КАРТОЧКА ПРОЕКТА,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ


Номер 21-17-00114

НазваниеИсследование атмосферного аэрозоля и облаков лидарными методами спетроскопии комбинационного рассеяния и лазерно - индуцированной флуоресценции

РуководительВеселовский Игорь Александрович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регионФедеральное государственное бюджетное учреждение науки Федеральный исследовательский центр "Институт общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук", г Москва

Годы выполнения при поддержке РНФ 2021 - 2023 

КонкурсКонкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле, 07-607 - Химические процессы, малые газовые составляющие, аэрозоли

Ключевые словалидар, атмосферный аэрозоль, микрофизические параметры аэрозоля, облака, лазерно индуцированная флуоресценция, комбинационное рассеяние

Код ГРНТИ37.21.15


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Предлагаемый проект направлен на разработку технологий лидарного мониторинга параметров аэрозоля и облаков на основе методов спектроскопии комбинационного и флуоресцентного рассеяния в комбинации с многоволновыми лидарными измерениями. Современные многоволновые лидары способны профилировать коэффициенты экстинкции и обратного рассеяния аэрозоля на нескольких длинах волн. Соответствующие измерения инвертируются в микрофизические свойства аэрозоля, такие как объем, эффективный радиус и комплексный показатель преломления. Возможности этих лидаров по идентификации типов аэрозоля могут быть существенно расширены за счет использования лазерно - индуцированной флуоресценции частиц. Многочисленные типы атмосферных аэрозолей, такие как биологические частицы, дым, сульфаты и, даже, пыль, флуоресцируют под действием УФ излучения. Спектр флуоресценции меняется в зависимости от типа аэрозоля, что делает возможным его идентификацию. Более того, поскольку чистая вода не флуоресцирует, измерение флуоресценции облаков позволяет получать информацию об аэрозольных частицах в облачном слое. В процессе реализации данного проекта будет создан флуоресцентный лидар, использующий лазерное излучение с длиной волны 354.7 нм и содержащий пять измерительных каналов для проведения флуоресцентных измерений в спектральном диапазоне 410 – 700 нм. Выделение участков спектра флуоресценции производится с использованием дихроичных зеркал и широкополосных интерференционных фильтров. Чувствительность каналов будет калиброваться с использованием вольфрамовой лампы, а коэффициент обратного флуоресцентного рассеяния вычисляться из отношения сигналов флуоресцентного рассеяния и комбинационного рассеяния азота. Флуоресцентные измерения будут проводится одновременно с измерениями многоволнового лидара ЦФП ИОФ РАН, измеряющего три коэффициента обратного рассеяния (355, 532, 1064 нм), два коэффициента экстинкции (355, 532 нм) и три коэффициента деполяризации аэрозоля. В процессе реализации проекта будут определены сечения флуоресценции для различных типов аэрозолей и разработан алгоритм определению вертикального распределения основных компонент аэрозольной смеси на основе совместного использования многоволновых и флуоресцентных лидарных измерений. Флуоресцентный лидар будет также использован для определения содержания аэрозоля внутри облаков. Исследование модификации характеристик облаков под воздействием аэрозоля требует создания технологий, позволяющих определять содержание воды в облаке и размер капель. Одним из способов определения содержания жидкой воды является измерение ее спектра комбинационного рассеяния (КР), наиболее интенсивные области которого находятся в частотном диапазоне 2800 см-1 –3900 см-1. Сечения КР и упругого рассеяния имеют различную зависимость от размера частицы, поэтому одновременное измерение упругого рассеяния и КР воды позволяет измерять также и средний размер капель в облаке. При попытках создания соответствующих лидарных систем использовалось, главным образом, излучение на длине волны 354.7 нм. Однако, флуоресценция аэрозоля в спектральном диапазоне, соответствующем КР жидкой воды, является значительной и не позволяет проводить количественные измерения. В предлагаемом проекте для минимизации вклада флуоресценции при исследовании КР жидкой воды в облаках и аэрозолях будет, использовано излучение с длиной волны 532 нм. Прогресс в разработке современных интерференционных фильтров и детекторов позволяет обеспечить надежную регистрацию сигнала КР для этой длины волны.

Ожидаемые результаты
• На основе лидарных измерений будут определены сечения флуоресценции различных типов аэрозоля в естественных условиях в пяти спектральных интервалах в диапазоне 410 – 700 нм и исследовано влияние гигроскопического роста частиц на коэффициент обратного флуоресцентного рассеяния. • Будет создан метод определения вертикального распределения основных компонент аэрозольной смеси на основе совместного использования многоволновых и флуоресцентных лидарных измерений. • Будет разработан и реализован подход к определению содержания аэрозоля а облаках на основе флуоресцентных лидарных измерений, что позволит оценивать «загрязненность» облаков различного происхождения аэрозолем. • Будет разработана методика определения содержания жидкой воды в облаках и оценки среднего размера капель на основе одновременного измерения сигналов упругого рассеяния и комбинационного рассеяния жидкой воды. • На основе регулярных измерений будут определены высотные распределения основных типов аэрозоля в Москве, а также их сезонные вариации, что позволит оценить риски воздействия аэрозоля в мегаполисе на здоровье людей. По результатам проекта будет опубликовано не менее 10 статей в рецензируемых российских и зарубежных изданиях. Из них не менее 8 индексируемых Web of Science Core Collection, Scopus.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


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.

 

Публикации

1. K. Охнейзер, А. Ансманн, Р. Энгельман, С. Ритер, А. Чудовский, И. Веселовский, Х. Баарс, Х. Гебауэр, Х. Грише, М. Раденз, Ж. Хофе, Д. Альтхаузен, С. Дахлке, М. Матурили Siberian fire smoke in the High-Arctic winter stratosphere observed during MOSAiC 2019–2020 Atmospheric Chemistry and Physics, 21, 15783–15808 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.5194/acp-21-15783-2021

2. А. Ансманн, К. Охнейзер, Р. Е. Мамури, И. Веселовский, Д.А. Кнопф, Х. Баарс, Р. Энгельман, А. Фох, С. Жименез, П. Сейферт, Б. Бария Tropospheric and stratospheric wildfire smoke profiling with lidar: Mass, surface area, CCN and INP retrieval Atmospheric Chemistry and Physics, 21, 9779–9807, 2021 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.5194/acp-21-9779-2021

3. Д. Перез-Рамирез, Д.Н. Вайтман, И. Веселовский, Р. Ферраре, Г. Титос, М. Джозе Гранадос Муноз, Г. Санчез – Хемандез, Ф. Наваз - Гузман Spatiotemporal changes in aerosol properties by hygroscopic growth and impacts on radiative forcing and heating rates during DISCOVER-AQ 2011 Atmospheric Chemistry and Physics, 21, 12021–12048 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.5194/acp-21-12021-2021

4. И. Веселовский, Ч. Ху, Ф. Голуб, Т. Подвин, М. Чёэл, Н. Висез, М. Коренский Mie–Raman–fluorescence lidar observations of aerosols during pollen season in the north of France Atmospheric Measurement Techniques, 14, 4773–4786 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.5194/amt-14-4773-2021

5. М. Милонаки, А. Папаянис, Д. Анагноу, О. Соупиона, С.-А. Папаниколау, И. Веселовский, К. Боугиатоти, Р. Фоскинис, К. Панос, Е. Крали, М. Гидаракоу, А. Ненес Optical, microphysical and chemical properties of aged biomass burning aerosols and mixtures, based on 9 years multiwavelength Raman lidar observations in Athens, Greece Remote Sensing, 13, 3877 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/rs13193877

6. Р. Энгельман, А. Ansmann, К. Охнейзер, Х. Грише, М. Рандез, Ж. Хофе, Д. Альтхаузен, С. Дахлке, М. Маеурили, И. Веселовский, С. Жименез, Р. Визен, Х. Баарс, Ж. Бухл, Х. Гебауэр, М. Хааринг, П. Сейферт, У. Вандингер, А. Маке UTLS wildfire smoke over the North Pole region, Arctic haze, and aerosol-cloud interaction during MOSAiC 2019/20: An introductory Atmospheric Chemistry and Physics, 21, 13397–13423 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.5194/acp-21-13397-2021


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.

 

Публикации

1. Ванг, Хиао, Веселовский и др. This is FAST: multivariate Full-permutAtion based Stochastic foresT method—improving the retrieval of fine-mode aerosol microphysical properties with multi-wavelength lidar Remote Sensing of Environment, 280, 113226, 2022 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.rse.2022.113226

2. Веселовский, Ху, Ансманн, Голуб, Подвин, Коренский Fluorescence lidar observations of wildfire smoke inside cirrus: A contribution to smoke-cirrus - interaction research Atmos. Chem. Phys., 22, 5209–5221, 2022 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.5194/acp-22-5209-2022

3. Веселовский, Ху, Голуб, Подвин, Барчунов, Коренский Combining Mie–Raman and fluorescence observations: a step forward in aerosol classification with lidar technology Atmos. Meas. Tech., 15, 4881–4900, 2022 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.5194/amt-15-4881-2022

4. Ди Жилорамо, Де Роза, Сумма, Франко, Веселовский, Френи Measurements of aerosol size and microphysical properties: A comparison between Raman lidar and airborne sensors. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 127, e2021JD036086, 2022 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1029/2021JD036086

5. Охнейзер, Ансманн, Кайфмер, Чудовский, Барья, Кнопф, Баарс, Сейферт, Виллануева, Жименез, Раденз, Эйгельман, Веселовский, Заморано Australian wildfire smoke in the stratosphere: the decay phase in 2020/21 and impact on ozone depletion Atmos. Chem. Phys., 22, 7417–7442, 2022 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.5194/acp-22-7417-2022

6. Ху, Голуб, Веселовский, Подвин The characterization of long-range transported North American biomass burning plumes: what can a multi-wavelength Mie–Raman-polarization-fluorescence lidar provide? Atmos. Chem. Phys, 22, 5399–5414, 2022 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.5194/acp-22-5399-2022