, № 9. С. 788–795; Pavlov A.N., Stolyarchuk S.Yu., Shmirko K.A., Bukin O.A. Lidar measurements of variability of the vertical ozone distribution caused by the stratosphere–troposphere exchange in the Far East Region // Atmos. Ocean. Opt. 2013. V. 26, N 2. P. 126–134.
29. Fang X., Li T., Ban C., Wu Z., Li J., Li F., Cen Y., Tian B. A mobile differential absorption lidar for simultaneous observations of tropospheric and stratospheric ozone over Tibet // Opt. Express. 2019. V. 27. P. 4126–4139. DOI: 10.1364/OE.27.004126.
30. Dolgii S.I., Nevzorov A.A., Nevzorov A.V., Romanovskii O.A., Kharchenko O.V. Intercomparison of ozone vertical profile measurements by differential absorption lidar and IASI/MetOp satellite in the upper troposphere – lower stratosphere // Remote Sens. 2017. V. 9, N 5. P. 447. DOI: 10.3390/rs9050447.
31. Krueger A.J., Minzner R.A. Mid-latitude ozone model for the 1976 U.S. Standard Atmosphere // J. Geophys. Res. 1976. V. 81, N D24. P. 4477. DOI: 10.1029/JC081i024p04477.
32. Nevzorov A.A., Nevzorov A.V., Makeev A.P., Romanovskii O.A., Kharchenko O.V. Estimation of the spatial resolution influence on the retrieval error of ozone profiles at the Siberian lidar station // Proc. SPIE. 2021. V. 11916. P. 119163H. DOI: 10.1117/12.2603276.
33. Dolgii S.I., Nevzorov A.A., Nevzorov A.V., Romanovskii O.A., Kharchenko O.V. Comparison of ozone vertical profiles in the upper troposphere – stratosphere measured over Tomsk, Russia (56.5°N, 85.0°E) with DIAL, MLS, and IASI // Int. J. Remote Sens. 2020. V. 41, N 22. Р. 8590–8609. DOI: 10.1080/01431161.2020.1782506.