Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Реализуемый проект направлен на разработку технологий лидарного мониторинга параметров аэрозоля и облаков на основе совместного использования методов спектроскопии упругого, комбинационного (рамановского) и флуоресцентного рассеяния. Для достижения этой цели на первом этапе реализации проекта в 2021 г., в соответствии с календарным планом, были выполнены следующие работы: 1. Создание макета многоволнового флуоресцентного лидара с пятью приемными каналами. При проведении флуоресцентных измерений в лидарных системах часто используются многоанодные фотоумножители, позволяющие в сочетании со спектрометром регистрировать лидарный сигнал в 32 спектральных диапазонах. Многоканальные измерения имеют очевидное преимущество, поскольку анализируется весь спектр флуоресценции. Однако, чувствительность таких лидарных спектрометров ниже, по сравнению с методикой, основанной на выделении интервалов спектра флуоресценции с помощью интерференционных фильтров, поскольку пропускание современных фильтров превышает 95%. На первом этапе выполнения проекта был разработан и изготовлен макет лидара, позволяющий одновременно проводить флуоресцентные измерения в пяти спектральных диапазонах, с центральными длинами волн 438, 470 нм, 513 нм, 560 нм, 612 нм. Источником излучения в лидарной системе служит лазер Quantel Q-Smart 450. Энергия излучения этого лазера на длине волны 355 нм составляет 120 мДж при частоте повторения импульсов 20 Гц. Лазерный пучок расширяется в пять раз во внеосевом зеркальном коллиматоре и направляется в атмосферу коаксиально с приемным телескопом. Приемный телескоп с апертурой 400 мм выполнен по схеме Ньютона. Корпус телескопа изготовлен из углепластика, что обеспечивает его малую чувствительность к вариациям температуры. Оптические сигналы регистрируются ФУЭ - R9880U-110 (438, 470 нм, 513 нм) и R9880U-20 (560, 612 нм) и оцифровываются в электронном модуле Licel, обеспечивающем одновременную регистрацию сигнала в аналоговом режиме и в режиме счета фотонов. 2. Проведение регулярных измерений и определение сечения флуоресценции для различных аэрозольных смесей. В 2021 году измерения проводились на существующей лидарной системе с одним флуоресцентным каналом: центральная длина волны 466 нм при полосе пропускания 40 нм. Подобные измерения мы начали проводить с 2020 и полученные результаты в данном проекте используются для отработки алгоритмов анализа данных и определения флуоресцентных свойств различных типов аэрозоля. В процессе выполнения проекта нами был разработан подход к оценке содержания частиц дыма на основе объединения измерений флуоресценции с измерениями многоволнового рамановского лидара. Анализ нескольких эпизодов вторжения дымовых слоев позволил определить коэффициенты пересчета флуоресцентного рассеяния в объемную и поверхностную концентрацию частиц дыма. Полученные коэффициенты были использованы для анализа формирования льда на частицах дыма. 3. Разработка алгоритма разделения компонент аэрозольной смеси на основе лидарных измерений. Процессы взаимодействия аэрозоля и облаков зависят от типа аэрозоля. Соответствующая информация, в принципе, может быть получена из данных многоволнового рамановского лидара, измеряющего коэффициенты обратного рассеяния и экстинкции аэрозоля на нескольких длинах волн. Однако, при малом содержании аэрозоля, что типично для высот, на которых происходит формирование ледяных облаков, коэффициент экстинкции не может быть измерен. В то же время, тип частиц может быть определен из одновременных измерений флуоресценции и коэффициента деполяризации. В рамках данного проекта был разработан алгоритм разделения аэрозольной смеси на компоненты на основе измерений флуоресцентного и многоволнового рамановского лидаров. В алгоритме используется диаграмма флуоресценция - деполяризация, которая позволяет разделять основные типы аэрозоля: пыль, дым, континентальный аэрозоль и растительную пыльцу. Пыль характеризуется большой деполяризацией и слабой флуоресценцией; дым – малой поляризацией и большой флуоресценцией; континентальный аэрозоль – малой деполяризацией и слабой флуоресценцией; растительная пыльца – большой деполяризацией и сильной флуоресценцией. Разработанный алгоритм был использован для анализа лидарных измерений, характеризуемых различными типами аэрозоля.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проект направлен на разработку технологий лидарного мониторинга параметров аэрозоля и облаков на основе совместного использования методов спектроскопии упругого, рамановского и флуоресцентного рассеяния. В 2022 г. выполнялись следующие работы: 1. Определение типа атмосферного аэрозоля на основе многоволновых и флуоресцентных лидарных измерений. Нами использовался многоволновый лидар на основе Nd:YAG-лазера с частотой повторения 20 Гц и энергией импульса 70 мДж на длине волны 355 нм. Рассеянное излучение собирается ньютоновским телескопом с апертурой 40 см, а лидарные сигналы оцифровываются регистраторами Licel с разрешением 7,5 м, что позволяет одновременное детектирование в аналоговом режиме и в режиме счета фотонов. Система предназначена для детектирования упругого и рамановского обратного рассеяния, что позволяет определять три коэффициента обратного рассеяния, два коэффициента экстинкции, а также три коэффициента деполяризации. Часть спектра флуоресценции выделяется широкополосным интерференционным фильтром с шириной полосы пропускания 44 нм и центром полосы на 466 нм. Коэффициент обратного рассеяния флуоресценции рассчитывается из отношения сигнала флуоресценции и рамановского рассеяния азота. Такой подход позволяет оценить абсолютные значения коэффициента флуоресцентного рассеяния, если проведена калибровка относительной чувствительности каналов и известно дифференциальное сечение рамановского рассеяния азота. Диаграмма деполяризация - флуоресценция позволяет разделить несколько типов аэрозолей. Мы рассматриваем упрощенную схему классификации, поскольку используются только два параметра. Наша цель — продемонстрировать, что на диаграмме деполяризация - флуоресценция лидарные наблюдения образуют кластеры и характерные распределения, которые можно отнести к разным типам аэрозолей или их смесям. Разделяются четыре типа аэрозоля: пыль, дым, пыльца и городской аэрозоль. Важным аспектом является выбор диапазона изменения свойств частиц для каждого типа аэрозоля. Выбранные нами диапазоны основаны на результатах, полученных в наших исследованиях и в исследованиях других групп. Алгоритм для определения типа аэрозоля был разработан нами на первом этапе выполнения проекта, и его описание приведено в соответствующем отчете. На втором этапе проекта алгоритм был использован для анализа регулярных измерений. В частности нами наблюдались дым от лесных пожаров, городской аэрозоль, смесь городского аэрозоля и с дымом и пыльцой, пустынная пыль. Полученные результаты можно рассматривать как первый шаг в объединении данных рамановского и флуоресцентного лидаров. Разработанный подход позволяет идентифицировать типы аэрозолей с высоким пространственно-временным разрешением, которое оценивается в 60 м по высоте и менее 10 минут по времени при текущей конфигурации лидара. 2. Исследование формирования ледяных частиц в дымовых шлейфах в верхней тропосфере с использованием флуоресцентных измерений. На первом этапе выполнения работ по проекту нами было показано, что используя коэффициенты пересчета, флуоресцентные измерения позволяют оценивать количественную, поверхностную и объемную концентрацию частиц дыма. Более того, эта методика позволяет оценивать содержание дыма даже внутри ледяных облаков. Коэффициенты пересчета зависят от состава дыма. Для проведения оценок, нами использовались коэффициенты усредненные по многочисленным измерениям, как это было описано в отчете за 2021 год. На втором этапе проекта разработанный подход был использован для анализа процесса формирования льда в слоях дыма. В период 2020-2022 Мы наблюдали несколько эпизодов образования ледяных облаков внутри слоев дыма. Показано, что при температурах менее -50С частицы дыма стимулируют формирование частиц льда, что приводит к увеличению коэффициента деполяризации свыше 40%. Поверхностная концентрация частиц дыма внутри облака, рассчитанная из флуоресценции, составляет около 10 мкм2/см3. Модельные оценки показывают, что таких концентраций, при типичных величинах перенасыщения водяного пара, достаточно для начала формирования ледяного облака. Формирование льда в слоях дыма наблюдалось и при более высоких температурах (около -35С), однако коэффициент деполяризации при этом был меньше. Это может свидетельствовать о том, что формирование частиц льда может происходить с участием жидкой фазы. Таким образом, флуоресцентная методика позволяет получать информацию о параметрах частиц в области формирования льда. 3. Многоволновые флуоресцентные лидарные измерения. Одной из целей проекта было исследование возможности проведения флуоресцентных лидарных измерений на нескольких длинах волн. На первом этапе выполнения работ, в 2021 г., нами был изготовлен макет лидарной системы, позволяющей проводить многоволновые флуоресцентные измерения. В текущем, 2022 году, эта система тестировалась и использовалась для регулярных наблюдений. Приемный блок лидара использует дихроичные зеркала, установленные под 45 град для разделения оптических сигналов, соответствующих упругому рассеянию (355 нм), рамановскому рассеянию азота (387 нм), а также пять компонент спектра флуоресценции. Области спектра флуоресценции выделялись интерференционными фильтрами. Длины волн, соответствующие центру области пропускания фильтра, а также ширины спектральных полос пропускания фильтров составляли: 438-29 нм, 472-32 нм, 513-29 нм, 560-40 нм, 614-54 нм. В августе 2022 года над Москвой наблюдались слои дыма. Источником дыма служили лесные пожары, расположенные, главным образом, в Рязанской области. Наиболее интенсивные слои дыма над Москвой наблюдались в период с 15 - по 30 августа 2022, к началу сентября пожары прекратились. Слои дыма надежно регистрировались лидаром, как в канале упругого рассеяния, так и в флуоресцентных каналах. Проведенные измерения демонстрируют, что при прохождении слоев дыма над Москвой нами наблюдались высотно – временные интервалы с увеличенным обратным рассеянием. Лидарное отношение на длине волны 355 нм при этом увеличивалось с 30 ср до 60 ср. Эти области характеризовались также высокой эффективностью флуоресценции, а спектр флуоресценции сдвинут в них в длинноволновую область. Показано также, что использованиеотношений обратного рассеяния на длинах волн 472 нм и 560 нм позволяет локализовать эти области с высоким высотно – временным разрешением.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
На третьем этапе выполнения работ многоканальный флуоресцентный лидар использовался для изучения сезонных вариаций флуоресценции атмосферного аэрозоля. В мае 2023 года в Канаде начались интенсивные лесные пожары и дымовые шлейфы, переносимые через Атлантику, наблюдались над всей Европой и, в том числе, над Москвой. Поэтому, значительная часть исследований, проводимых в 2023 году была посвящена анализу содержания дыма в тропосфере. Лидарная система позволяла измерять коэффициенты обратного флуоресцентного рассеяния в спектральных интервалах с центральными длинами волн 438 нм, 472 нм, 513 нм, 560 нм, 614 нм. В 2023 году лесные пожары в Северной Америке начались в мае и наблюдались до сентября 2023. В июле 2023 имели место лесные пожары в Магадане, дым от которых также детектировался лидарной системой. Таким образом, лесные пожары в 2023 году предоставили уникальную возможность для изучения дымовых слоев в верхней тропосфере и нижней стратосфере. 1. Многоволновые флуоресцентные измерения аэрозоля над Москвой. Измерения спектра флуоресценции в 2023 году в ЦФП ИОФ РАН начались с апреля. При измерении внутри пограничного слоя, максимальное флуоресцентное рассеяние наблюдалось в коротковолновом канале 438 нм, и с длиной волны оно падало. Гигроскопический рост аэрозоля приводил к увеличению обратного рассеяния у верхней границы пограничного слоя. При этом, отношения сигналов флуоресценции в различных каналах оставались неизменными. Это означает, что гигроскопический рост аэрозоля не влияет на спектр флуоресценции. Дым обладает высоким сечением флуоресценции и может надежно детектироваться флуоресцентным лидаром. Первые дымовые слои от канадских пожаров были зарегистрированы нами в мае, и в дальнейшем, шлейфы регулярно детектировались до середины сентября 2023. Во многих эпизодах коэффициент обратного рассеяния аэрозоля на высоте 12 км становится заметен только после усреднения в течение всей ночи. В то же время, флуоресценция хорошо видна даже на высотно-временной карте с разрешением 2 минуты. Это связано с тем, что аэрозольное рассеяние измеряется на фоне мощного рэлеевского рассеяния. В то же время, флуоресценция, будучи на 3 порядка слабее, измеряется без рэлеевского фона и обладает лучшим контрастом. Внутри пограничного слоя максимальная флуоресценция всегда соответствовала коротковолновому каналу 438 нм, однако в слоях дыма максимум сдвигался в длинноволновую область спектра. В высотном диапазоне 4-7 км флуоресценция имела максимум на длине волны 513 нм, однако для больших высот максимум сдвигался на 560 нм. Как уже отмечалось в предыдущих публикациях, коэффициент деполяризации дымовых слоев в верхней тропосфере возрастает, и это обычно связывается со сложной внутренней структурой частиц. Наши измерения показывают, что изменяется также спектр флуоресценции, что может свидетельствовать о изменении состава дыма в верхней тропосфере. Многочисленные измерения проведенные в период с мая по август 2023 позволили набрать достаточную статистику и проанализировать вертикальное распределение основных параметров частиц дыма. Максимальная высота слоев дыма достигала 12 км и в ряде случаев превосходила высоту тропопаузы. Коэффициенты экстинкции для длин волн 355 нм и 532 нм в тропосфере были достаточно близки, и типичные величины составляли порядка 100 Мм-1ср-1. Максимальные коэффициенты экстинкции в верхней тропосфере наблюдались в конце августа и достигали 300 Мм-1ср-1. Среднее значение деполяризации на длине волны 1064 не превосходило 2.5% как для средней, так и для верхней тропосферы. Значения деполяризации на 532 нм в средней тропосфере не превосходли 8%, но в верхней тропосфере они увеличивались до 20%. Еще более сильной высотная зависимость оказывается для 355 нм. В средней тропосфере средняя величина деполяризации составляла около 8%, а в верхней тропосфере достигала 30%. Коэффициенты Ангстрема, на длинах волн 355 и 532 нм превосходят 0.3 для средней тропосферы и оказываются менее 0.3 для верхней тропосферы. Это говорит о том, что размер частиц дыма в верхней тропосфере увеличивается. 2. Использование флуоресцентных измерений для исследования эффектов гироскопического роста частиц. Флуоресцентные измерения открывают новые возможности в области исследования процессов гигроскопического роста частиц. Основная идея состоит в том, что процесс поглощения водяного пара не влияет на химический состав вещества и, соответственно, на флуоресценцию. Таким образом, при постоянной концентрации частиц в процессе гигроскопического роста коэффициент обратного рассеяния аэрозоля увеличивается (из-за увеличения размера частиц), а коэффициент флуоресцентного рассеяния остается постоянным. Если лидар способен измерять три коэффициента обратного рассеяния и два коэффициента экстинкции, то объемная концентрация частиц может быть получена из решения соответствующей обратной задачи. В то же время, флуоресцентное рассеяние пропорционально объему сухого аэрозоля. Таким образом, после соответствующей калибровки, объем воды, поглощенной частицей, может быть найден из разности полного объема и объема сухого аэрозоля. Данный подход был реализован в ходе выполнения проекта. 3. Разработка алгоритма анализа количественного состава аэрозольной смеси. В отчете по второму этапу проекта нами был разработан подход, позволяющий определять тип аэрозоля на основе измерений флуоресцентного и поляризационного лидаров. На третьем этапе проекта эти исследования были продолжены, и был разработан подход для оценки вклада каждой из компонент аэрозоля в полное рассеяние. Как и ранее, рассматривались четыре типа частиц: городской аэрозоль, дым, минеральная пыль и растительная пыльца. Предполагалось, что одновременно в пространственно - временном пикселе присутствует не более трех типов аэрозоля. Это связано с тем, что мы располагаем тремя параметрами, которые, во-первых, измеряются с высоким пространственным и временным разрешением, а во-вторых, сильно изменяются, в зависимости от типа аэрозоля. Это коэффициент деполяризации, коэффициент флуоресцентного рассеяния, а также коэффициент обратного рассеяния на длине волны лазерного излучения. Таким образом, мы имеем систему из трех уравнений, для решения которой использовался метод наименьших квадратов с ограничением на неотрицательность решений. Деполяризация и эффективность флуоресценции для каждого типа аэрозоля может варьироваться в значительных пределах. Поэтому, должно быть рассмотрено все семейство допустимых решений и оценена неопределенность получаемых результатов. Для рассмотрения множества решений в алгоритме используется метод Монте – Карло. Параметры каждого типа аэрозоля выбираются случайным образом внутри заданных диапазонов и для каждого набора решается система уравнений. Процедура повторяется 100 раз, дальнейшее увеличение количества реализаций не приводит к заметным изменениям результатов. На последнем этапе определяется среднее решение и дисперсия, которая и является мерой неопределенности метода. Разработанный подход был использован для анализа регулярных измерений.