Том 38, номер 05, статья № 11

Аннотация:

Углекислый газ (CO₂) является одним из основных парниковых газов, изучение влияния которого на атмосферу в глобальном и региональном масштабах носит актуальный характер. Развитие технических средств дистанционного газоанализа атмосферы связано с разработкой новых и модернизацией существующих лидарных технологий зондирования. В настоящей работе представлены результаты разработки импульсной лидарной системы дифференциального поглощения для зондирования СO₂ в ближней ИК-области спектра (~ 2 мкм) на горизонтальных трассах в атмосфере. Описаны комплектация и техническое исполнение составных частей лидара, характеристики лидарной системы. Приведены данные лидарных измерений временного хода концентрации СO₂ в г. Томске в зимний период на выбранной трассе зондирования с использованием топографической мишени (лесополоса). Восстановлены концентрации СO₂ в диапазоне 435,2–445,1 ppm, соответствующие фоновому состоянию атмосферы. Для подтверждения корректности лидарных данных проведены синхронные измерения концентрации СO₂ с использованием мобильного газоанализатора; погрешность лидарных измерений составляет 1,3%. Результаты работы могут быть полезны при проектировании, изготовлении и модернизации импульсных лидарных систем ИК-диапазона для дистанционного зондирования СO₂, а также других атмосферных газов.

Ключевые слова:

лидар, углекислый газ, атмосфера, дифференциальное поглощение, дистанционное зондирование

Иллюстрации:

Список литературы:

1. Gordon I.E., Rothman L.S., Hargreaves R.J., Hashemi R., Karlovets E.V., Skinner F.M., Conway E.K., Hill C., Kochanov R.V., Tan Y., Wcisło P., Finenko A.A., Nelson K., Bernath P.F., Birk M., Boudon V., Campargue A., Chance K.V., Coustenis A., Drouin B.J., Flaud J.-M., Gamache R.R., Hodges J.T., Jacquemart D., Mlawer E.J., Nikitin A.V., Perevalov V.I., Rotger M., Tennyson J., Toon G.C., Tran H., Tyuterev V.G., Adkins E.M., Baker A., Barbe A., Canè E., Császár A.G., Dudaryonok A., Egorov O., Fleisher A.J., Fleurbaey H., Foltynowicz A., Furtenbacher T., Harrison J.J., Hartmann J.-M., Horneman V.-M., Huang X., Karman T., Karns J., Kassi S., Kleiner I., Kofman V., Kwabia-Tchana F., Lavrentieva N.N., Lee T.J., Long D.A., Lukashevskaya A.A., Lyulin O.M., Makhnev V.Yu., Matt W., Massie S.T., Melosso M., Mikhailenko S.N., Mondelain D., Müller H.S.P., Naumenko O.V., Perrin A., Polyansky O.L., Raddaoui E., Raston P.L., Reed Z.D., Rey M., Richard C., Tóbiás R., Sadiek I., Schwenke D.W., Starikova E., Sung K., Tamassia F., Tashkun S.A., Vander Auwera J., Vasilenko I.A., Vigasin A.A., Villanueva G.L., Vispoel B., Wagner G., Yachmenev A., Yurchenko S.N. The HITRAN2020 molecular spectroscopic database // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2022. V. 277. P. 107949. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2021.107949.
2. Li J., Yu Z., Du Z., Ji Y., Liu C. Standoff chemical detection using laser absorption spectroscopy: A review // Remote Sens. 2020. V. 12, N 17. P. 2771. DOI: 10.3390/rs12172771.
3. Романовский О.А., Яковлев С.В., Садовников С.А., Невзоров А.А., Невзоров А.В., Харченко О.В., Кравцова Н.С., Кистенев Ю.В. Наземные стационарные лидары дифференциального поглощения для мониторинга парниковых газов в атмосфере // Оптика атмосф. и океана. 2025. Т. 38, № 1. С. 72–84. DOI: 10.15372/AOO20250109.
4. Wagner G.A., Plusquellic D.F. Ground-based, integrated path differential absorption LIDAR measurement of CO₂, CH₄, and H₂O near 1.6 mm // Appl. Opt. 2016. V. 55, N 23. P. 6292–6310. DOI: 10.1364/AO.55.006292.
5. Wagner G.A., Plusquellic D.F. Multi-frequency differential absorption LIDAR system for remote sensing of CO₂ and H₂O near 1.6 mm // Opt. Express. 2018. V. 26, N 15. P. 19420–19434 (2018) DOI: 101364/OE.26.01.9420.
6. Shibata Y., Nagasawa C., Abo M. Development of 1.6 mm DIAL using an OPG/OPA transmitter for measuring atmospheric CO₂ concentration profiles // Appl. Opt. 2017. V. 56. P. 1194–1201. DOI: 10.1364/AO.56.001194.
7. Mammez C.D., Dherbecourt J.-B., Gorju G., Pelon J., Melkonian J.-M., Godard A., Raybaut M. Atmospheric boundary layer CO₂ remote sensing with a direct detection LIDAR instrument based on a widely tunable optical parametric source // Opt. Lett. 2017. V. 42. P. 4044–4047. DOI: 10.1364/OL.42.004044.
8. Zhu Y., Yang J., Chen X., Zhu X., Zhang J., Li S., Sun Y., Hou X., Bi D., Bu L., Zhang Y., Liu J., Chen W. Airborne validation experiment of 1.57 mm double-pulse IPDA LIDAR for atmospheric carbon dioxide measurement // Remote Sens. 2020. V. 12. 1999. DOI: 10.3390/rs12121999.
9. Wang Q., Mustafa F., Bu L., Yang J., Fan C., Liu J., Chen W. Monitoring of atmospheric carbon dioxide over a desert site using airborne and ground measurements // Remote Sens. 2022. V. 14. P. 5224. DOI: 10.3390/rs14205224.
10. Howes N., Innocenti F., Finlayson A., Dimopoulos C., Robinson R., Gardiner T. Remote measurements of industrial CO₂ emissions using a ground-based differential absorption lidar in the 2 mm wavelength region // Remote Sens. 2023. V. 15. P. 5403. DOI: 10.3390/rs15225403.
11. Rosas W.P., Cézard N. Greenhouse gas monitoring using an IPDA lidar based on a dual-comb spectrometer // Opt. Express. 2024. V. 32, N 8. P. 13614–13627. DOI: 10.1364/OE.515543.
12. Refaat T.F., Singh U.N., Yu J., Petros M., Remus R., Ismail S. Double-pulse 2-mm integrated path differential absorption lidar airborne validation for atmospheric carbon dioxide measurement // Appl. Opt. 2016. V. 55, N 15. P. 4232–4246. DOI: 10.1364/AO.55.004232.
13. Refaat T.F., Petros M., Antill C.W., Singh U.N., Choi Y., Plant J.V., Digangi J.P., Noe A. Airborne testing of 2-mm pulsed ipda lidar for active remote sensing of atmospheric carbon dioxide // Atmosphere. 2021. V. 12. P. 412. DOI: 10.3390/atmos12030412.
14. Refaat T.F., Singh U.N. Carbon dioxide active remote sensing using pulsed 2-mm lidar // Space-based Lidar Remote Sensing Techniques and Emerging Technologies. Springer Cham, 2024. P. 73–86. DOI: 10.1007/978-3-031-53618-2_7.
15. Stroud J.R., Dienstfrey W.J., Plusquellic D.F. Study on local power plant emissions using multi-frequency differential absorption LIDAR and real-time plume tracking // Remote Sens. 2023. V. 15. P. 4283. DOI: 10.3390/rs15174283.
16. Коханенко Г.П., Балин Ю.С., Боровой А.Г., Новоселов М.М. Исследования ориентации кристаллических частиц в ледяных облаках сканирующим лидаром // Оптика атмосф. и океана. 2022. Т. 35, № 4. С. 319–325. DOI: 10.15372/AOO20220412; Kokhanenko G.P., Balin Yu.S., Borovoi A.G., Novoselov M.M. Studies of the orientation of crystalline particles in ice clouds by a scanning lidar // Atmos. Ocean. Opt. 2022. V. 35, N 5. P. 509–516.
17. Nasonov S., Balin Y., Klemasheva M., Kokhanenko G., Novoselov M., Penner I. Study of atmospheric aerosol in the Baikal Mountain Basin with shipborne and ground-based lidars // Remote Sens. 2023. V. 15. P. 3816. DOI: 10.3390/rs15153816.
18. Бобровников С.М., Жарков В.И., Зайцев Н.Г., Трифонов Д.А. Применение комбинированного метода фоторегистрации в лидарных измерениях температуры атмосферы на главном зеркале Сибирской лидарной станции // Оптика атмосф. и океана. 2023. Т. 36, № 10. С. 839–845. DOI: 10.15372/AOO20231008; Bobrovnikov S.M., Zharkov V.I., Zaitcev N.G., Trifonov D.A. Combined lidar signal registration technique for atmospheric temperature measurements with the primary mirror of the Siberian lidar station // Atmos. Ocean. Opt. 2024. V. 37, N 1. P. 24–30.
19. Nevzorov A.A., Nevzorov A.V., Kharchenko O., Romanovskii Y.O. Lidar complex for control of the ozonosphere over Tomsk, Russia // Atmosphere. 2024. V. 15. P. 622. DOI: 10.3390/atmos15060622.
20. Разенков И.А. Зондирование волн Кельвина–Гельмгольца турбулентным лидаром. II. Лидар УОР-5 // Оптика атмосф. и океана. 2024. Т. 37, № 1. С. 61–72. DOI: 10.15372/AOO20240108; Razenkov I.A. Sounding of Kelvin–Helmholtz waves by a turbulent lidar: II–BSE-5 Lidar // Atmos. Ocean. Opt. 2024. V. 37, N 2. P. 220–231.
21. Разенков И.А., Белан Б.Д., Михальчишин А.В., Ивлев Г.А. Применение турбулентного лидара для обеспечения авиационной безопасности // Оптика атмосф. и океана. 2024. Т. 37, № 5. С. 393–402. DOI: 10.15372/AOO20240506; Razenkov I.A., Belan B.D., Mikhal’chishin A.V., Ivlev G.A. The use of the turbulent lidar for aviation safety // Atmos. Ocean. Opt. 2024. V. 37, N 4. P. 492–501.
22. Yakovlev S.V., Sadovnikov S.A., Kharchenko O.V., Kravtsova N.S. Remote sensing of atmospheric methane with IR OPO lidar system // Atmosphere. 2020. V. 11, N 1. P. 70. DOI: 10.3390/atmos11010070.
23. Садовников С.А., Романовский О.А., Яковлев С.В., Харченко О.В., Кравцова Н.С. Калибровка и полевые испытания мобильного ИК-лидара дифференциального поглощения для дистанционного зондирования метана в атмосфере // Опт. журн. 2022. T. 89, № 6. С. 15–24. DOI: 10.17586/1023-5086-2022-89-06-15-24.
24. Yakovlev S.V., Sadovnikov S.A., Romanovskii O.A., Gerasimova M.P., Kravtsova N.S. Transceiving telescope for a mobile TDLAS system for remote sounding of anthropogenic methane // Opt. Laser Eng. 2024. V. 183. P. 108535. DOI: 10.1016/j.optlaseng.2024.108535.
25. Sadovnikov S.A., Yakovlev S.V., Kravtsova N.S., Romanovskii O.A., Tuzhilkin D.A. Dual-channel infrared OPO lidar optical system for remote sensing of greenhouse gases in the atmosphere: Design and characteristics // Sens. Int. 2025. V. 6. P. 100307. DOI: 10.1016/j. sintl.2024.100307.
26. Межерис Р.М. Лазерное зондирование атмосферы. М.: Мир, 1987. 550 с.
27. Solar laser system. URL: https://solar-laser.com/ru/ (last access: 07.03.2025).
28. Thorlabs. URL: https://www.thorlabs.com/ (last access: 07.03.2025).
29. Acute. URL: https://www.acute.com.tw/en (last access: 07.03.2025).
30. Аршинов М.Ю., Белан Б.Д., Давыдов Д.К., Козлов А.В., Фофонов А.В., Аршинова В.Г. Исследование пространственного распределения CO₂ и CH₄ в приземном слое атмосферы Западной Сибири с использованием мобильной платформы // Оптика атмосф. и океана. 2020. Т. 33, № 7. С. 544–552. DOI: 10.15372/AOO20200707; Arshinov M.Yu., Belan B.D., Davydov D.K., Kozlov A.V., Fofonov A.V., Arshinova V.G. Study of the spatial distributions of CO₂ and CH₄ in the surface air layer over Western Siberia using a mobile platform // Atmos. Ocean. Opt. 2020. V. 33, N 6. P. 661–670.
31. Лаборатория климатологии атмосферного состава ИОА СО РАН. Томск, 2025. URL: https://lop.iao.ru/RU/tor/gas/ (дата обращения: 07.03.2025).