Исследование распространения электромагнитного излучения в искусственных атмосферных неоднородностях

Актуальность проблемы.

Проблема исследования искусственных атмосферных аэрозольных образований представляет исключительный интерес для науки и практики, поскольку она тесно связана с вопросами охраны окружающей среды, загрязнением земной атмосферы, применением их для противолокационной маскировки различных объектов или создания ложных целей для радиолокационного и ИК диапазонов, а также для уменьшения пропускания электромагнитных излучений в системе подстилающая поверхностьатмосфера".

Несмотря на широкие масштабы исследования свойств искусственных атмосферных образований как в нашей стране, так и за рубежом, в этой области имеется еще ряд нерешенных вопросов. В частности, не до конца исследованы роль состояния атмосферы (турбулентность, влажность, наличие потоков и т. д.) на особенности формирования и рассеяния аэрозолей. Отдельной проблемой стоит создание искусственных атмосферных образований и распространение электромагнитного излучения в них.

Распространение электромагнитного излучения в искусственных атмосферных неоднородностях с достаточной точностью можно описать с помощью их оптических характеристик: коэффициентов ослабления, рассеяния и поглощения, геометрических параметров и т. д.

Частицы вещества, из которых искусственно образуются неоднородности в атмосфере, могут иметь разные формы и размеры. Задачи определения характеристик рассеяния излучения такими частицами достаточно сложны. Наименьшими трудностями вычислительного характера обладают решения, связанные со сферической формой частиц [1,2], наибольшими — с произвольной формой. В настоящее время имеются довольно ¦ корректные результаты расчета рассеивающей способности естественных и искусственных аэрозольных образований. Однако они являются достаточно сложными и требуют значительных затрат времени на получение приемлемых результатов. Методики этих расчетов приведены в большом числе публикаций [3−8].

Несмотря на отдельные особенности, эти методики имеют общую основу: сначала определяют характеристики аэрозолей — типичные размеры, форму, материал, из которого они состоят, концентрацию. Затем рассчитывают или получают на основе экспериментальных данных функцию распределения частиц по размерам. Далее, вычисляют факторы ослабления излучения' отдельной частицей, а затем суммируют эффект ослабления отдельными частицами по всему облаку и находят соответствующие показатели ослабления. Аналогично находят показатели рассеяния и поглощения.

Особой интерес представляет исследование физических характеристик искусственных аэрозольных образований (облаков), формируемых взрывом в связи с рядом технических приложений. К настоящему времени закономерности возникновения, временные характеристики существования таких образований, а также особенности поглощения и отражения в них ИК-излучения изучены не достаточно [9,10].

Основной причиной такого положения являются с одной стороны недостаточность данных о диэлектрических характеристиках аэрозолей, с другой — отсутствие надежных экспериментальных данных измерений поглощения, отражения и рассеяния ИКи СВЧизлучения в искусственных аэрозольных облаках.

При проведении активных воздействий на процессы облакои осадкообразования основной задачей является создание аэрозольного облака, включающего наряду с льдообразующими частицами продукты взрыва взрывчатых веществ или горения при термической возгонке. Для определения оптимальной дозировки реагента, зоны области засева, времени распространения реагента актуальным является физико-математическое описание образования и эволюция облака пассивной примеси. Задачу следует.

разделить на две стадии: собственно взрыв, в результате которого примесь «мгновенно» разбрасывается на некоторое расстояние, и затем распространение примеси в результате турбулентной диффузии. Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования показали, что атмосферная диффузия аэрозольных частиц, каковыми являются продукты взрыва, определяется в первую очередь турбулентностью атмосферы [11 — 13]. Однако, естественно предположить, что важную роль в распространении аэрозольного облака, образовавшегося в результате взрыва, играет турбулентность, сгенерированная и самим взрывом. Необходимо отметить, что процессы турбулентного обмена сравнительно хорошо изучены только в самых нижних слоях атмосферы (до высот несколько сотен метров), где сосредоточено основное внимание исследователей на распространение примесей от промышленных источников загрязнения атмосферы [12, 14, 15]. Намного хуже изучены турбулентные процессы на более высоких уровнях [16, 17]. Особенно это относится к уровням выше планетарного пограничного слоя. А именно здесь и происходит образование облаков.

В настоящее время существует ряд различных способов описания распространения аэрозолей в атмосфере [18 — 20]. К ним, относятся: статистические модели, гауссовы модели, модели с «замыканиями» различных порядков, а также модели, основанные на теории подобия. Однако ни один из перечисленных способов не может претендовать на полную строгость и точность. Нам представляется перспективным исследование распространения примесей по различным моделям, дополненное измерениями аэрозольных облаков в различных диапазонах длин волн радиотехническими средствами.

Цель работы.

Целью настоящей работы является исследование закономерностей распространения электромагнитного излучения в искусственно создаваемых атмосферных образованиях — аэрозольных облаках.

Для достижения данной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Выполнены теоретические расчеты коэффициентов ослабления, рассеяния, поглощения и излучения частицами алюминия и сажи в различных диапазонах длин волн.

2. Исследовано распространение электромагнитного излучения различных длин волн от 0,4 мкм до 10 см в искусственных атмосферных неоднородностях.

3. Собран аппаратурный комплекс и разработаны методики измерения следующих характеристик искусственных аэрозольных образований в атмосфере: интенсивности излучения, эффективной площади рассеяния, характеристик отражения и поглощения, времени существования аэрозольного облака в приземной атмосфере.

4. Выполнены эксперименты по созданию искусственного аэрозольного облака с помощью взрыва различных составов с целью исследования поглощения, отражения и временных его характеристик в диапазоне от.

0.4 до 14 мкм, 3,2 см и 10 см.

5. Проведен сравнительный анализ результатов численных расчетов, и экспериментальных измерений характеристик рассеяния и поглощения электромагнитного излучения аэрозольными облаками различных составов.

Научная новизна.

В работе впервые получены следующие результаты:

1. Установлено, что наиболее перспективными для исследования турбулентных характеристик атмосферы являются аэрозольные неоднородности, получаемые с помощью взрыва. Такие неоднородности позволяют использовать при исследовании турбулентности атмосферы активную и пассивную радиолокацию.

2. Разработана методика создания искусственных атмосферных аэрозольных образований подрывом различных составов и измерения их основных параметров.

3. Определен наиболее оптимальный химический состав, микроструктура облака взрыва, время его существования, функция распределения частиц облака по размерам, позволяющие максимально увеличить поглощающие и отражающие свойства.

4. Впервые для различных диапазонов длин волн рассчитаны коэффициенты ослабления, поглощения и излучения аэрозольными частицами алюминия и сажи.

5. Экспериментально впервые определены характеристики отражения, поглощения в диапазоне 0,4 мкм 14 мкм, 3,2 см и 10 см, и времени существования аэрозольного облака, создаваемого взрывом различных составов.

Практическая ценность.

В работе проведен широкий комплекс теоретических и экспериментальных исследований распространения электромагнитного излучения в искусственных атмосферных аэрозольных образованиях. Полученные данные представляют научный и практический интерес, и могут быть использованы для уточнения способов проведения активных воздействий на облака, в частности для определения зоны засева облаков и тумана аэрозольными частицами, для решения задач распространения ИК излучения в атмосфере, разработки средств маскировки различных объектов. А также могут быть использованы при индикации турбулентности, восходящих и нисходящих потоков в атмосфере, оценке экранирования радиационного выхолаживания подстилающей поверхности сажевыми частицами.

Положения, выносимые на защиту.

На защиту выносятся следующие основные результаты:

1. Результаты теоретических расчетов коэффициентов ослабления, рассеяния, поглощения и излучения аэрозольными образованиями, включающими частицы алюминия и сажи, в атмосфере.

2. Данные экспериментальных исследований характеристик отражения, рассеяния и поглощения в инфракрасном и сантиметровом диапазонах длин волн. Время существования аэрозольного облака, его макрои микроструктура, в зависимости от состава облакообразующей смеси.

3. Результаты сравнения теоретических исследований и экспериментальных измерений характеристик поглощения, отражения и излучения искусственными аэрозольными образованиями, включающими в себя частицы сажи и алюминия.

Апробация полученных результатов.

Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-практических конференциях и семинарах:

1. Всероссийской конференции по физике облаков и активным воздействиям на гидрометеорологические процессы. Нальчик, 2001 г.

2. Конференции молодых ученых ВГИ, посвященной 90-летию проф. Г. К. Сулаквелидзе. Нальчик, 2003 г.

3. XIX Международной конференции «Уравнения состояния вещества». Эльбрус, 2004 г.

4. XXII Всероссийском симпозиуме «Радиолокационное зондирование природных сред». С-Петербург, 2004 г.

5. Научных геофизических семинарах ВГИ. и.

Личный вклад автора. Автором работы лично:

— проведены теоретические расчеты;

— собран аппаратурный комплекс и разработаны методики измерения;

— принято участие в постановке и проведении экспериментов;

— выполнен анализ результатов теоретических расчетов и экспериментальных измерений.

Публикации по теме диссертации.

По теме диссертации опубликовано 9 публикаций, в том числе одно изобретение [21 -29].

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем работы составляет 184 страницы машинописного текста, включая 42 рисунка, 23 таблицы и 40 страниц приложений.

Список литературы

содержит 123 наименования.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 3.

1. Собран компактный комплекс аппаратуры для измерения теплового излучения аэрозольного облака в диапазоне длин волн 3 + 14 мкм.

2. Разработана методика проведения экспериментов и измерений.

3. Выполнены измерения поглощения электромагнитного излучения аэрозольным облаком в диапазоне 3 + 14 мкм и определены радиационные температуры излучения. Измерены время полного поглощения аэрозольным облаком ИК излучения в спектральных диапазонах 3 + 5 мкм и 8 + 14 мкм.

4. В натурных условиях проведены исследования микрофизических характеристик аэрозольного облака. Исследован спектр аэрозольных частиц и найдена функция распределения частиц по размерам. На экспериментальном материале определены параметры этой функции.

5. Выполненные эксперименты показали, что аэрозольное облако, формируемое подрывом составов, включающих алюминий, сажу, бензин и др. обладают высокими поглощающими свойствами в спектральных диапазонах 3 + 5 мкм и 8 + 14 мкм. Время полного поглощения электромагнитного излучения в этих диапазонах составляет около 30 сек. Время максимального поглощения аэрозольным облаком электромагнитного излучения в спектральном диапазоне 0,8 + 1,0 мкм оказалось примерно равным 30 сек.

6. Взависимости от композиции составов диффузия аэрозолей в атмосфере происходит с различной скоростью. Имеет достаточно хорошее совпадение среднеквадратичного разброса экспериментальных данных с теоретическими расчетами на стадии роста облака взрыва. Оказалось, что наиболее медленное рассеяние облака имеет место, когда в качестве составов использовались компоненты сажи и алюминиевой пудры. Уменьшение их содержания приводит к быстрому рассеянию облака аэрозолей.

7. Время действия телевизионного контраста по серии из 17 измерений составило 27 сек.

8. Размеры аэрозольных облаков, полученных в ходе проведения экспериментальных работ, составили 30 50 м в диаметре. Их эффективная площадь рассеяния (ЭПР) радиоволн в диапазонах длин волн 10 см, 3,5 см и 2 см составляют 10 м², 30 м² и 80 м² соответственно.

9. Эксперименты показали, что аэрозольное облако, формируемое с помощью взрыва из состава алюминия, сажи и бензина полностью поглощает электромагнитное излучение при испытании приборов ночного видения. Время поглощения практически равно времени существования аэрозольного облака в видимом диапазоне.

10. Выполнены теоретические расчеты излучения горизонтального слоя облака, основанные на полученных экспериментально размерах облака, интервала изменения его температуры на расстоянии 200 метров.

11. Рассчитан поток энергии на оптический локатор для оценки величины излучаемой энергии облаком.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В данной работе исследованы закономерности распространения электромагнитного излучения в искусственно создаваемых атмосферных образованиях — аэрозольных облаках. Выполнены теоретические расчеты коэффициентов ослабления, рассеяния, поглощения и излучения частицами алюминия и сажи в различных диапазонах длин волн.

1. Показано, что для единичного объема, содержащего частицы сажи со средними геометрическими радиусами от 0,001 мкм до 1,34 мкм при длине волны 14 мкм коэффициенты ослабления (Косл), рассеяния (Крас), поглощения (Кпог) и отражаемости (Крад) составляют:

МО" 16 см" 1 < Косл < 3-Ю" 8 см'1 4−10″ 22 см" 1 < Крас < 2−10″ 8 см'1.

1-Ю'16 см'1 < Кпог < 1-Ю'8 см'1 1,5−10″ 20 см'1 < Крад < 5-Ю'7 см'1.

С уменьшением длины волны до 3 мкм значение коэффициента рассеяния увеличивается на 1+3 порядка.

Для частиц алюминия со средними геометрическими радиусами от 0,01 мкм до 0,08 мкм при длине волны 14 мкм указанные выше коэффициенты принимают следующие значения:

4*10″ 16 см'1 < Косл < 2-Ю'12 см'1 МО'20 см'1 < Крас < 3-Ю" 15 см'1 4−10″ 16 см" 1 < Кпог <2−10″ 12 см" 1.

2−10'20 см" 1 < Крад < 1-Ю" 13 см'1.

При уменьшении длины волны до 3 мкм все коэффициенты, кроме К^д, увеличиваются на 2 + 3 порядка.

2. Теоретические и экспериментальные исследования показали, что для частиц алюминия со средними геометрическими радиусами от 0,01 мкм до 0,76 мкм при длине волны 10 см коэффициенты ослабления (Косл), рассеяния (Крас), поглощения (Кпог) и отражаемости (Крад) принимают значения:

4−10−23 см" 1 < Косл < 1,6−10'12 см'1 4−10'36 см'1 < Крас < 1 • 10″ 23 см" 1 4-Ю-23 см-1 <Кпог < 1,6−1 (Г12 см" ' 8-Ю-36 см-1 < Крад < 4-Ю-20 см" ' При уменьшении длины волны до 1 см значения указанных коэффициентов увеличиваются на 1 + 4 порядка.

3. Собран аппаратурный комплекс и разработаны методики измерения следующих характеристик искусственных аэрозольных образований в атмосфере: эффективной площади рассеяния, характеристик отражения и поглощения, времени существования аэрозольного облака в приземной атмосфере.

4. Выполнены эксперименты по созданию искусственного аэрозольного облака с помощью взрыва различных составов с целью исследования поглощения, отражения и временных его характеристик в диапазоне от 0,4 до 14 мкм, 3,2 см и 10 см.

Выполненные эксперименты показали, что аэрозольное облако, формируемое подрывом составов, включающих алюминий, сажу, бензин и др. обладают высокими поглощающими свойствами в спектральных диапазонах 3+5 мкм и 8 + 14 мкм. Время полного поглощения электромагнитного излучения в этих диапазонах составляет около 30 сек. Время максимального поглощения аэрозольным облаком электромагнитного излучения в спектральном диапазоне 0,8 + 1,0 мкм оказалось примерно равным 30 сек.

Размеры аэрозольных облаков, полученных в ходе проведения экспериментальных работ, составили 30 + 50 м в диаметре. Их эффективная площадь рассеяния (ЭПР) радиоволн в диапазонах длин волн 10 см, 3,5 см и 2 см составляют 10 м²,30 м2 и 80 м² соответственно.

Эксперименты показали, что аэрозольное облако, формируемое с помощью бзрыва из состава алюминия, сажи и бензина полностью поглощает электромагнитное излучение при испытании приборов ночного видения.

Время поглощения практически равно времени существования аэрозольного облака в видимом диапазоне.

5. Проведен анализ зависимости коэффициентов ослабления, рассеяния, поглощения и обратного рассеяния отдельных частиц от их размера и длины волны излучения. Полученные данные позволяют рассчитать оптические характеристики исследуемых сред для решения уравнения переноса излучения, оценить интенсивность излучения. Рассчитанные значения обратного рассеяния позволяют с помощью активной локации получить данные об интенсивности рассеяния аэрозольных облаков.

Выполненные расчеты позволяют сделать выводы о возможности использования сажевых и алюминиевых частиц для индикации и изучения атмосферных образований (восходящих и нисходящих потоков), интенсивных зон турбулентности.

6. Проведен сравнительный анализ результатов численных расчетов и экспериментальных измерений характеристик рассеяния и поглощения электромагнитного излучения аэрозольными облаками различных составов.,.

7. Полученные характеристики рассеяния, поглощения и ослабления слоем, содержащим сажевые и алюминиевые частицы позволяют оценить и предложить использование облака, содержащего эти частицы для защиты сельскохозяйственных угодий от радиационного выхолаживания и защиты различных-промышленных объектов путем создания ложных целей.

8. Поток излучения от слоя облака, горизонтальной протяженностью 30 м при изменении температуры от 294 К до 2273 К возрастает от 0,45 Вт/ср до 75,2 Вт/ср в диапазоне длин волн 8+14 мкм. В диапазоне длин волн 3 + 5 мкм и в том же температурном интервале интегральный поток излучения увеличивается от 0,03 Вт/ср до 1,1 кВт/ер. Эти изменения интегрального потока излучения соответствуют концентрации частиц 1 см*3. Указанные величины плотности потока излучения позволяют надежно аппаратурно зафиксировать излучение от облака, содержащего сажевые и алюминиевые частицы. •.