Регистрация / Вход
Прислать материал

Развитие методов и средств дистанционного лазерного зондирования атмосферы для создания систем мониторинга с участием научно-исследовательских организаций СНГ

Докладчик: Романовский Олег Анатольевич

Должность: зав. НОЦ ИОА СО РАН, доцент, д.ф.-м.н.

Цель проекта:
Разработка научно-технического задела в области геофизического мониторинга аэрозольно-газового состава, оптических и метеорологических параметров атмосферы, ориентированного на создание нового класса приборов дистанционного зондирования атмосферы.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе реализации проекта предполагается решать следующие задачи.
1. Анализ существующих методов и аппаратуры для дистанционного зондирования атмосферы.
Возможный путь решения задачи – обзор и анализ российской и зарубежной научной литературы.
2. Разработка теоретических основ анализа данных многоволновых лидарных и спектрофотометрических измерений для: восстановления микрофизических и оптических параметров аэрозоля из сигналов упругого и комбинационного рассеяния; определения высотной тонкой структуры водяного пара, температуры, озона, газовых компонент и составляющих озоновых циклов.
Возможный путь решения задачи - решение обратных задач по определению параметров атмосферы в условиях априорной неопределенности. Разрабатываемые алгоритмы включают устойчивый метод численного дифференцирования. Преобразование области допустимых значений коэффициента ослабления сводит задачу к восстановлению профиля лидарного отношения, что приводит к повышению разрешения по сравнению с традиционными методами.
3. Модернизация стационарных и мобильных лидаров для расширения высотных диапазонов и повышения точности измерений, повышения надежности и нового качества получаемой информации о состоянии атмосферы, путем комплексной обработки всей совокупности получаемой информации.
Возможный путь решения задачи – модернизация систем регистрации лидарных сигналов, модернизация двух -координатной поворотной платформы приемо-передатчика, модернизация приемо-передатчика лидара, путем расширения количества длин волн.
4. Разработка поляризационного лидара для зондирования перистых облаков, с использованием эффектов круговой и линейной поляризации.
Возможный путь решения задачи – разработка поляризационного блока лидара позволяющего одновременно использовать линейную и круговую поляризацию зондирующего излучения, получать информацию об элементах матрицы обратного рассеяния света и тем самым судить о преимущественной ориентации частиц.
5. Разработка и создание аппаратуры и методик для дистанционного определения вертикального распределения температуры в тропосфере и стратосфере с дальностью действия 30 км на основе определения температуры по распределению интенсивностей линий чисто вращательного спектра спонтанного комбинационного рассеяния (СКР) на молекулах атмосферного азота и кислорода.
Возможный путь решения задачи – создание двойного монохроматора, для спектральной селекции слабых сигналов спонтанного комбинационного рассеяния при подавлении фоновых помех до 9-10 порядков.
6. Создание системы дистанционного определения температуры ионосферы на высотах 80-110 км на основе эффектов резонансной флуоресценции с использованием лидарной станции с диаметром зеркала 2,2 м и оснащённой специальным лазерным источником для возбуждения спектров флуоресценции в парах натрия.
Возможный путь решения задачи – применение уникального лазера для генерации излучения с перестройкой частоты в пределах доплеровской ширины линии D2 желтого дублета натрия, что позволяет регистрировать сигналы резонансного рассеяния на атомах натрия.
7. Разработка теоретических основ поляризационного лазерного зондирования кристаллических облаков с использованием линейной и круговой поляризации.
Возможный путь решения задачи – теоретическое получение аналитических выражений по оценке степени деполяризации излучения из измерений с линейной или круговой поляризацией по формулам, соответствующим диагональной форме матрицы обратного рассеяния света (МОРС).
8. Проведение регулярных наблюдений параметров атмосферы, в том числе в рамках сети лидарных станций стран СНГ CIS–LiNet по мониторингу атмосферного аэрозоля и озона.
Возможный путь решения задачи – согласованный с иностранным партнером план проведения совместных измерений.
9. Унификация с зарубежным партнером лидарной аппаратуры, интеркалибровка аппаратуры и алгоритмов обработки данных, формирование базы данных, создание и поддержка информационных сайтов.
Возможный путь решения задачи – согласованный с иностранным партнером план проведения совместных разработок. Интеркалибровка аппаратуры и алгоритмов обработки данных.
Реализация проекта будет являться важным шагом в практическом использовании лидарных систем для решения различных природоохранных задач, оценки последствий чрезвычайных экологических ситуаций, загрязнения атмосферы и изучения климата.
Разрабатываемая система и образующие ее измерительные сети по техническому и методическому уровню будут соответствовать требованиям существующих и формируемых международных систем мониторинга атмосферы EARLINET, AERONET, NDACC, GAW, GALION. Будет осуществляться процесс интеграции новых станций в международные измерительные сети.
Мониторинг параметров атмосферных компонентов, контроль процессов крупномасштабного переноса загрязнений в атмосфере является необходимой предпосылкой для решения глобальных проблем экологии и изучения изменений климата. Именно в атмосфере распространение загрязнений происходит наиболее быстрым образом и локальные катастрофы приобретают глобальный характер.
Создание глобальной системы мониторинга атмосферных компонентов является приоритетной задачей для международного научного сообщества. Ее формирование осуществляется посредством координации измерений региональных наблюдательных сетей и интеграции информационных баз данных в рамках ряда международных соглашений и научных программ. Технологии дистанционного зондирования играют ключевую роль в развитии системы мониторинга атмосферы. При проведении комплексных экспериментов по исследованию крупномасштабных изменений в атмосфере и переносу загрязнений они обеспечивают основной объем информации об атмосферных примесях. Размещение дистанционных приборов на космических аппаратах и формирование наземных сетей дистанционного зондирования являются основными и взаимодополняющими направлениями решения проблемы глобального мониторинга атмосферы.
В настоящем проекте предлагается создать комплексную систему дистанционного мониторинга параметров газовых и аэрозольной компонентов атмосферы с целью ее применения для валидации и анализа спутниковых данных, контроля процессов крупномасштабного переноса загрязнений, решения экологических и климатических задач на пространстве государств СНГ.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Комплексная система мониторинга будет являться эффективным механизмом для внедрения результатов методических и аппаратурных разработок в области контроля параметров атмосферных компонентов для решения экологических задач, оценки последствий чрезвычайных ситуаций, загрязнения атмосферы и изменения климата:
- комплексная система дистанционного мониторинга параметров газовых и аэрозольной компонентов атмосферы будет использоваться для валидации и анализа спутниковых данных;
- результаты регулярных и специальных наблюдений будут использоваться для оценки экологических условий в регионах, идентификации источников загрязняющих выбросов и определения зон влияния, оценки воздействия крупномасштабного и трансграничного переноса загрязнений на качество воздуха и состояния окружающей среды в регионах.
Кроме того, научная значимость результатов будет заключаться в следующем:
- разработка и демонстрация в натурных экспериментах новых методов комплексного космического и наземного мониторинга параметров атмосферных компонентов для валидации и анализа спутниковых данных, контроля процессов крупномасштабного переноса загрязнений, решения экологических и климатических задач;
- новые данные о процессах крупномасштабного переноса загрязнений в атмосфере для решения фундаментальных проблем глобальной экологии и климатологии;
- новые технические решения систем и узлов аппаратуры для дистанционного и локального измерения параметров атмосферных компонентов.
Возможные потребители ожидаемых результатов:
В области контроля содержания в атмосфере опасных веществ: МЧС РФ, МИД РФ, ФСБ РФ. Службы экологического мониторинга, Департамент природных ресурсов и охраны окружающей среды и др.

Потребителями ожидаемых научных и научно-технических результатов являются организации, занимающиеся проблемами лазерного зондирования атмосферы, в том числе из ближнего и дальнего зарубежья.
Российские организаций:
1. ФГБУН Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН
2. ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
3. ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский государственный университет»
4. ФГБУН Институт физического материаловедения СО РАН
5. ФГБУН Институт мониторинга климатических и экологических систем Сибирского отделения РАН
6. ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина».
7. ФГБОУ ВПО Сургутский государственный университет ХМАО-Югры
8. ФГБУН Институт сильноточной электроники Сибирского отделения РАН
9. ФГБОУ ВПО «Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники»

Зарубежные организации:
1. Институт физики им. Б.И.Степанова НАНБ (Беларусь)
2. Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
3. Киргизско-Российский Славянский Университет (КРСУ), г.Бишкек, КР
4. Research Center for Environmental Changes, Academia Sinica, Taiwan
5. Hefei Institutes of Physical Science, Chinese Academy of Sciences, Hefei, Anhui, China
6. LSCE – CE Saclay, CNRS, France
7. NASA Langley Research Center, Hampton, VA USA
8. Институт метеорологии и гидрологии (Улан-Батор, Монголия)

Возможные пути и необходимые действия по доведению до потребителя ожидаемых результатов:
Перспективы коммерциализации результатов связаны с реализацией получаемых научных результатов в виде высотных моделей атмосферных параметров (базы данных), и с внедрением лидарных технологий, как на зарубежных, так и на российских лидарных станциях путем заключения соответствующих контрактов.
Необходимые действия:
- проведение маркетинговых исследований для выявления рынка сбыта;
- выполнение ПНИ и разработка ТЗ на ОКР;
- выполнение ОКР в кооперации с индустриальным партнером, в том числе с инновационной фирмой ООО «Специальные технологии», г. Новосибирск.
- создание опытных образцов, проведение тестовых испытаний в организациях-потребителях;
- создание производственной кооперации для серийного производства специализированных образцов разработанной техники.

Текущие результаты проекта:
За отчетный период получены следующие результаты проекта:
- Подготовлен аналитический обзор и анализ научно-технической литературы в области мониторинга атмосферы;
- Проведены патентные исследования, определены технические и методологические решения, подлежащих защите как РИД.
- Проведены исследование, обоснование и выбор направления исследований и способов решения поставленных задач.
- Проведена сравнительная оценка вариантов возможных решений исследуемой проблемы с учетом результатов прогнозных исследований, проводившихся по аналогичной тематике.
- Проведено определение технических характеристик оборудования, заключение договоров (контрактов) с поставщиками на закупку комплектующих и оборудования.
- Проведена подготовка публикаций по теме НИР и поданы заявки на патентование.