Объекты исследования и параметры исследовательской аппаратуры для ультрафиолетовой области спектра

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Геофизика


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 681. 785 А. С. Рафаилович СГГ А, Новосибирск
ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ПАРАМЕТРЫ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ АППАРАТУРЫ ДЛЯ УЛЬТРАФИОЛЕТОВОЙ ОБЛАСТИ СПЕКТРА
Ультрафиолетовая (УФ) область оптического диапазона длин волн занимает участок от 1 до 400 нм. Границы этого участка достаточно условны. Так, коротковолновая часть слегка перекрывает рентгеновскую, а длинноволновая — видимую области длин волн. УФ диапазон, в свою очередь, делится на следующие поддиапазоны:
— А (от 400 до 315 нм) —
— В (от 315 до 280 нм) —
— С (от 280 до 175 нм) —
— V (короче 175 нм).
Одна из основных причин, влияющих на количество лучистой энергии достигающей поверхности Земли, — угловая высота Солнца.
Изменение угла возвышения Солнца над горизонтом в течение светового дня показано на рис. 1. Типичное дневное изменение суммарного приземного уровня УФ излучения для длины волны 323,8 нм приведено на рис. 2 [1].
В течение года интенсивность УФ излучения доходящего до границы атмосферы, изменяется на 6,6% из-за изменения расстояния между Солнцем и Землей.
Среда, в которой распространяется оптическое излучение, оказывает на него заметное влияние. Оно выражается в ослаблении излучения, изменении сигнала по спектру, пространственной структуре, во времени. Рассмотрим особенности распространения излучения в атмосфере Земли.
Ослабление излучения при прохождении через атмосферу происходит в результате двух основных процессов [4]:
— Поглощения излучения-
— Рассеяния излучения молекулами газов и аэрозолями.
О -I--т т ,---------т ,-----. ---,----т---т ,-----, Г-
6 7 8 Э 10 11 12 13 14 15 16 17 18 Время, часы
155
135
ЕГ 115 —
о
I
1- о 95
? о 75 —
ш
5 О 55 —
?
г 35
15 —
-5 —
6 7 8 Э 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Время, часы
Рис. 1 Рис. 2
При поглощении кванта излучения молекулой газа электроны переходят с одного энергетического уровня на другой. Кроме того, происходят изменения колебательной и вращательной энергии молекулы. Эти процессы приводят к образованию полос поглощения в спектре, а малые изменения колебательной и вращательной энергии создают тонкую структуру этих полос.
Земная атмосфера представляет собой смесь газов, состоящую на 78,09% из азота, 20,95% из кислорода, 0,93% аргона, 0,03% углекислого газа и около 0,01% из других газов [2]. Эта смесь насыщена водяными парами и пылью. Из входящих в состав атмосферы газов наибольшим поглощением в УФ диапазоне обладают молекулы кислорода О2 и озона О3.
Молекула озона образуется из молекулы кислорода О2. При попадании в молекулу О2 кванта лучистой энергии с длиной волны от 176 до 192,5 нм (полоса поглощения Рунге-Шумана), она переходит в возбуждённое состояние. В случае тройного столкновения возбуждённой молекулы О2,
атомарного кислорода и любой другой (третьей) молекулы возникает молекула озона О3. Результатом избыточного возбуждения колебательных уровней УФ излучением может явиться диссоциация (распад) молекул О2 и Оз.
Присутствующие в атмосфере кристаллы и капли воды тоже поглощают УФ излучение на длине волны около 219 нм. Кроме того, вода, взаимодействуя с озоном, препятствует диссоциации его молекул под воздействием УФ излучения, что существенно увеличивает количество поглощаемой озоном лучистой энергии [3].
Количество озона в атмосфере в зависимости от различных условий может изменяться примерно в 2 раза, кроме того, оно изменяется и с географической широтой. В северных полярных широтах количество озона относительно велико, но далее к югу оно постепенно убывает, достигая минимума в области между 35° с.ш. и 35° ю.ш., затем нарастает, и вторичный максимум приходится на область между 500 и 600 ю.ш. Над Антарктидой содержание озона опять уменьшается. Количество озона изменяется и в течение года. В средних широтах северного полушария наибольшее содержание озона в середине марта, а наименьшее в октябре. В течение суток содержание озона также может меняться, и амплитуда этих изменений сравнима с амплитудой широтных и сезонных вариаций. Типичное распределение количества атмосферного озона в зависимости от высоты показано на рис. 3 [4].
длина волны (A)
Рис. 3 Рис. 4
Основная полоса поглощения озона — полоса Хартли (Hartley) от 202 до 297,2 нм. Максимум поглощения для этой полосы находится на 255,2 нм. В диапазоне от 300 до 345 нм лежит область полос поглощения Хьюггинса (Huggins). Коэффициенты поглощения излучения озоном для полос Хартли и Хьюггинса в зависимости от длины волны показаны на рис. 4 [3].
Только небольшая доля рассеянного излучения короче 290 нм может присутствовать в верхних слоях атмосферы. Около поверхности Земли У Ф излучение менее 290 нм практически отсутствует. Поэтому при наблюдении из космоса в этом диапазоне Земля выглядит как абсолютно чёрный диск, и любой светящийся объект на этом фоне контрастен. В диапазоне от 290 до 340 нм атмосфера имеет резко (экспоненциально) нарастающую прозрачность.
В диапазоне от 340 до 400 нм прозрачность по-прежнему высокая, но спектр излучения, проходящего через атмосферу, содержит относительно слабые полосы поглощения нескольких атмосферных газов. По этой причине изменчивость потоков УФ излучения в области, А не связана с динамикой общего содержания озона в атмосфере и облачности, а обусловлена в основном изменениями аэрозольной составляющей атмосферы и активностью Солнца.
Альбедо подстилающей поверхности (отношение количества отражённого от поверхности излучения к падающему) оказывает значительное влияние на количество УФ радиации. Так снег обладает высоким (около 54 — 77%) альбедо в УФ диапазоне [5]. Поэтому в регионах с длительным устойчивым снежным покровом в зимнее время количество рассеянного УФ излучения значительно, особенно при наличии облачности, из-за переотражения от снега и облаков. В пределах пограничного слоя атмосферы, с увеличением высоты полёта, альбедо подстилающей поверхности в УФ области спектра имеет тенденцию к увеличению [6].
Наибольшее ослабление потока УФ излучения происходит при наличии облаков нижнего яруса. В этом случае величина ослабления может достигать 90%. Однако, при наличии снежного покрова количество рассеянного УФ излучения может значительно увеличиваться [5].
При ясном небе интенсивность рассеянного УФ излучения зимой превышает аналогичное летнее значение в среднем на 22 — 27% в области, А и на 3 — 9% - в области В. При увеличении количества облаков и понижении яруса облачности наблюдается рост превышения зимних значений интенсивности над летними. В то же время в условиях сплошной облачности в области, А для облаков верхнего и среднего ярусов наблюдается увеличение рассеянного УФ излучения, по сравнению с ясным небом. Это происходит как при малых, так и при больших углах возвышения Солнца, причём для больших углов возвышения это увеличение достигает 20 — 29%. В области В подобное увеличение наблюдается только при наличии облаков верхнего яруса, в то время, как облака среднего и нижнего ярусов ослабляют излучение в области В значительно сильнее, чем в области, А [5].
Обычные для Западной Сибири отклонения интенсивности УФ излучения в течение года от среднегодовых значений [5] приведены на рис. 5.
-Область, А -Область В
Рис. 5
Для обеспечения регистрации электронно-колебательной структуры молекул газов в атмосфере спектральное разрешение исследовательской
аппаратуры должно составлять не менее 0,1 нм. Пороговая чувствительность приемников должна обеспечить регистрацию интенсивность излучения до 10−7 Вт/см2 ср мкм [7].
Источниками У Ф излучения могут являться объекты искусственного происхождения, например, факел, образующийся в результате сгорания ракетного топлива, свечение атмосферных газов вокруг оболочки космического аппарата (КА) и быстродвижущихся в атмосфере объектов и др.
Спектральная аппаратура для изучения спектроэнергетических характеристик факельной струи должна работать в диапазоне от 200 нм и
-5
иметь спектральное разрешение от 10& quot- (для решения задач диагностики
ракетных двигателей) до 0,1 нм (для распознавания удалённого
перемещающегося факела). Пороговая облучённость входного зрачка может
о Л
быть при этом порядка 10& quot- Вт/см. [8]
Энергетическая яркость приповерхностного свечения КА в УФ диапазоне имеет более высокие значения по сравнению со свечением в видимом [9]. В основном, свечение обусловлено образованием на поверхности КА электронно-возбуждённых молекул NO. Яркость приповерхностного свечения возрастает при увеличении солнечной активности. Значения интегральной яркости полос в УФ диапазоне
о 5 2
составляют от 10& quot- до 10& quot- Вт/м ср. Спектральное разрешение аппаратуры для изучения подобных явлений должно быть от 0,1 до 0,4 нм.
Динамический диапазон аппаратуры, должен достигать около 6 -7 порядков, так как, например, при снижении с 1000 до 50 км поток излучения возрастает до 6 порядков [9].
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. А. Ю. Шалин. Приземный солнечный ультрафиолет в Прибайкалье // http: //bsfp. iszf. irk. ru/bsfp1999/bsff3/bb08bn3. php
2. Internet: http: //www. ssga. ru/erudites_info/vozd_ocean/vozdushny_okean2. html
3. Ю. В Новаковская. Ультрафиолетовое излучение и роль воды в озоновом слое земли // http: //www. chemnet. ru/rus/events/lomonosov/13. html
4. А. В. Миронов. Прецизионная фотометрия. Практические основы прецизионной фотометрии и спектрофотометрии звезд // http: //www. nature. ru/db/ msg. html? mid=1 159 114&-uri=node29. html
5. М. В. Винарский Исследование изменчивости потоков ультрафиолетовой радиации на поверхности Земли // Автореферат канд. дисс. г. Томск. 2002 г. 22 с.
6. Ann R. Webb and al. Airborne spectral measurements of surface reflectivity at ultraviolet and visible wavelengths // Journal of Geophysical Research, Vol. 105, №D4, 2000
7. А. И. Ефремов и др. Измерение излучения лимба над дневным диском Земли в УФ диапазоне бортовым спектрометром «Бриз» // Оптический журнал, том 69, № 11, 2002
8. Е. П. Андреев, А. Н. Дубровин. Спектроскопия факела как инструмент диагностики ракетных двигателей // Оптический журнал, том 69, № 11, 2002
9. А. А. Каменев и др. Моделирование яркости приповерхностного свечения низкоорбитальных космических аппаратов в видимом и ультрафиолетовом диапазонах для условий максимума и минимума солнечной активности // Оптический журнал, том 71, № 4, 2004
© А. С. Рафаилович, 2005

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой