ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

Ващенко Володимир Миколайович

УДК 551.510.534+550.83:622.243.94

АКТИВНІ І ПАСИВНІ МЕТОДИ І ПРИЛАДИ

ДЛЯ МОНІТОРИНГУ АЕРО-, БІО- І ЛІТОСФЕРИ ЗЕМЛІ

01.04.01 – фізика, приладів, елементів і систем

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора фізико-математичних наук

Одеса-2003

Дисеpтацiєю є pукопис.

Pоботу виконано в Киiвському нацiональному унiвеpситеті

iм. Таpаса Шевченка Міністерства освіти і науки України

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, ст. н. с.,

Павлович Володимир Миколайович,

Науковий центр “Інститут ядерних досліджень”

НАН України, завідувач відділом теорії фізики

ядерних реакторів

доктор фізико-математичних наук, ст.н.с.,

Тюрин Олександр Валентинович,

Одеський національний університет ім. І.І. Мечникова,

НДІ фізики, провідний науковий співробітник

доктор фізико-математичних наук,

Владіміров Всеволод Анатолійович,

Гірничо-металургійна академія, Республіка Польща,

професор факультету прикладної математики

Пpовiдна оpганiзацiя: Національний технічний університет України

“Київський політехнічний інститут” Міносвіти і

науки України, кафедра оптичних та оптико-

електронних приладів

Захист відбудеться “ 26 ” грудня 2003 р. о 1400 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 41.052.06 Одеського національного

політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Одеського національного

політехнічного університету за адресою: 65044, м. Одеса, пр. Шевченка, 1.

Автореферат розісланий “ 26 " листопада 2003 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради |

В.Г. Шевчук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Створення космічної апаратури для космічного дистанційного зондування атмосфери стало значним етапом в дослідженні багатьох атмосферних процесів. Усі атмосферні гази та аерозолі мають специфічні вертикальні розподіли концентрації, тиску і температури. Дуже важливими компонентами атмосфери є малі атмосферні домішки і, в першу чергу, озон. Механізми їх взаємодії з УФ-радіацією відповідають за екранування Землі від винищуючої дії УФ-радіації.

Контролючи динаміку глобальної озоносфери та її неоднорідностей, можна установити її зв'язки з циклонами та антициклонами, установити особливості полярних вихрів і полярної озоносфери, а також вирішувати медикобіологічні задачі. Особливо актуальними є задачі виявлення можливих тригерних ефектів, коли малий вплив викликає вивільнення запасеної в атмосфері енергії, а також питання про критичні рівні впливу, вище яких в середовищі чи організмі виникають незворотні зміни. Ці питання важливі у зв’язку з глобальним збільшенням температури в тропосфері, зниженням температури мезосфери, зменшенням висоти іоносферних шарів, появою озонових дір, посиленням грозової активності.

Озоносфера найбільш УФ-чутлива підсистема аеросфери. Детально дослідити потужні зв’язки між макросвітом і мікросвітом атмосферних підсистем та їхню роль в глобальних процесах можна лише за допомогою сучасної апаратури. Існуюча наземна озонометрична сітка, започаткована Добсоном, не забезпечує детальний планетарний контроль озоносфери. На сьогодні її глобальний моніторинг забезпечується в основному американськими приладами TOMS i SBUV із розділеними функціями для окремого вимірювання загального вмісту озону (ЗВО) і вертикального розподілу концентрації озону (ВРКО). Тому створення універсального приладу, здатного вимірювати як ЗВО, так й ВРКО, є актуальною задачею.

Вивчення сучасного стану озоносфери з метою попереджуючого прогнозу її можливої небезпечної для життя трансформації чи її руйнування під впливом природних і антропогенних навантажень не можливе без вивчення палеоаеросфери. Для вивчення таких еволюційних атмосферних палеослідів необхідна апаратура здатна проникати і працювати в глибинних породах літосфери і кріосфери Землі.

На цей час інформація про глибинні надра літосфери отримується, в основному, непрямими методами. Єдиним контактним методом є глибоке буріння. Аналіз результатів, отриманих при виконанні програм понадглибинного буріння в різних країнах світу, свідчить про те, що сучасний науково-технічний потенціал, при бурінні глибинних свердловин, не реалізовується із-за складних термобаричних умов в глибинних надрах і хімічної агресивності твердих і розплавлених порід літосфери. Навіть при наявності сучасного традиційного бурильного обладнання проходження свердловини глибиною 15 км потребує до 20-ти років. На відміну від механічного і гідромеханічного, термобуріння стає ефективнішим у складних термобаричних умовах надр за хімічної агресивності твердих і розплавлених порід літосфери. Тому методи проплавлення порід термобурами вимагають подальшого розвитку. Але поки ще теплові методи застосовуються лише для руйнування гірських порід, а супутній процес плавлення порід розглядається небажаним. Теорія такого традиційного термобуріння опирається на дослідження задач поширення тепла в твердому середовищі без зміни його агрегатного стану і на температурній залежності пружних і міцністних властивостей порід.

Актуальність теми. Розроблений новий супутниковий озонометричний УФ-спектpометp для дистанцiйних космiчних вимipiв одночасно як сумаpного вмiсту, так й веpтикального пpофiлю концентpацiї озону показав високу ефективність та інформативність підчас випробування на штучних супутниках Землі (ШСЗ) "Метеор", "Ресурс", "Космос” при дослідженнях головних спектральних особливостей УФ альбедо системи "атмосфера-підстилаюча поверхня Землі" і відкриває можливість подальших досліджень аеросфери, озоносфери, біосфери і літосфери Землі з метою вивчення впливу сонячної УФ радіації (СУФР) на біосферні комплекси; просторово-часових неоднорідностей озоносфери; метеокліматичних аспектів; моделюваня і прогнозування можливих катастрофічних глобальних метеокліматичних наслідків природної та антропогенної дії на озоносферу; сонячно-атмосферних зв’язків тощо. Аналіз створення та експлуатації трьох поколінь розробленої космічної озонометричної спектральної апаратури і її метрологічного забезпечення показує, що вона має значний запас адаптації до нових задач і забезпечує надійність даних моніторингових космічних УФ-методів дослідження глобальної озоносфери.

Запропонований в дисертації термозонд із потужним малогабаритним автономним теплогенератором з високою концентрацією енергії на термобурі для тривалої автономної роботи, заснований на методі контактного термоплавлення низькотеплопровідних речовин, дозволяє уникнути традиційних для використання електротеплогенераторів значних труднощів, пов’язаних з подачею електроенергії на великі глибини в забій, і здійснювати надглибоке буріння для дослідження літосфери і кріосфери Землі.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні результати дисертації отримані при виконанні на протязі 1982-2003 рр. держбюджетних науково-дослідних робіт "Пошукові дослідження можливості створення методів та засобів для контактного зондування надглибинних планетних надр" (№ держреєстрації 0193U042003); "Розробка УФ-комплексу для позаатмосферних спостережень зовнішньої атмосфери Землі" (№ держреєстрації 01880009980); "Дослідження сонячної корони. Оптичні спостереження в активних експериментах в космосі" (№ держреєстрації 78046904); "Сонячно-земні зв'язки, сонячне радіовипромінювання, фізика і космогонія комет як індикатори міжпланетного простору і минулого сонячної системи", (№ держреєстрації 76045081); "Дослідження штучних геофізичних утворень та явищ в іоносфері Землі за допомогою комплексу радіофізичних та оптичних засобів (№ держреєстрації 01820072687); "Природні та штучні збурення в іоносфері" (№ держреєстрації 0194U018147); "Розробка методів, технічних засобів і автоматизованих систем дистанційного зондування природних ресурсів, оцінки екологічних процесів на території України” (№ держреєстрації 01890000526) та при виконанні комплексної наукової програми з астрономії "Фізичні та метричні властивості Всесвіту, його походження та еволюція" (№ держреєстрації 0197U003061), Державної програми наукових досліджень України в Антарктиці відповідно до постанови Кабінету Міністрів України №719 від 4 липня 1996 р.

При виконанні цих науково-дослідних та конструкторських робіт роль автора дисертації полягала в розробці теоретичних основ і науково-технічної концепції вимірювальної та метрологічної апаратури; створенні оптико-фізичних, електромеханічних та електронних схем і вузлів, розробці комплексної методики вимірювань, калібрування та обробки даних; участі в організації і проведенні вітчизняних і сумісно з НАСА експериментів на борту ШСЗ; обробці експериментальних даних та інтерпретації отриманих результатів.

Мета і задачі дослiдження. Метою роботи є розробка теоретичних та експериментальних основ активних і пасивних методів дослідження аеро-, біо- и літосфери Землі, побудова фізико-технічних концепцій і створення космічного озонометричного комплексу, а також апаратури для дослідження літо- і кріосфери Землі методом термоконтактного проплавлення.

Для досягнення цієї мети необхідно було вирішити такі задачі:

застосувати фізико-математичні основи методу зворотно розсіяної сонячної УФ-радіації для дослідження УФ-спектру системи "атмосфера Землi – пiдстилаюча фонова поверхня" і розробити вихiднi даннi для ствоpення супутникового озонометричного УФ-спектpометpа для дистанцiйних космiчних вимipiв сумаpного вмiсту та веpтикального пpофiлю концентpацiї озону;

розробити нові оптико-фізичні схеми подвійних дифракційних монохроматорів на сферичних гратках і виконати абераційні та габаритно-масові розрахунки з метою вибору найбільш оптимальних фізико-технічних і конструкторських рішень;

теоретично обгрунтувати і реалізувати на практиці максимально можливу для сучасної елементної бази спектрорадiометричну точність озонометричних УФ-данних, отриманих за допомогою дистанцiйного багатохвильового методу зворотнього розсiювання сонячної УФР;

розрахувати оптичну компенсацію поляризаційного впливу на результати вимірювань і створити систему компенсації, а також експериментально дослідити і випробувати її ефективність;

теоретично та експериментально обгрунтувати вибір оптимального методу електронної реєстрації сигналу та розробити оптичнi, електpонно-оптичнi, електpомеханiчнi та електpоннi cхеми апаратури;

розробити і створити експериментальні та робочі зразки бортового озонометричного УФ-спектрометра;

обгрунтувати теоретичну базу, методи та розробити стенди для метрологічного забезпечення вимipювальних даних; ствоpити лабоpатоpний метpологiчний УФ-комплекс для юстування і гpадуювання спектpально-енеpгетичних хаpактеpистик УФ-спектpометpа і спектpозонального телевiзiйного комплексу;

розробити і створити боpтову cупутникову апаpатуpну систему для опеpативного глобального УФ-монiтоpингу озонового шаpу Землi для отpимання глобальних каpт загального вмісту і вертикальних профілів концентрації озону за методом зворотно розсіяної сонячноi УФ-pадiацiї;

провести натурні випробування апаратури у відкритому космосі на космічних платформах, паралельно з якими здійснити серії вимірювань глобальної озоносфери для покращення вихідних даних, параметрів і науково-технічних апаратурних рішень;

сфоpмулювати вимоги до паpаметpiв спектpозональної телевiзiйноi апаpатуpи для дистанцiйного космiчного зондування екологiчного стану біокомплексів і створити спектрозональну апаpатну систему для синхpонного контpолю стану УФ-чутливих об’ектiв бiосфеpи у видимому діапазоні спектру на базі ПЗЗ матриць;

обгрунтувати метод реалізації надглибинного контактного термопроникнення в низькотеплопровідних породах і речовинах за допомогою автономного термозонду в земній літосфері та в льодових товщах.

здійснити фізико-математичну постановку задачі і розробити модель еволюції процесів тепломасопереносу при контактному плавленні в навколозондовій області внаслідок руху джерела тепла довільної форми;

розробити методику і виконати оцінки основних інженерних параметрів контактного термопроникнення в низькотеплопровідних середовищах;

Об’єкт досліджень – глобальна аеросфера і літосфера Землі.

Предмет досліджень – фізичні процеси в обернених задачах розсіяння геосфер (аросфери і літосфери Землі).

Методи досліджень: теорія переносу випромінювання – для побудови та аналізу УФ-спектрів; обернена задача розсіяння – для визначення ЗВО і ВРКО за експериментальними спектрометричними даними; методи дистанційної спектрорадіометричної реєстрації зворотно розсіяної атмосферою сонячної УФ-радіації – для отримання експериментальної інформації; дифракційна оптика і спектрометрія – для розрахунків і проектування для оптико-фізичних схем подвійних УФ-монохроматорів; методи метрології УФ-випромінювання та ядерної спектрометрії джерел синхротронного випромінювання _для метрологічної атестації спектральної енергетичної чутливості; астро- і геофізичні моделі внутрішньої структури Землі – визначення термобаричних і фізико-хімічних умов роботи термозонду; фізична теорія міцності _для обгрунтування вибіру конструкційних матеріалів; теорія процесів тепломасопереносу – для побудови теплофізичних процесів в навколозондовій області; обчислювальні методи для комп'ютерне моделювання – для обробки експериментальних даних і побудови моделі еволюції процесів тепломасопереносу при контактному плавленні; кластерні методи обробки зображень – для класифікації видів біосферних рослинних комплексів та їх стану.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в тому, що:

1. Розроблено і доведено до натурних випробувань в умовах відкритого космосу новий апаратурний комплекс, здатний виконувати одночасні вимірювання загального вмісту озону і вертикального розподілу концентрації озону з оптимальними часовими інтервалами за надирною геометрією у відповідності до стану наземної приймальної апаратури.

2. Вперше теоретично обгрунтовано і створено оптико-фізичні подвійні монохроматори для космічних УФ-спектрометрів з коефіцієнтом подавлення паразитно розсіяної УФ-радіації 10-6 на базі сферичних класичних і некласичних дифракційних граток з постійним і змінним кроком нарізки штрихів.

3. Вперше за рахунок меридіонального, двоповерхового розташування дифракційних граток без порушення умов сагітальності їх роботи розроблено універсальний подвійний монохроматор з підвищеною прецизійністю і надійністю, який дозволяє виконувати контрольне високопрецизійне юстування всіх оптичних елементів схеми в видимому діапазоні спектру із застосуванням джерел випромінювання видимого діапазону без послідуючого порушення спектральних параметрів схеми після її повернення в режим роботи в УФ-діапазоні спектру.

4. Вперше розроблено систему компенсації поляризаційного впливу дифракційного симетричного подвійного монохроматора на результати вимірювань УФ-радіації.

5. Вперше створено метрологічний апаратурний комплекс для юстування і градуювання енергетичної спектральної чутливості та динамічного діапазону УФ-спектрометра-озонометра. Для підвищення точності градуювання спектральної енергетичної чутливості УФ-спектрометра, було виконано контрольне градуювання вторинних робочих джерел випромінювання і самого УФ-спектрометра по синхротронному випромінюванню.

6. Модифіковано оптико-фізичну концепцію стоксметра для космічних спектрополяриметричних вимірювань атмосферних компонент в УФ-діапазоні спектру (220-300 нм).

7. Вперше здійснено математичну постановку задачі надглибокого контактного термопроникнення шляхом проплавлення оточуючого середовища внаслідок руху в ньому під дією гравітації джерела тепла довільної форми та вироблено підхід до її розв’язання. Сформульована та розв’язана задача оптимізації процесу контактного термопроникнення.

8. Вперше розроблено метод оцінки значень основних інженерних параметрів контактного термоплавлення низькотеплопровідних речовин. Розроблені основи інженерно-технічної концепції автономного термозонду як засобу надглибокого проникнення в надра літосфери Землі.

9. Розроблена нова концепція термобуріння для контактного проникнення в глибинні надра літосфери Землі з використанням атомного реактора як теплогенератора для забезпечення тепловою енергією проплавлення тугоплавких порід. Цей підхід може дозволити здійснити транскорове проникнення і геотехнічні та геопромислові експерименти.

Практична значимість отриманих результатів. В дисертації вирішені теоретичні і практичні задачі створення нових апаратурних систем для сучасних досліджень найважливішої аеросферної підсистеми – озоносфери в УФ діапазоні спектра для вивчення впливу сонячної УФР на біосферні комплекси; просторово-часових неоднорідностей озоносфери; метеокліматичних аспектів; теоретичних і фізико-технічних апаратурних проблем, моделювання і прогнозування можливих катастрофічних глобальних метеокліматичних наслідків природної і антропогенної дії на озоносферу; сонячно-атмосферних зв’язків, а також біосферних комплексів і літосфери Землі.

Запропонована універсальна схема подвійного УФ-монохроматора з можливістю його прецизійного юстування в видимому безпечному діапазоні спектру може застосовуватися для практичного підвищення прецизійності, юстування і створення відносно простих автоматичних оптико-електронних систем постійного або періодичного контролю і регулювання стабільності й якості спектральних характеристик апаратури при роботі спектральної дифракційної УФ-апаратури в широкому температурному діапазоні.

Розроблений оптичний метод безперервного контролю зміни спектральних параметрів космічного УФ-спектрометра в процесі деградації його оптичних елементів і зносу деталей та вузлів прецизійних механізмів, спричинених жорсткими умовами експлуатації в космосі. Безперервний контроль юстовочних параметрів монохроматора дозволяє визначати певний клас систематичних “неконтрольованих” похибок вимірювальних даних та їх джерел, а також враховувати їх при порушеннях юстовочних параметрів внаслідок температурних та інших деформацій.

Застосування дифракційних УФ-приладів з оптичним методом контролю спектральних параметрів у видимому діапазоні спектру і коректування вимірювальних даних УФ-спектрометра може бути застосованим для моніторингу багатьох інших компонент і підсистем атмосфери і забезпечити постійну якість вимірюваних даних в УФ-діапазоні спектру.

Розроблений УФ-спектрометр відкриває можливість виявлення так званих озонних мінімумів і максимумів, які пов'язані з утворенням та еволюцією вихрових структур в атмосфері Землі, і, тим самим, поліпшити прогнози утворення і розвитку циклонів і антициклонів.

Отриманий алгоритм оцінки основних інженерних параметрів термоко- нтактного проплавлення і також математична модель міграції радіонуклідів в водоносному шарі грунту та в породах земної кори можуть застосовуватись при розв’язанні різних прикладних задач, наприклад, при створенні глибинних підземних резервуарів для захоронення радіоактивних та інших шкідливих відходів.

Розроблені методи, апаратура та отримані результати можуть використані для досліджень та оперативного контролю екологічного стану аеросфери і біосфери. Дані досліджень можуть бути використані для моделювання реакції озоносфери на антропогенні навантаження і природні метеокліматичні і геокосмічні процеси.

Особистий внесок здобувача. Всі результати, що складають основний зміст дисертації, отримані особисто автором, а саме:

1. Розроблено фізико-технічну концепцію апаратурного УФ-компексу: орбітального УФ-спектрометра і наземних експериментально-випробувальних і метрологічних систем.

2. Запропоновано і теоретично обгрунтовано оптико-фізичні схеми подвійного монохроматора на сферичних класичних і не класичних гратках; порівняльний аналіз, макетування, конструкторська реалізація були виконані сумісно з колективом експериментаторів і конструкторів.

3. Теоретично обгрунтовано і створено оптико-фізичні подвійні монохроматори для космічних УФ-спектрометрів з коефіцієнтом подавлювання паразитно розсіяної УФ-радіації 10-6 на базі сферичних класичних і некласичних дифракційних граток з постійним і змінним кроком нарізки штрихів.

4. Розроблено метод підвищення точності юстування всіх оптичних елементів схеми подвійного УФ-монохроматора із застосуванням джерел випромінювання видимого діапазону спектру з наступним переведенням монохроматора в УФ-режим без порушення юстувальних і спектральних параметрів.

5. Теоретично та експериментально досліджено фізичні процеси впливу поляризації на результати вимірювань УФ-радіації дифракційним симетричним подвійним монохроматором і розроблено оптичну систему компенсації.

6. Запропоновано і реалізовано комплекс засобів для досягнення коефіцієнту подавлювання паразитно розсіяної УФ-радіації 10-6 .

7. Розроблені загальні принципи і методи метрологічного забезпечення для калібрування УФ-спектрометра і визначені вимоги до зразкових джерел УФ-випромінювання. Експериментальні, конструкторські і лабораторні роботи проводилися під керівництвом і за безпосередньою участю автора.

8. Сформульовано вихідні дані, розроблено теоретичні основи і науково-технічна концепція вимірювальної та метрологічної апаратури. Під керівництвом і за безпосередньою участю автора були розроблені і створені електромеханічні та електронні схеми і вузли, комплекси апаратури і методики вимірювань, узагальнення результатів.

9. Виконано розрахунки енергетичних характеристик і точності вимірювання стоксметра для космічних спектрополяриметричних вимірювань атмосферних компонент в УФ-діапазоні спектру.

10. Прийнято безпосередню участь в організації, проведені і обробці вітчизняних і міжнародних (сумісно з НАСА) озонометричних експериментів на борту штучних супутників Землі серії "Космос", "Метеор" і "Ресурс".

11. Отримано та оброблено експериментальні результати, одержані квазісинхроними вимірюванями в рознесених підсупутникових пунктах спостереження на борту літака-лабораторії.

12. Здійснено математичну постановку задачі, розроблено метод кількісної оцінки основних інженерних параметрів термозонду як засобу надглибокого проникнення в надра літосфери Землі; сформульована та розв’язана задача оптимізації процесу контактного термопроникнення.

13. Розраховано основні параметри термобуріння з використанням атомного реактора як теплогенератора для забезпечення енергією проплавлення тугоплавких порід.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації докладені і обговорені на 7 і 8 Всесоюзній конференції "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение” (Ленінград, 1988; Москва 1990); Всесоюзному семінарі "Дистанционные методы исследований системы атмосфера-океан” (Москва, 1989); міжнародному симпозіумі "Оптичні емісії середньої та верхньої атмосфери”, (Варна, Болгарія, 1989); Всесоюзній конференції "Требования к средствам дистанционного зондирования" (Москва, 1989); Міжнародній конференції CERECO-94, (Будапешт, Угорщина, 1994); 26-й і 30-й міжнародних конференціях “Annual European Meetіng on Atmospherіc Studіes by Optіcal Methods” (Київ, 1996; Шпіцберген, 2003); науково-практичній конференції “Наукомісткі технології подвійного призначення” (Київ, 1994); III Міжнародній науково-практичній конференції "Сучасні технології в аерокосмічному комплексі" (Житомир, 1997); VI і VIІІ конференціях країн СНД "Проблеми екології та експлуатації об’єктів енергетики" (Севастополь, 1996; 1998); Міжнародній науково-практичній конференції “Спектроскопія в спеціальних застосуваннях” (Київ, 2003); міжнародній конференції "Earth System Modelling" (Гамбург, Німеччина, 2003).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи викладені в 45 наукових публікаціях, в тому числі в 2 монографіях, 19 статтях у наукових журналах, 18 тезах доповідей вітчизняних і міжнародних конференцій, 1 патенті і 5 авторських свідоцтвах. Список основних публікацій наведено в кінці автореферату.

Структура і обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків і списку літератури. Загальний обсяг дисертації – 283 с. машинописного тексту, включаючи 27 таблиць і 39 рисунків. Список літературних джерел містить 263 найменування цитованої літератури.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі стисло обгрунтовано доцільність, актуальність теми і вибір об’єктів досліджень. Сформульована мета досліджень, відображена новизна отриманих результатів та їх практична цінність. Сформульовані положення, що виносяться автором на захист.

В першому розділі на основі огляду літератури аналізується стан і рівень світових розробок космічної апаратури для дистанційного пасивного зондування малих атмосферних домішок в атмосфері та аеросфері Землі. На початку 1980 років проблема дослідження озоносфери прийняла не тільки наукове, але і соціальне значення. Швидкий розвиток атмосферних теорій, спричинений досягненнями ракетних і аерокосмічних методів, виявив надзвичайну чутливість і ранимість озоносфери до природних і штучних антропогенних навантажень, здатних трансформувати локальну і глобальну озоносферу до екологічно небезпечного рівня, незворотно пагубного для всього живого. Найважливіша роль при цьому відводиться малим природним і антропогенним атмосферним домішкам. Найбільший науковий і соціальний інтерес викликала проблема озонових дірок. Виникла необхідність створення глобального тривимірного моніторингу життєво важливих геосфер. Попередні експерименти показали перспективність космічної апаратури не тільки для локальних короткочасових вимірювань, а і безальтернативну їх перспективу для планетарного моніторингу екологічного стану найважливіших геосфер - атмосфери і аеросфери.

Розуміння того, що при враженні озоносфери, може значно зрости рівень біологічно небезпечної сонячної УФ радіації, здатної пошкодити і живі і рослинні організми на значних територіях, визвало необхідність створення моніторингових систем для контролю стану важливих агропромислових біоботанічних продуктових масивів - злакових, бобових і кореневих. Такі розробки розпочались незалежно в США, Європі і в СРСР, де інтенсивно почалось створення регіональних аерокосмічних моніторингових агропромислових систем.

В США були створені космічні озонометричні прилади SBUV, BUV і TMS, а в СРСР почались розробки озонометричної апаратури БУФС для постійного космічного одночасного патрулювання на кількох космічних платформах. Через 10 років незалежної роботи прилади TOMS і БУФС спільно випробовувались на ШСЗ “Метеор-Природа” з метою прив’зки точністних шкал незалежно отримуваних масивів даних і в результаті було розроблено апаратуру третього покоління, яка враховувала всі фізичні і конструктивні недоліки, виявлені при випробуваннях перших поколінь апаратури. На відміну від приладів TOMS і SBUV, створених як окремих приладів для вимірювання ЗВО і ВРКО, в апаратурі БУФС вдалось об’єднати технічні рішення для створення універсального приладу, здатного вимірювати і ЗВО і ВРКО. Результати його випробувань і аналіз результатів глобальних картографічних масивів, показав можливість створення нової спектрополяриметричної УФ апаратури для досліджень атмосфери шляхом вимірювання чотирьох параметрів Стокса – космічного УФ стоксметра, для створення якого було розроблена фізико-технічна концепція, яка показує нові можливості його практичної реалізації.

Для оперативного контролю біосфери на першому етапі досліджень, завдяки досягненням в розвитку методів кластерного аналізу зображень, а також синергетичних методів обробки різнохвильових космічних зображень земної поверхні, виявились перспективними і відносно простими для практичної реалізації телевізійні спектрозональні системи на ПЗЗ матрицях і лінійках.

З іншого боку розвиток космічних і геотехнічних методів та технічних систем для промислової розробки глибоких покладів копалин, а також планування спеціальних геотехнічних глибинних корових і літосферних експериментів визвало необхідність створення принципово-нової техніки для надглибокого проникнення в надра Землі. Швидко почала розвиватись техніка проникнення в льодові товщі Арктики, Антарктики і на тілах Сонячної системи. А важливе значення глобальної кріосфери і літосфери Землі для розуміння походження і еволюції атмосфери і гідросфери підсилили необхідність пошукових робіт по створенню принципово нової глибинної техніки для оперативного надглибокого проникнення.

Аналіз результатів виконання програм глибинного буріння в різних країнах світу показав необхідність розвитку методів активного контактного термопроникнення і створення принципово нової надглибокої техніки, а саме, автономного термбуру-геозонду з теплогенератором на ядерному паливі.

Вирішення нових проблем поставило складні фізико-технічні і інженерні задачі для кожного з указаних напрямків, а саме створення апаратурних систем, для оперативного дослідження аеросфери, біосфери і літосфери.

Детальний аналіз теоретичних і експериментальних основ методів пасивного космічного контролю аеросфери і біосфери і активних методів глибинного проникнення в літосферу завершується висновками по літературному огляду, які в свою чергу є обгрунтуванням постановки задач, досліджуваних в дисертації.

В другому розділі, виходячи із постановки задачі створення спектрофотометричної апаратури для космічних вимірювань загального вмісту (ЗВО) і вертикальних профілів концентрації (ВПК) малих компонент атмосфери, зокрема, озону (ВРКО), розробляються вихідні параметри, дані і вимоги до створюваної апаратури. Для кількісних оцінок використовується взаємозв’язок між УФ-спектром відбитої атмосферою Землі сонячної радіації і характеристиками озону, що дає можливість на основі теоретичного аналізу оберненої задачі обчислення ЗВО і ВПКО розробити фізико-інженерні параметри, вихідні дані і вимоги до космічного УФ спектрометру-озонометру на основі реалізації спектральної ідеї методу зворотного розсіювання. УФ-спектр атмосфери Землі описується законом Ламберта-Бугера-Бера:

, (1)

де Ф(h,л) потік сонячної УФ-радіації на висоті h в атмосфері, Ф0(h',л) – позаатмосферний потік сонячної УФ-радіації, оптична товща атмосфери. Об’ємний коефіцієнт послабленяя ?(h,л) можна записати у вигляді:

, (2)

де вM(h,л) - коефіцієнт релеївського розсіювання, КM(h,л)= у02(л)N02(h) + у03(л)N03(h) - cумарний коефіцієнт поглинання молекул озону і кисню, б0(h,л) - аерозольний коефіцієнт послаблення. Для розв’язання рівняння (1) потрібні експериментальні дані про набір параметрів для атмосферного моделювання, які є функціями довжини хвилі і температури.

Спектральна густина потоку Ф(h,л) в атмосфері на любій висоті складається із послабленного поглинанням прямого потоку випромінювання Сонця, розсіюваного потоку в верхніх шарах атмосфери, і випромінювання, розсіяного нижніми шарами атмосфери, хмарами і підстилаючою фоновою поверхнею Землі. Фізичною основою озонометричного космічного УФ-методу є спектральна залежність коефіцієнтів поглинання озону. При апаратурній реалізації принциповим є вибір кількості робочих спектральних каналів в смугах поглинання озону Хартлі-Хюггенса. В короткохвильовій частині для вимірювань ВРКО спектральні канали вибираються так, щоб коефіцієнти поглинання озону утворювали геометричну прогресію. Канали для ЗВО підбираються парами якомога ближче один до одного, але так щоб мати найбільшу різницю коефіцієнтів поглинання. Для визначення ЗВО і ВРКО вибрано 12 довжин хвиль: 252,0; 273,6; 283,0; 287,6; 29992,2; 297,5; 301,9; 305,8; 312,5; 317,5; 331,2; 339,8 нм поблизу яких немає різких змін поглинання озону і сильних фраунгоферових ліній.

На спектральному каналі 349+0,5нм, для визначення коефіцієнта відбивання підстилаючої поверхні коефіцієнт поглинання озону до знехтування малий і поблизу немає сильних фраунгоферових ліній. Точність настройки довжини хвиль повинна бути не гірша 0,05 нм, а відхід настройки в процесі експлуатації 0,02 нм тому, що поблизу 300 нм розсіяна радіація змінюється експоненційно на характерній довжині ~ 2,6 нм. Таким чином, похибка в 1%, вимагає стабільності настройки не гірше 0,026 нм.

Методами математичного моделювання можна дослідити пряму задачу визначення інтенсивності зворотно розсіяної атмосферою Землі сонячної УФ радіації, використовуючи стандартизовані висотні розподіли тиску атмосфери; типові ВРКО; висотні температурні стандартизовані профілі; коефіцієнти розсіювання Релея і коефіцієнти поглинання озону; альбедо підстилаючої поверхні; зенітні кути Сонця та ін.

Розраховані вагові функції проявляють важливі особливості УФ-озонометрії і характеризують вклад розсіяної на різних висотах атмосфери сонячної УФ-радіації (СУФР) в загальний потік УФР на даній довжині хвилі по лінії надиру в космос. Кожна озонометрична довжина хвилі має свою конкретну глибину розсіювання і свій чіткий атмосферний прошарок найефективнішого розсіювання.

При опрацюванні даних використовуються відношення зворотно розсіяних УФ потоків до прямого потоку сонячної УФ радіації. Для географічних інтервалів усереднення 500 км для ЗВО і 1000 км для ВРКО похибка одиничного визначення ЗВО буде 1,7%, а ВРКО - 712%. Усереднення можна зробити для трьох вимірів ЗВО і для шести вимірів ВРКО. Точність визначення ЗВО повинна відповідати рівням природних озонних варіацій - не більше 35%, тобто похибка відносних вимірів УФ інтенсивності на кожній довжині хвилі не по винна перевищувати 1%.

Повний перепад інтенсивності розсіяної атмосферою УФ радіації в озонометричному спектральному діапазоні - п'ять порядків. Це створює серйозні проблеми при конструюванні оптико-електронних блоків УФ-спектрометрів для вимірювання ВРКО - на всіх спектральних каналах вимагає зменшення паразитного розсіяного випромінювання на шість порядків. Таке придушення паразитної розсіяної радіації можна одержати тільки подвійною монохроматизацією, анодним оксидуванням відповідних елементів і поверхонь та спеціальними світлоуловлювачами. Для вимірів ЗВО подвійні монохроматори не потрібні.

В американських приладах BUV і SBUV використана схема Еберта-Фасті на плоских ґратках. Монохроматор на сферичних гратках має мінімальне число відбиваючих поверхонь, і, при інших рівних умовах, більше пропускання. Застосування в оптичних схемах сферичних дифракційних ґраток з перемінним кроком нарізки штрихів дозволяє вигідно перерозподілити концентрацію УФ радіації в спектральних порядках

Чим вужче інструментальні контури спектральних каналів , тим меншу похибку дає використання теорії переносу випромінювання. Але, чим вужче інструментальний контур, тим менше вихідний світловий потік, а мінімальну в короткохвильовій ділянці спектра жорстко обмежують абераційні спотворення, особливо в короткофокусних космічних приладах. Оптимальна повинна забезпечити максимальну світлосилу приладу і не втратити переваг квазімонохроматичного наближення спектральних характеристик контуру.

В дисертації для діапазону 240340 нм із кроком 0,1 нм розраховувалися інтенсивності сонячної УФ-радіації при зенітних кутах Сонця 0°-70° для чотирьох моделей озоносфери - тропіки, літо, зима помірних широт і полярна зима. На рис. 1 для вимірювання ВРКО приведені розрахункові відхилення (літня модель озону помірних широт) для зенітних кутів Сонця 0 і 70о на довжинах хвиль 252,0; 273,6; 283,0; 287,6; 292,2; 297,5; 301,9; 305,8 нм.

Рис. 1. Відхилення від “монохроматичного” сигналу для моделі озону літа помірних широт і зенітних кутів Сонця 0 (а) і 70о (б).

На рис. 2 приведені розрахункові відхилення монохроматичного сигналу від інтегрального для всіх чотирьох широтно-сезонних моделей, визначені для всіх довжин хвиль з контурами пропускання =0,5; 1,0; 3,0 та 6,0 нм у діапазоні зенітних кутів Сонця 070о з кроком 0,1 нм. З рис.1-2 видно, що найбільш чутливим до ширини контуру є спектральний канал 301,9 нм. Це означає, що скінченність ширини контуру слід враховувати уже при =1,0 нм. Для решти каналів (за умови 1%-відхилення монохроматичного та інтегрального сигналів) значення наведені в табл. 1.

Для позаатмосферних потоків сонячної УФ-радіації розраховувалися сигнал для інструментальних контурів = 0,5(6,0) нм при паразитно розсіяній радіації від 0 до 0,01 і відхилення сигналу від "монохроматичного" із нормуванням на "монохроматичний" сигнал (рис.3).

Таким чином, були обгрунтовані кінцева оптимальна вибірка конкретних довжин хвиль і вимоги до характеристик контурів пропускання робочих спектральних каналів, яки використовувались як головні вихідні параметри для розрахунку оптико-фізичних та електронно-вимірювальних блоків. Але на довжині хвилі 253 нм для уникання впливу власного свічення атмосфері не може перевищувати 3 нм, а зростання інтенсивності випромінювання із зростанням довжини хвилі (у разі використовування одного ФЕП для всіх робочих спектральних каналів) може викликати необхідність зменшення для відповідних з метою оптимізації динамічного діапазону спектрометра.

Рис. 2. Області відхилення сигналу від “монохроматичного“ на робочих довжинах хвиль для всіх розрахункових зенітних кутів Сонця та озонних моделей.

Таблиця 1

Напівширина контурів пропускання спектральних каналів та похибка вимірювань

Вплив розсіяної УФ радіації зменшується при збільшенні . В спектральних каналах для вимірювань ЗВО (312,5; 329,3 нм) при = 1,0 нм, через скінченність контуру похибкою можна знехтувати, якщо в розрахунках використовувати усереднений по інструментальному контурі ефективний коефіцієнт поглинання озону. У каналі фотометра на центральній довжині 349,0 нм для вимірювання альбедо підстилаючої поверхні и хмарного покриву поглинанням озону можна знехтувати і збільшити до 4,5-5,5 нм.

Розрахунки інтенсивності розсіяної в атмосфері УФ-радіації проводилися за методом Монте-Карло. Враховувалися сферичність атмосфери, розсіювання на молекулах і аерозолях, поглинання озону і альбедо підстилаючої поверхні, “східчастий” висотний хід коефіцієнту молекулярного та аерозольного розсіювання. Атмосфера до висоти 100 кілометрів розділялась на 36 шарів з “постійними” коефіцієнти розсіювання (рис. 4). Для висот, більших 100 кілометрів, ці коефіцієнти дорівнюють нулю. Розрахунки проводилися для молекулярно-аерозольної моделі Елтермана з постійними розмірами аерозольних часток. Індикатриса аерозольного розсіювання розраховувалася теоретично і задавалася в табличному вигляді з лінійною інтерполяцією між кутами. Розрахунки виконані для альбедо підстилаючої поверхні рівної нулю й одиниці. Усі розрахункові профілі ВРКО приведені в табл. 2.

Рис. 3. Внесок розсіяного в приладі світла в корисний сигнал (=1 нм). Модель озону – літо помірних широт. Зенітна відстань Сонця – 00 (початковий відрізок кривих показано на вставці а). На вставці б – теж саме для = 252,0 нм при різних значеннях .

Таблиця 2

Розрахункові профілі ВРКО

Рис. 4. Еквівалентна схема космічних вимірювань атмосферних об'єктів

в системі "атмосфера_підстилаюча поверхня Землі".

Наступна задача формулюється просто: за допомогою розрахункових профілів ВРКО побудувати відповідні спектри зворотно розсіяної атмосферою сонячної УФ-радіації (табл. 3-4).

Таблиця 3

Розрахункові значення зворотно розсіяної в зеніт сонячної УФ-радіації (мВт/м2·ср·нм) для тропічної моделі ВРКО

Таблиця 4

Розрахункові значення зворотно розсіяної в зеніт сонячної УФ-радіації (мВт/м2·ср·нм) для моделі полярної зими ВРКО

Отримані результати, с одного боку, дозволили вирішати задачу побудови спектрів зворотно розсіяної атмосферою сонячної УФ-радіації, граничні значення інтенсивностей якої показані на рис. 5, а з іншого, _склали основу бази вихідних даних и дозволили обгрунтувати основні спектральні параметри і вимоги до енергетичних та абераційних розрахунків оптико-фізичних й електронно-вимірювальних блоків космічного УФ-спектрометра-озонометра (рис. 6).

В дисертації наведені розрахунки, що враховують особливості оптико-фізичних і дифракційних елементів оптичного тракту (рис. 6), в результаті яких отримані потоки прямої і зворотно розсіяної УФ-радіації на фотокатоді ФЕП-142 і відповідні їм мінімальні і максимальні інтенсивності (в режимі лічби фотонів, імп/с) на виході ФЕП-142.

Рис. 5. Спектр прямої і вимірювальний "коридор" зворотно розсіяної

сонячної радіації.

Рис. 6. Оптико-фізична схема космічного УФ-спектрометра-озонометра.

Для визначення істинної концентрації озону враховувалося альбедо підстилаючої поверхні (сніг, лід, хмари, суша). Висота верхньої межі хмар (ВМХ) визначалась шляхом вимірів відношення інтенсивностей розсіяної УФ-радіації в смузі поглинання кисню на довжинах хвиль 738 нм (вікно прозорості атмосфери) і 762 нм (смуга поглинання кисню). Енергетичні розрахунки для цих спектральних каналів (при використанні фотодіода ФД-256) дають фотострум на виході рівний 210-9, а при його граничному значенні _610-14 А.

Динамічний діапазон інтенсивностей, при яких витримується необхідна точність вимірів, складає приблизно 38 діб. Середньоквадратична похибка вимірів, включаючи всі види нелінійностей, дорівнює 1% при точності визначення висоти 0,5%. При цьому похибка у визначенні ЗВО не більше 0,5%.

Таким чином, результати цієї частини дисертації показали принципову можливість практичної реалізації космічного УФ-спектрометра-озонометра (рис. 6) на базі розробленої оптико-фізичної схеми, здатної із заданою точністю вимірювати ЗВО, ВРКО, ВМХ, альбедо підстилаючої поверхні і позаатмосферну сонячну УФ-радіацію.

Фізичні особливості оптико-електронного тракту (рис. 6) обумовили вибір, найбільш оптимальної оптико-механічної схеми з точки зору габаритно-масових і спектральних характеристик спектроозонометричної апаратури, який здійснювався на основі абераційних розрахунків. В схемі подвійного монохроматора бортового УФС як диспергуючі елементи використані сферичні дифракційні гратки з радіусом кривизни 250 мм, частотою нарізки 600 штр/мм та розміром нарізаної поверхні 30 х 40 мм. Головна умова мінімізації абераційних спотворень, що забезпечує високу якість спектру, полягає в побудові схеми монохроматора, максимально близької до умов автоколімації. Теоретичні розрахунки для схеми (рис. 6) показують, що умова автоколімації виконується при значенні кута падіння і кута дифракції 8,6. Проте через необхідність застосування у фізичній конструкції поворотних дзеркал, автоколімаційність схеми неможлива, але чим менше кути падіння, тим зручніше конструктивне розміщення в ній оптичних елементів. Компромісний розрахунковий кут падіння 6о – це максимальний кут, при якому ще відсутнє обрізання пучка. Розрахунки відстані від вхідної щілини для забезпечення максимально плоскої фокальної поверхні дали значення 258,4 мм. Розрахункові кути дифракції і відстані до щілини виходу для граток з постійним і змінним кроком нарізки штрихів наведені в табл. 5.

Як й очікувалося, фокальна лінія сильно викривлена. Тому далі важливо визначити точність видержування кутів. Лінійна дисперсія для середнього кута дифракції 14,5о для граток радіусом 250 мм дорівнює dl/d=0,32 нм/мм. Оскільки центрування довжин хвиль повинне мати точність 0,05 нм (1/20 ширини щілини), то точність лінійних розмірів в фокальній площині повинна бути приблизно 0,015 мм (0,0035о), а точність видержування відстані до щілин (1/20 розширення контуру за рахунок дефокусування) _0,05 мм. Для кожної озонометричної довжини хвилі були розраховані кути дифракції, відстані до вихідної щілини, відстані до кожної проміжної щілини, висота і ширина вхідної, вихідної і кожної проміжної щілини. Результати абераційних розрахунків показали, що абераційне розширення щілини в найгіршому випадку для = 252 нм менше 0,6нмм, що при фотоелектричній реєстрації дає додаткове, цілком прийнятне, розширення на 0,15 нм. Для повного використання висоти вхідної щілини, як показують розрахунки, на вході слід застосувати плоско-випуклу лінзу з фокусом 250,4 мм. А для забезпечення ефективної роботи другої половини подвійного монохроматора після маски проміжних щілин необхідно застосувати коліматорну плоско-випуклу лінзу. Щоб коліматорна лінза проектувала першу гратку на другу, її фокус повинен бути рівним половинній відстані від граток до її головних площин, відстань між якими для лінзи товщиною 6 мм дорівнює d(n-1)/n =1,959 мм, де n – показник заломлення. Тоді відстані від першої гратки до першої головної площини і від другої гратки до другої головної площини будуть дорівнювати 260,72 мм, а фокусна відстань лінзи 130,6 мм при радіусі кривизни r=(n-1)f=63,2 мм. Хроматичні і сферичні аберації лінзи дещо порушують симетричність подвійного монохроматора, тому ширина вихідної щілини повинна бути трохи більша ніж ширина вхідної.

Розрахунки другого одиночного монохроматора за алгоритмом геометричної оптики з варіацією значення кривизни лінзи , відстані до вихідної щілини, відстаней від проміжних щілин до другої гратки показали найкращі результати для радіуса кривизни 63,04 мм при відстані до