КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
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 проекта 22-79-10203
НазваниеРазработка двухканальной лидарной системы для измерения концентраций парниковых газов в атмосфере
Руководитель Садовников Сергей Александрович, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева Сибирского отделения Российской академии наук , Томская обл
Конкурс №71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-608 - Инженерно-технические и информационные автоматизированные системы мониторинга биоресурсов, биосферы и технических систем
Ключевые слова лидар, дистанционное зондирование, атмосфера, парниковые газы, ближний ИК-диапазон
Код ГРНТИ87.17.81
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Уровень концентраций парниковых газов в атмосфере является определяющим фактором формирования климата планеты. Антропогенное воздействие, вызванное активной деятельностью человека в период индустриального развития, считается основной причиной резкого повышения концентрации углекислого газа (СО2) в атмосфере. За последние 60 лет концентрация СО2 выросла более чем на 100 частиц на миллион (ppm) и стремительный рост продолжается. В масштабах планеты это приводит к таянию ледников, повышению уровня океана и увеличению средней температуры на поверхности планеты. Водяной пар (H2O) является самым активным из парниковых газов. Его вклад в парниковый эффект согласно научным источникам составляет порядка 50 %. Углекислый газ является наиболее сильным парниковым газом после водяного пара. Вклад СО2 достигает 25 %. Вследствие сильного влияния данных парниковых газов на климат Земли, наблюдение за их содержанием в атмосфере носит фундаментальный характер. Поэтому задача развитие новых подходов и инструментов дистанционного измерения концентраций парниковых газов с высоким пространственно-временным разрешением и точностью остаётся актуальной.
Проект направлен на решение проблемы одновременного измерения пространственно-разрешенных и усреднённых вдоль трассы значений концентраций парниковых газов атмосферы (H2O, CO2) с использованием лазерного излучения параметрических генераторов света.
Научная новизна проекта состоит в следующем – впервые для ближнего ИК диапазона спектра будет разработана лидарная система с ширинами линий излучения на уровне единиц обратных сантиметров для одновременного получения пространственно-разрешённых и усреднённых по трассе концентраций газовых составляющих атмосферы.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Для обеспечения возможности функционирования лидарной системы в различных режимах оптическая схема передающего блока была дополнена плоскопараллельной пластиной, треугольной призмой с зеркальным напылением и двумя измерителями энергии, каркасными элементами (металлические стержни и держатели), которые в процессе юстировки позволяли с более высокой точностью регулировать направление распространения излучения от источника излучения к коллиматору.
Осуществлено доукомплектование блока регистрации четырёхканальным осциллографом Acute TS3124H для обеспечения аппаратной синхронизации регистрации сигналов с опорных каналов одновременно с лидарными сигналами. Для корректной инициализации электроники блока регистрации и корректировки временного положения синхроимпульса использован быстродействующий фотодиод IBSG.
Произведена доработка программного обеспечения для снижения объёмов хранимых «сырых» экспериментальных данных и корректности учёта времени измерения. Доработка программного обеспечения позволила существенно сократить объём занимаемого данными дискового пространства – с 10 МБ в минуту до 13 кБ в минуту, ускорить восстановление концентрации целевых газов и исключить дрейф времени измерения.
Для обеспечения независимой работы в мониторинговом режиме и увеличения точности восстановления концентрации целевых газов, путём использования температуры и давления атмосферы непосредственно на трассе зондирования, лидарная система дополнена метеостанцией АМК-04. Разработана программа чтения, преобразования и усреднения метеорологических данных, которая осуществляет запись поминутно усреднённых значений регистрируемых величин.
Создан юстировочный стенд, который обеспечил возможность наиболее точного установления взаимного расположения оптических осей телескопа и блока регистрации лидарных сигналов, включающий источник непрерывного лазерного излучения видимого диапазона спектра, микрообъектив, сферическое зеркало диаметром 400 мм и оптическую столешницу. Созданный юстировочный стенд применён для точной настройки приёмного блока лидара для работы в дальней зоне.
С применением разработанного лидара совместно с метеостанцией АМК-04 были проведены натурные эксперименты по измерению целевых параметров атмосферы на выбранной трассе зондирования. В ходе экспериментов зарегистрирован временной ход и пространственное распределение концентрации углекислого газа на исследуемой трассе зондирования.
Для проведения совместных измерений концентраций парниковых газов атмосферы с использованием разработанного лидара и сертифицированного газоанализатора G4301 (Picarro Inc., США) была сформулирована процедура проведения эксперимента, выбрана трасса зондирования, представлены условия проведения эксперимента. Представлен временной ход концентрации СО2, зарегистрированный с использованием разработанной лидарной системы и газоанализатора Picarro.
В ходе проведения совместных экспериментов из лидарных сигналов восстановлена концентрация CO2, которая варьировалась в диапазоне значений 435,2-445,1 ppm для выбранного временного интервала измерений. За период измерений разность между результатами в сравнении с данными Picarro достигала 1,3%. Полученные результаты показали достаточное соответствие лидарных данных при сравнении с локальными «in-situ» измерениями концентрации CO2 и позволили сделать вывод о корректности работы разработанной системы.
Публикации
1.
Садовников С.А., Яковлев С.В., Кравцова Н.С., Романовский О.А., Тужилкин Д.А.
Dual-channel infrared OPO lidar optical system for remote sensing of greenhouse gases in the atmosphere: design and characteristics
Sensors International, V. 6, 100307 (год публикации - 2025)
10.1016/j.sintl.2024.100307
2.
Василенко И.А., Науменко О.В.
Expert Assessment of the Accuracy of Determining the Intensities of Vibrational-rotational Lines of Water Vapor in the HITRAN Database in the Range 2500–6500 cm–1
Atmospheric and Oceanic Optics (год публикации - 2024)
10.1134/S1024856024700623
3.
Садовников С.А., Яковлев С.В., Кравцова Н.С., Тужилкин Д.А., Невзоров А.А., Герасимова М.П., Василенко И.А., Суханов А.Я.
Результаты разработки экспериментального образца лидара для измерения парниковых газов атмосферы
ООО "ТОРУС ПРЕСС", стр. 333-335 (год публикации - 2024)
10.30826/NEPCAP11A-90
4. Кравцова Н.С., Садовников С.А., Яковлев С.В., Герасимова М.П., Тужилкин Д.А., Василенко И.А., Невзоров А.А., Суханов А.Я. Концепция двухканальной лидарной системы для измерения концентраций парниковых газов в атмосфере Изд-во ИФ СО РАН, стр. 231-232 (год публикации - 2024)
5. Кравцова Н.С., Садовников С.А., Яковлев С.В., Герасимова М.П., Тужилкин Д.А., Василенко И.А., Невзоров А.А., Суханов А.Я. Результаты тестовых экспериментов и доработки лидарной системы для мониторинга парниковых газов Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, стр. 122-123 (год публикации - 2024)
6. Кравцова Н.С., Садовников С.А., Юлаев А.А., Тужилкин Д.А. Разработка программных средств и оптических узлов для лидарного зондирования парниковых газов в атмосфере ООО "СТТ", стр. 106-109 (год публикации - 2024)
7.
Садовников С.А., Яковлев С.В., Кравцова Н.С.
Atmospheric measurement simulation of greenhouse gases using a dual-channel infrared lidar system
Journal of Optical Technology, V. 90, N. 8, P. 456-463 (год публикации - 2024)
10.1364/JOT.90.000456
8. Кравцова Н.С., Садовников С.А., Яковлев С.В., Герасимова М.П., Тужилкин Д.А., Василенко И.А., Невзоров А.А., Суханов А.Я. Конструкция лидара и результаты разработки программы регистрации лидарных сигналов Издательство ИОА СО РАН, стр. B227-B230 (год публикации - 2024)
9. Садовников С.А., Кравцова Н.С., Герасимова М.П., Аршинов М.Ю., Яковлев С.В. Лидарная система для измерения содержания углекислого газа в городских условиях Оптика атмосферы и океана (год публикации - 2025)
Возможность практического использования результатов
Полученные в ходе выполнения проекта результаты могут быть использованы при развитии измерительных комплексов карбоновых полигонов, для контроля газового состава атмосферы в индустриальных центрах, на фоновых измерительных станциях и в районах болотных экосистем.