Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
45
ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
Ващенко Володимир Миколайович
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
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 “ ” грудня 2003 р. о 14 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.
. 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.
. 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.
. Вперше розроблено систему компенсації поляризаційного впливу дифракційного симетричного подвійного монохроматора на результати вимірювань УФ-радіації.
. 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.
. 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.
. 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.
. 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.
. Виконано розрахунки енергетичних характеристик і точності вимірювання стоксметра для космічних спектрополяриметричних вимірювань атмосферних компонент в УФ-діапазоні спектру.
. 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 –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,λ) потік сонячної УФ-радіації на висоті h в атмосфері, Ф(h',λ) –позаатмосферний потік сонячної УФ-радіації, оптична товща атмосфери. Об’ємний коефіцієнт послабленяя α(h,λ) можна записати у вигляді:
, (2)
де βM(h,λ) - коефіцієнт релеївського розсіювання, КM(h,λ)= σ(λ)N(h) + σ(λ)N(h) - cумарний коефіцієнт поглинання молекул озону і кисню, α(h,λ) - 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,λ) 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 УФРнаданій 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 длядіапазону 240340 нм із кроком 0,1 нм розраховувалися інтенсивності сонячної УФ-радіації при зенітних кутах Сонця 0°-70° для чотирьох моделей озоносфери - тропіки, літо, зимапомірних 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 зменшуєтьсяпри 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 – (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/м·ср·нм) для тропічної моделі ВРКО
Таблиця 4
Розрахункові значення зворотно розсіяної в зеніт сонячної УФ-радіації (мВт/м·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, деn –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 вихідної щілини 255,4 мм. Відомо, що лінзи з гіперболічною поверхнею мають менші сферичні аберації, але розрахунки показали несуттєвий практичний виграш при застосуванні їх в нашій схемі через їх хроматичні аберації.
Для формування спектрометричних каналів для вимірювання ВМХ використовуються два інтерференційні фільтри в нульовому порядку спектра першої гратки, в якому відсутнє спектральне розкладання випромінювання.
На результати спектрометричних вимірювань УФ-радіації впливають орієнтація її площини і ступінь поляризації, тому що дифракційний подвійний монохроматор, як й призмовий, має власну поляризаційну дію, яка може призвести до похибки вимірювальних даних в 70%. Експерименти показують, що спектральна поляризаційна чутливість визначається системою диспергуючих елементів та шириною вхідної щілини.
Таблиця 5
Для компенсації неконтрольованого поляризаційного впливу апаратури на результати вимірювань, по обидва боки маски проміжних щілин симетрично установлюються ротатори площини поляризації та фазозміщуючі пластини. Для симетричної схеми подвійного монохроматора поворот площини поляризації на 90 при переході з однієї половини монохроматора до іншої робить монохроматор поляризаційно нечутливим. Оптичні властивості реальних оптично активних речовин, які повертають площину поляризації, залежать від довжини хвилі. Тому ротатор площини поляризації, з кутом повороту 90 для середини спектрального діапазону, для інших довжин хвиль буде давати значення повороту дещо інші. Для розширення діапазону компенсатора поляризуючої дії використовуються “чверть хвильові” фазозміщуючі пластинки.
Випромінювання із довільною поляризацією може бути описане вектором Джонса, який на вході системи оптичних елементів подвійного монохроматора має вигляд:
, (3)
де та - амплітуди простих лінійних гармонічних коливань компонент електричного поля вздовж осей х та у, - світловий вектор на вході; - зсув фаз між компонентами та , який набувається в системі головних площин одиночного монохроматора (одна з головних площин співпадає з площиною дисперсії); - сумарний поворот, який забезпечують ротатори; a, b - коефіцієнти поляризуючої дії монохроматора.
Поляризуюча дія подвійного монохроматора без системи компенсації за допомогою (3) дорівнює:
(4)
де .
Згідно (4) видно, що поляризуюча дія подвійного монохроматора буде нульовою, якщо =90о. Найбільш слабка залежність P(), при , близькому до 90o, буде для =90o. Зміщення фази, що вноситься монохроматором, мале (), тому перед проміжною щілиною та після неї можна розмістити фазозміщуючі пластинки, розраховані для ср робоч*ого спектрального діапазону з =90o, та ротатор з =45о. Товщина кварцового ротатора рівна d=/2(), де() - дисперсія -кварцу в напрямку оптичної осі.Фазова “чверть хвильова” пластина з одновісних кристалів -кварцу з поверхнями, вирізаними паралельно до оптичної осі кристалу, забезпечує затримку хвильового фронту. Розраховані значення дисперсії -кварцу наведені у дисертації.
Товщина пластинки “чверть хвилі” становить кілька мікрометрів - такі тонкі кристалічні пластинки виготовити не можна. Технологічніше виготовити дві пластинки товщиною до 1 мм, кожна з яких з взаємно перпендикулярними оптичними осями, які лежать в площині пластинок, а їх різнотовщинність видержані так, щоб забезпечити необхідний сумарний фазовий зсув.
Всі отримані вище результати вже можна використати для конструювання УФ-спектрометра, а також для виготовлення усіх без виключення його оптичних елементів та вузлів, але для його подальшого юстування та вимірювання й калібрування всіх його оптико-спектральних та енергетичних характеристик необхідне спеціальне метрологічне обладнання.
Метрологічне забезпечення. Ця частина містить описання метрологічної апаратури спеціально створеної для градуювання та юстування за допомогою еталонних джерел УФ-випромінювання. Програма калібрування вимагає створення нестандартних атестованих методик та стендових засобів для метрологічної атестації спектрометрів, які дозволяють вимірювати і центрувати робочі довжини хвиль спектральних каналів, досліджувати роздільну спектральну здатність і спектральну енергетичну чутливість робочих каналів, динамічний діапазон і поляризаційні властивості спектрометру, абсолютну спектральну чутливість; паразитне розсіяння та ін.
Градуювання центральних довжин хвиль та спектральної роздільної здатності супутникових УФ спектрометрів виконувались за методом побудови контуру згортки апаратної функції спектрометра з близьким до дельта-функції контуром спектральної лінії із змінною довжиною хвилі: , де –розподіл освітленості в площині Sвих вздовж лінії дисперсії; –розподіл освітленості в контурі спектральної лінії на вихідній щілині; A(x'-x) –апаратна функція. Якщо w(x) - дельта-функція, то контур згортки співпадає з апаратною функцією. Центральні довжини хвиль і роздільна здатність (як півширина апаратної функції) визначались на основі пакетів спектрограм, записаних для кожного спектрального каналу.
Блок-схема стендового метрологічного апаратурного комплексу зображена на рис. 7. Апаратура КПА-3 була спеціально створена для забезпечення повної функціональної автономної роботи спектрометра в лабораторних і заводських умовах, з можливістю повної імітації усіх режимів його роботи на борту супутника.
Апаратна функція стендового монохроматора СДЛ-1 має скінчені розміри, але набагато вужча, ніж апаратна функція озонометричного спектрометра, тому півширина апаратної функції останнього є різниця між півшириною контуру та півшириною апаратної функції СДЛ-1.
Енергетична спектральна чутливість (ЕСЧ) визначається як коефіцієнт пропорційності Sj у співвідношенні для кожного спектрального каналу U()= Sj,B() , деj = 1, ..., 12; U() –напруга вихідного сигналу спектрометра; B() –щільність енергетичної яскравості (СГЕЯ) випромінюваної поверхні тестового джерела.
Джерелами випромінювання для короткохвильової частини УФ спектру служили атестовані лампи ДНК-90, а для довгохвильової - лампи ТРУ-1100-2350. ЕСЧ спектрометра для кожного каналу розраховується за формулою:
, (5)
де значення спектральної яскравості B()=1,03Bатм(), n –число вимірів в полі зору спектрометра; Uі, Кі –виміряні значення вихідного сигналу та коефіцієнта передачі по напрузі підсилюючого блока спектрометра для кожного положення лампи; B() –спектральна яскравість лампи; л –площа випромінюючої поверхні лампи; Kj–коефіцієнт передачі по напрузі підсилюючого блоку спектрометру для кожного каналу підсилення; r –відстань випромінюючої поверхні джерела до Sвх спектрометра, Ω –половинне поле зору спектрометра.
Рис. 7. Блок-схема апаратурного комплексу для досліджень і вимірювань центральних довжин хвиль, спектральної роздільної здатності, енергетичної спектральної чутливості УФ спектрометру. БП ДНК, СНП-40, УБП-1 –блоки живлення для ламп ДНК-90, ТРУ-1100-2350 та спектрометра відповідно; КПА-3 –спеціальна контрольно-перевірочна апаратура.
В діапазоні спектру 280-380 нм точність градуювання робочих засобів вимірювань СГЕЯ дорівнює приблизно 8%.
При градуюванні за точковим джерелом зв’язок між напругою вихідного сигналу спектрометра та яскравістю робочого джерела випромінювання визначається за формулою, яка враховує чутливість по полю зору:
, (6)
де , –кутові координати джерела в полі зору спектрометра; В() –спектральна щільність енергетичної яскравості випромінюючого тіла джерела; д –площа випромінюючої поверхні джерела; () –коефіцієнт пропускання спектрометра. Вимірювання виконуються для фіксованих положень джерела в координатах (i, j) в площині, перпендикулярній до оптичної осі. Спектральна чутливість спектрометру описується і визначається передаточною функцією Р():
(7)
де , –кутові зміщення лампи в полі зору. Формула для протяжного джерела аналогічна формулі (6).
З лампою ЛЛС-0,7 градуювання можна було зробити тільки в інтервалі малих УФ потоків. В середній частині робочого спектрального діапазону використовується потік від лампи ДНК-90.
Середня по полю зору чутливість для протяжного джерела:
. (8)
Мінімальна потужність випромінювання (гранична чутливість), визначається величиною оптичного сигналу на Sвих монохроматора, при якому на виході спектрометру відношення сигнал/шум = 1.
Сама передаточна функція і кількість розсіяного в монохроматорі випромінювання залежить від яскравості вимірюваного об’єкту, від якої залежить. При вимірюваннях динамічного діапазону між УФ джерелом і вхідною щілиною спектрометра установлювались обойми з набором атестованих нейтральних світлофільтрів НС-6, НС-12 із заданою шкалою коефіцієнтів їх пропускання. І при градуюванні чутливості, і при вимірюванні динамічного діапазону важливо забезпечити незмінну частину паразитного розсіювання в спектрометрі відносно потоку, що потрапляє до спектрометра.
Градуювання вузла орбітального калібрування зводиться до вимірювання індикатриси спектрального коефіцієнта яскравості ламбертівського розсіювача.
Для детального дослідження апаратура БУФС градуювалась на синхротроні в Новосибірську.
Вперше спектральна щільність енергетичної яскравості дейтерієвої лампи в ближньому УФ-діапазоні була визначена на синхротроні DESY із сумарним середньоквадратичним відхиленням результатів вимірювань в 4%. Стандартна невизначеність відновлення розміру одиниці спектральної густини енергетичної освітленості для ближньої УФ-радіації становила 0,07%. А стандартна невизначеність відновлення розміру одиниці спектральної щільності сили випромінювання для ближнього ультрафіолету склала 0,3%. Отже похибка еталонних вторинних джерел перестала обмежуватися похибкою первинного еталонного джерела і визначається їх власною нестабільністю. Стандартна невизначеність переносу розміру одиниці СГЕО в діапазоні 200-400 нм на вторинні еталони –дейтерієві лампи і фільтрові радіометри - складала відповідно 2% і 1%. Для переходу від джерела СХВ до еталонних УФ-приймачів у схемі переносу СГЕО як монохроматичний робочий еталон використовується дейтерієва лампа із малогабаритним монохроматором і комплектом інтерференційних фільтрів. Вплив різного ступеню поляризації синхротронного монохроматичного джерела досліджується обертанням монохроматичного джерела навколо оптичної осі без порушення вакууму.
Визначення поляризуючої здатностi поляризаторiв проведено для всiх робочих довжин хвиль як з компенсаторами для зменшення поляризацiйної дiї, так й без них - для визначення ефективностi їх роботи. Повна деполяризація випромінювання досягалася при дифузному відбиванні від плоского екрану з товстим шаром окису магнію. Попередньо вимірювалась поляризація джерел випромінювання, а потім вимірювались інтенсивності випромінювання на виході поляризатора для всіх робочих довжин хвиль. При цьому брався один досліджений поляризатор, а замість другого поляризатора - бортовий УФ-спектрометр-озонометр.
Всього було розроблено і виготовлено три покоління космічних озонометричних УФ-спектрометрів, які випробувалися на космічних апаратах "Космос", "Метеор", "Метеор-Природа", "Ресурс" та "Океан", починаючи із липня 1988 р.
Головне призначення апаратури БУФС - зареєструвати зміни озонового шару кліматичного характеру і різкі зміни в озоносфері, які мають самостійний геофізичний інтерес. Наявність різких змін в озоновому шарі ілюструє широтний розріз ЗВО (рис. 8б). Стрілки поблизу 35 та 74 п. ш. означають, що значення сумарного озону менше за 150 О.Д. Випадкова похибка вимірювань ЗВО 5-6%. На рис. 8а наведено приклад відновлення профілю концентрації, точніше значення вмісту озону в шарах інверсії в порівнянні з модельним профілем.
Рис. 8. ВРКО: () –експеримент, (----) –теорія, орбіта № 2346, 20.01.89, 53 п.ш. 5 з.д. (а) і
широтний розріз ЗВО для 20.01.89 (б).
В третьому розділі описується аерокосмічна апаратурна телевізійна система для дистанційного зондування стану рослинних біокомплексів (рис. 9) та основні результати її випробувань на літаках для дистанційного зондування територій Західного Сибіру, Прибалтики, України.
Рис. 9. Автоматична телевізійна спектральна установка аерокосмічної системи із знятим гермоконтейнером (верхньою і середньою частиною). Нижня частина гермоконтейнеру розміщена на монтажному столі. На верхній частині закріплено технологічний кронштейн для установки тестових джерел випромінювання.
Випробування проводились для двох варіантів апаратури: 6-канальна фільтрова спектрозональна система і система з поляризаційною насадкою ПФ-55 на вході. З різними наборами фільтрів, апаратура показала можливість дистанційного зондування кількості біомаси, вмісту вологи в рослинах, впливу агрохімікатів та важких металів, ідентифікації за спектральними ознаками, визначення стану та сезонних змін в масивах посівів жита і пшениці, оцінки масштабів забруднення нафтопродуктами територій суходолу та водних акваторій і інше. Масиви озимини (фази розвитку жита, стан посівів, вміст азотних речовин, враження хворобами) вивчались в спектральних каналах 550; 600; 670; 780; 870; 1110 нм. Зображення опрацьовувались і досліджувались за допомогою системи “Періколор” з набором сервісних програм для опрацювання одиночних і парних знімків. Чітко ідентифікувались водні і заводнені території, тундра, льодові поверхні, антропогенні ландшафти. Застосування кластерного аналізу зображень виявляло додаткові спектральні класи і характеристики.
Результати випробувань апаратури дозволили уточнити рекомендації для повного дистанційного зондування характеристик масивів озимої пшениці: 1) максимуми відбивання випромінювання знаходяться в смугах 300-400 нм і 510-570 нм, мінімум - в смузі 590-690 нм, а для здорових вегетуючих рослин зростає в діапазоні 710-900 нм; 2) в смузі 510-570 нм добре вимірювати вміст хлорофілу, кількість якого безпосередньо зв’язане з біомасою рослин, максимум поглинання хлорофілу є також в інтервалі 630-690 нм і цей же інтервал найінформативніший для класифікації видів рослинних біокомплексів. Контроль за пігментацією і вмістом води в рослинах найкраще проводити в інтервалі 760-900 нм. Характерні середньостатистичні розміри полів в лісостеповій і степовій зонах України - 10 м. Дистанційне зондування необхідно виконувати при зенітних кутах Сонця близьких до 45о, що для України визначає час спостережень з 10 до 14 години за місцевим часом, зміна висоти Сонця від 40о до 50о дає можливість тримати похибку вимірювань освітленості на потрібному рівні в 5% при стандартній прозорості України та азимуті Сонця відносно курсу літака 120о-160о. Оптимальна періодичність зондування 15 діб з калібрувальними вимірюваннями ранньою весною і пізньою осінню –в ці періоди пшеничні масиви різко відрізняються від інших. Обов’язкове контрольне зондування взимку (через кілька діб виникнення снігового покриву) для оцінки антропогенних факторів, перед сівбою бажано зондування стану грунтів.
Результуючий ефект УФ-стресів в рослинних біокомплексах на різних стадіях їх розвитку повинен проявлятися також у видимому діапазоні спектру, але дуже складним для розпізнавання чином. Спектральні характеристики рослинності змінюються на протязі періодів їх вегетації і залежать від структури листя, вмісту води в тканині листків, пігментації в процесі вегетації рослин, ступеню і виду захворюваності рослин. Нові можливості виявлення ефектів УФ-стресів в рослинних біокомплексах пов’язані з розвитком нових методів підвищення ефективності дистанційних досліджень - комплексування даних зйомок, використання різних методик синтезу синхронних і різночасових спектрозональних зйомок біокомплексів, обробки даних і моделювання природних систем за результатами різних за методикою експериментів. Такі синергетичні методи значно підвищують ймовірності інтерпретації результатів при одержанні й обробці інформації.
Комплексування супутникових даних та авіаційної поляриметрії дозволяє одержати розподіл біомаси рослинності, картування і класифікації лісів, визначення температури підстилаючої поверхні й одержати стійкі кореляційні залежності цих параметрів та оптико-спектральних параметрів рослинних масивів.
Нарешті, сукупна інтерпретація даних альтиметричних вимірювань ERS і оптики Landsat є високоефективною при дослідженні арктичних та антарктичних льодових масивів.
Впровадження і розвиток нових технологій для природоресурсного та екологічного світового аерокосмічного планетознавства, потрібно створювати нові покоління 100-каналних гіперспектральних апратурних систем із 1-метровою розподільчою географічною здатністю зображень в видимому та УФ діапазонах спектра при спектральній ширині каналів не гірше 3 нм.
В четвертому розділі виконано огляд сучасного стану проблеми надглибокого термопроникнення в літосферу. Застосування термобуріння почалось для наукових досліджень льодових товщ Арктики та Антарктиди і привело до появи теорій тепломасопереносу в крижаних породах із зміною агрегатного стану внаслідок руху джерела тепла. Інженерно концепція теплових джерел зводилась до електротеплогенератора і не дозволяє здійснити надглибоке проникнення внаслідок складних термобаричних умов в глибинних надрах і великих втрат електроенергії при її передачі до забою.
В дисертації формулюється і розв’язується проблема теоретичного та фізико-технічного обгрунтування принципової можливості практичної реалізації надглибокого термопроникнення за допомогою автономного термозонду. Формулюється постановка задачі про тепломасоперенос в шарі розплаву та в твердій породі при гравітаційному рухові теплоджерела при проплавленні оточуючих порід. В існуючих теоріях точкові, лінійні та плоскі джерел тепла рухаються в твердому тілі без зміни його агрегатного стану. А задача з урахуванням фазового переходу в середовищі для рухомих теплоджерел кінцевих розмірів довільної форми, раніше не розв’язувалась.
В даному розділі розглянуто систему “автономний термозонд-розплав-порода”, з потужним рухомим термоджерелом в масиві, який плавиться (рис.10). Теплову взаємодію елементів даної системи здійснює рухомий шар розплаву. Процеси в навколозондовій області розглядаються в дисертації в обсязі, необхідному для визначення швидкості гравітаційного занурення термозонду та основних теплофізичних характеристик системи “термозонд-розплав-порода”.
Рис. 10. Схематичне зображення навколозондової області системи
"термозонд-розплав-порода".
Математична модель досліджуваної системи створена при таких обмеженнях: 1) область двофазної перехідної зони з шириною обернено пропорційною потужному тепловому потоку, що до неї підводиться, з великим ступенем точності можна вважати достатньо гладкою поверхнею; 2) процеси тепломасопереносу, які розглядаються в рухомій системі координат, зв’язаній з термозондом, можна вважати квазістаціонарними в силу малої товщини шару розплаву і швидкого згасання температурних збурень в породі.
Прийняття постулату про квазістаціонарність дозволяє вважати, що шар розплаву є постійним по формі і розмірам, а граничні значення для поля швидкостей розплаву і температурних полів в розплаві та в породі не змінюються з часом.
При введених обмеженнях задача про гравітаційний рух термозонду в твердих проплавлюваних породах зводиться до вивчення процесу поширення тепла від термозонду через розплав до породи для її прогріву і плавлення, і до гідродинамічної задачі про перетікання розплаву від лобової до тильної частини термозонду. Необхідність розгляду сукупності теплофізичного та гідродинамічного аспектів задачі обумовлена наявністю загального параметру - швидкості гравітаційного руху термозонду. Самоузгодженість цих процесів в усталеному режимі дає можливість вважати, що швидкість термопроникнення рівна швидкості переміщення поверхні фазового переходу, тобто швидкості проплавлення породи.
Розроблена математична модель теплофізичних та гідродинамічних процесів системи “автономний термозонд-розплав-порода”являє собою систему стаціонарних диференціальних рівнянь в частинних похідних (9)-(13):
, (9)
vv (10)
, (11)
, (12)
(13)
з відповідними граничними умовами (рис. 10):
(14)
Індекси "з" відносяться до термозонду, а індекси "р" - до розплаву, без індексу - тверді породи. Розв’язання цієї системи дозволяє отримати будь-які параметри досліджуваних процесів. Але отриманню розв’язку даної задачі, при спробі застосувати наближенні методи інтегрування при машинних розрахунках, заважає неозначеність (незаданість) поверхні плавлення. Отримані іншими авторами експериментальні й теоретичні дані для термобуріння, дають загальну уяву про характерну особливість термопроникнення - малу товщину шару розплаву, відношення якої до характерних розмірів навколозондової області має порядок 10-310-4. Для сформульованої нами задачі для надглибоких умов і конкретних, реально можливих габаритно-масових та потужністних характеристик термозонду, цей факт ретельно досліджується в дисертації. Прийняття його як робочої гіпотези дає можливість досить точно визначити граничні поверхні та граничні умови. Алгоритм розв’язання даної задачі також наведено в дисертації.
Дослідження профілю швидкостей розплаву дозволили виконати наближене інтегрування рівнянь поширення тепла в розплаві та в породі шляхом зведення об’ємних інтегралів до інтегралів по граничних поверхнях і одержати умову теплового балансу в навколозондовій області для щільності теплового потоку з робочої поверхні термозонду:
, (15)
яка зручна для якісного аналізу процесів і є вихідною для визначення основних характеристик.
Головними показниками ефективності процесу термопроникнення є швидкість та коефіцієнт корисної дії –ККД, який формулюється нами як відношення теплового потоку витраченого на прогрів породи в лобовій зоні до температури плавлення та на процес плавлення до повного теплового потоку, що надходить з поверхні термозонду. Використання (7) для густини вихідного теплового потоку дозволило якісно проаналізувати залежність ККД від параметрів досліджуваної системи та визначити шляхи його збільшення:
(16)
де S* - частина поверхні фазового переходу, що відповідає лобовій зоні, - кут між вектором руху та нормаллю до поверхні фазового переходу.
Вираз (16) свідчить, що ККД зменшується із зростанням температури робочої поверхні Тз, а також залежить від форми робочої поверхні і від форми поверхні плавлення та швидкості термопроникнення.
В даному розділі також сформульована одна з найважливіших задач математичної теорії тепломасопереносу - задача оптимізації процесу термопроникнення, а саме, вибір оптимальної форми поверхні термозонду для досягнення максимальної швидкості термопроникнення. Наближене інтегрування рівнянь гідродинамічних процесів дало аналітичну залежність швидкості термопроникнення від параметрів системи "автономний термозонд-розплав-порода":
, (17)
де g - модуль прискорення вільного падіння; ap - температуропровідність розплаву; Р- тиск в шарі розплаву; - середнє значення кінематичної в’язкості розплаву; - так звані інтегральні коефіцієнти форми.
Співвідношення (17) дає можливість визначити оптимальні значення цих коефіцієнтів, тобто форму зовнішньої поверхні термозонду, форму поверхні фазового переходу, а також їх розташування відносно напрямку руху, які забезпечують максимальну швидкість термобуріння шляхом контактного проплавлення оточуючих порід. Оцінку швидкості термопроникнення розглянуто для трьох випадків: 1) поверхня термозонду і поверхня фазового переходу мають повну симетрію; 2) поверхня термозонду має повну симетрію, а поверхня фазового переходу - осьову; 3) поверхня термозонду має осьову симетрію, а поверхня фазового переходу - повну.
Для сферичного та циліндричного термозондів з допомогою запропонованого методу здійснено порівняльну оцінку швидкостей. Зроблено висновок про оптимальну сферичну форму термозонду і про необхідність забезпечення такого розподілу теплових потоків на його поверхні, при якому досягається максимальна наближеність форми поверхні плавлення до зовнішньої поверхні термозонду.
Методику оцінки основних інженерних параметрів процесу термопроникнення розроблено для реальних габаритно-масових характеристик автономного термозонду; швидкості термопроникнення u; товщини шару розплаву на лобовій поверхні h; максимальної товщини розплаву бічної зони rкр; розподілу температури та щільності теплового потоку на робочій поверхні термозонду; оцінки потужності термоджерела та ККД термопроникнення. Для розрахунків обрано циліндричну модель з гріючими бічною циліндричною поверхнею та нижнім торцем. Одержано алгоритм розрахунків вихідних інженерних параметрів термопроникнення:
. Вибір оптимальної температури робочої поверхні термозонду Т, визначення температурного перепаду в шарі розплаву TpT-T.
2. Оцінка швидкості термопроникненя:
а) в гірській породі: б) в кризі:
де .
3. Оцінка товщини шару розплаву на лобовій поверхні термозонду:
а) для гірської породи: ; б) для криги: (18)
4. Оцінка максимальної товщини термоканалу бічної зони:
. (19)
5. Оцінка теплової потужності термозонду:
де . (20)
6. Визначення ККД процесу контактного термопроникнення:
. (21)
Розрахунки для циліндричного термозонду з масою 5010кг, радіусом і висотою 1м для порід типу базальт та льоду, свідчать, що метод надглибокого термопроникнення не має фізико-технічних та інженерно-конструкторських суперечностей для його реалізації. Розроблений алгоритм використано для розрахунків інженерних параметрів контактного термоплавлення технічного вазеліну установкою “Термобат-4,5”. Співставлення розрахованих та експериментальних даних свідчить про високу точність та ефективність алгоритму.
Реалізація автономного надглибокого термозонду з використанням ядерного пального ставить жорсткі вимоги до конструкційних матеріалів для їх експлуатації в складних термобаричних умовах при хімічній агресивності розплавлених порід: термостійкість, механічну міцність, хімічну та радіаційну стійкість. Є два класи тугоплавких матеріалів - карбідна і нітридна кераміки. Тугоплавкі метали, їх сплави з вуглецем, азотом не мають хімічної стійкості та інтенсивно окислюються, але в інертному середовищі можуть використовуватись в конструкції внутрішніх вузлів. Напівпровідникова природа карбідної кераміки та деяких металевих сполук і значна залежність їх електричних властивостей від температури можуть ефективно використовуватись для контрольних і керувальних бар’єрних датчиків. Карбідна і нітридна кераміки використовуються в електротермічній техніці, тому технології їх обробки досить розвинуті.
Згідно з розрахунками міцності конструкція термозонду (рис. 11) повинна мати сферичний корпус (1) із тугоплавких матеріалів із тепловиділяючими елементами (2) потужність яких визначається енергоємністю експерименту. Сферична форма корпусу дозволяє регулювати температурні режими у середині та на поверхні термозонду для його маневрування відносно гравітаційної вертикалі. Нарешті, сферична конструкція є оптимальною для отримання максимальної швидкості занурення термозонду. Для контролю функціонування термозонду, служать контрольні (4) та керуючі (5) бар’єрні датчики, які реагують на задані порогові значення тиску, температури, густини розплаву, швидкості проникнення, на хімічний склад порід. Інформація передається від датчиків за допомогою бортових телеметричних пристроїв (7) до наземного пункту контролю і управління роботою та технічним станом термозонду. На рис. 11 зображені бортові системи (3) для управління твелами (6), які повинні мати механічну, термомеханічну, термоелектричну, або електромеханічну основу роботи, тому що використання електроніки обмежено високими температурами; (8) - пристрої для відбору проб оточуючих порід та експрес-аналізатори для їх бортового аналізу.
Рис. 11. Схематичне зображення конструктивних особливостей термозонду.
Для забезпечення довготривалої концентрації великої теплової потужності на забої можливим теплогенератором може бути малогабаритний ядерний реактор на швидких нейтронах. Виходячи з енергоємності і тривалості транскорового проникнення, отримано оцінку необхідної кількості урану-235, в залежності від коефіцієнта вигорання в межах від 125 до 600 кг.
Використання ядерного пального вимагає дослідження екологічної безпеки внаслідок можливої аварійної розгерметизації ядерного термоджерела. В дисертації розроблено математичну модель міграції радіонуклідів у водоносному шарі грунту та в гірських породах. Виконані розрахунки з використанням методу кінцевих різниць свідчать, що при певних умовах роботи забруднення радіоактивними речовинами оточуючого середовища не відбувається.
ВИСНОВКИ
1. Розроблено і доведено до натурних випробувань в умовах відкритого космосу новий апаратурний УФ-комплекс, здатний виконувати вимірювання ЗВО і ВРКО з оптимальними часовими інтервалами за надирною геометрією у відповідності із станом наземної приймальної апаратури.
Для географічного інтервалу усереднення (500 км) похибка виміру для ЗВО становить 3%, а відповідна похибка для ВРКО становить 7-12% при інтервалі усереднення 1000 км.
. Вперше виконано теоретичні розрахунки и створено оптико-фізичні схеми подвійних монохроматорів для космічних УФ-спектрометрів з коефіцієнтом подавлювання паразитно розсіяної УФ-радіації 10-6 на базі сферичних класичних і некласичних дифракційних гратках з постійним і змінним кроком нарізки штрихів.
Застосування некласичних дифракційних граток із змінним кроком нарізки штрихів, які дозволили цілеспрямовано перерозподілити енергію випромінювання і максимально сконцентрувати її в робочому спектральному порядку, збільшило відношення сигнал/шум в 1,5-2 рази.
. Вперше для підвищення прецизійності, надійності і безпечності юстування подвійного монохроматора, його оптико-фізична схема була розроблена так, що дозволяла виконувати контрольне високопрецизійне юстування всіх оптичних елементів схеми в видимому діапазоні спектру із застосуванням джерел випромінювання видимого діапазону без наступного порушення спектральних параметрів схеми після її повернення в режим роботи в УФ-діапазоні спектру. Реалізація такої методики юстування здійснена шляхом розробки універсальної схеми подвійного монохроматора з меридіональним, двоповерховим розташуванням дифракційних граток без порушення умов сагітальності їх роботи.
Створений УФ-монохроматор дозволяє вирішувати одночасно дві задачі: озонометричні вимірювання ЗВО і ВРКО та вимірювання загальної вмісту кисню і висоти верхньої межи хмар на довжинах хвиль безпосередньо в смузі поглинання кисню (738 нм) та у вікні прозорості атмосфери (762 нм).
. Вперше розроблено систему компенсації поляризаційного впливу дифракційного симетричного подвійного монохроматора на результати вимірювань УФ-радіації. Використання цієї системи компенсації дало можливість повністю виключити поляризаційний вплив монохроматора на довжині хвилі 325 нм і знизити його більш ніж в 2 рази на краях робочого спектрального інтервалу.
. 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.
Створений метрологічний апаратурний УФ-комплекс, атестований як нестандартне обладнання для виконання складних метрологічних процедур: центрування довжин хвиль та енергетичної спектральної чутливості робочих спектральних каналів на базі точкових і площинних джерел випромінювання, градуювання ламбертівських розсіювачів сонячного випромінювання для орбітального калібрування УФ-спектрометра, атестація поляризаційних характеристик.
6. Розроблено оптико-фізичну концепцію стоксметра для атмосферних спектрополяриметричних вимірювань. Показано, що для приладу, в якому при вимірюванні малих поляризацій (декілька відсотків) позиційний кут може визначатися с похибкою 1,52,5, необхідна точність вимірювань 0,3 може бути реалізована лише за рахунок статистики.
. Вперше здійснено математичну постановку задачі надглибокого ко-нтактного термопроникнення шляхом проплавлення оточуючого середовища внаслідок руху в ньому під дією гравітації джерела тепла довільної форми та розроблено підхід до її розв’язання. Сформульована та розв’язана задача оптимізації процесу контактного термопроникнення.
Суть фізичної ідеї полягає в тому, що в силу низької теплопровідності гірських порід земної кори, затухання теплових збурень в навколозондовій області в напрямку лобової поверхні складає всього кілька сантиметрів, а товщина шару розплаву в лобовій зоні термозонду дуже мала в порівнянні з характерними розмірами термозонду (порядку 10-510-6 ), що й забезпечує високу ефективність використання теплової енергії для проплавлення порід.
. Вперше розроблено метод оцінки значень основних інженерних параметрів контактного термоплавлення низькотеплопровідних речовин. Розроблено основи інженерно-технічної концепції автономного термозонду як засобу для надглибокого проникнення в надра літосфери Землі.
Отримано співвідношення між швидкістю проникнення і температурою робочої поверхні термозонду, яке дозволило одержати чисельні значення швидкості для гірських порід (=(1,0851,825)10-4 м/с при 14001600 С) і льоду ( = (7,6923,10)10-4 м/с при 1090С).
9. Вперше розроблена нова методологія термобуріння для контактного проникнення в глибинні надра літосфери Землі з використанням ядерного реактора як теплогенератора для забезпечення тепловою енергією проплавлення тугоплавких порід. Цей підхід може дозволити здійснити транскорове проникнення і проводити геотехнічні та геопромислові експериметни, оскільки метод контактного проникнення не має альтернативи за швидкістю і глибиною проникнення в глибинні надра.
СПИСОК ОСНОВНИХ ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ
Ващенко В.М. Активні і пасивні методи і прилади для моніторингу аеро-, біо- і літосфери Землі. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01 –фізика приладів, елементів і систем. –Одеський національний політехнічний університет, Одеса, 2003.
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.
Теоретично обгрунтовано і створено оптико-фізичні подвійні монохроматори для космічних УФ-спектрометрів з коефіцієнтом подавлювання паразитно розсіяної УФ-радіації 10-6. Розроблено універсальний подвійний монохроматор з підвищеною прецизійністю і надійністю, який дозволяє виконувати контрольне високопрецизійне юстування всіх оптичних елементів схеми в видимому діапазоні спектру.
Розроблено систему компенсації поляризаційного впливу дифракційного симетричного подвійного монохроматора на результати вимірювань УФ-радіації. Створено метрологічний апаратурний комплекс для юстування і градуювання енергетичної спектральної чутливості та динамічного діапазону УФ-спектрометра-озонометра.
Модифіковано оптико-фізичну концепцію стоксметра для космічних спектрополяриметричних вимірювань атмосферних компонент в УФ-діапазоні спектру (220-300 нм).
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.
Ключові слова: УФ-спектрометр, зворотне розсіювання, сонячна УФ радіація, космічна озонометрія, аеро-, біо- і літосфера Землі, надглибоке термопроникнення, термозонд.
Vashchenko V.M. Active and passive methods and devices for monitoring aero- , bio- and lithosphere of Earth. Manuscript.
Thesis for Doctor's degree by the speciality 01.04.01 –physics of devices, elements and systems. –Odessa National Polytechnic University, Odessa, 2003.
The new apparatus complex able to perform the simultaneous measuring of ozone total content and vertical distribution of ozone concentration with the optimal time intervals for nadir geometry in accordance to the ground-based receiving equipment state was developed and carried to actual tests in open space.
The optical-physical double monochromators with suppression factor of parasite dissipated UV radiation 10-6 for space UV-spectrometers was theoretically grounded and created. Universal double monochromator with enhanced precision and reliability, which makes it possible to adjust with high precision all optical elements of circuit in the visible range of spectrum, was developed.
The system for polarization compensation of diffraction symmetric double monochromator on results of the UV-radiation measuring is developed. The metrological apparatus complex for the adjustment and calibration of UV spectrometer-ozonometer energy spectral sensitivity and dynamic range was created.
Optical-physical conception of stokemeter for the space spectral-polarimetric measurements of atmospheric components in spectrum UV range (220-300 nm) is modified.
The new jet piercing conception for the contact penetration in the deep interior of the Earth's lithosphere using the nuclear reactor as heat-generator for thermal energy providing the melting process of refractory layers is proposed.
Keywords: UV-spectrometer, backscattering, solar UV radiation, space ozonometry, aero-, bio- and lithosphere of Earth, ultradeep thermo-drilling, hot probe.
Ващенко В.Н. Активные и пассивные методы и приборы для мониторинга аеро- , біо- и литосферы Земли. Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-матема-тических наук по специальности 01.04.01 –физика приборов, элементов и систем. –Одесский национальный политехнический университет, Одесса, 2003.
Разработан и доведен до натурных испытаний в условиях открытого космоса новый аппаратурный комплекс, способный выполнять одновременные измерения общего содержания озона и вертикального распределения концентрации озона с оптимальными временными интервалами для надирной геометрии в зависимости от состояния наземной приемной аппаратуры.
Теоретически обоснованы и созданы оптико-физические двойные монохроматоры для космических УФ-спектрометров с коэффициентом подавления 10-6 паразитной рассеянной УФ-радиации на базе сферических классических и неклассических дифракционных решеток с постоянным и переменным шагом нарезки штрихов. Разработанный УФ-спектрометр открывает возможность выявления так называемых озонных минимумов и максимумов, которые связаны с образованием и эволюцией вихревых структур в атмосфере Земли, и, тем самым, улучшить прогнозы образования и развития циклонов и антициклонов.
За счет меридионального двухярусного расположения дифракционных решеток без нарушения условий сагитальности их работы разработан универсальный двойной монохроматор с повышенной прецизионностью и надежностью, который позволяет выполнять контрольное высокопрецизионное юстирование всех оптических элементов схемы в видимом диапазоне спектра с применением источников излучения видимого диапазона без последующего нарушения спектральных параметров схемы после ее возвращения в режим работы вУФ-диапазоне спектра.
Разработана система компенсации поляризационного влияния дифракционного симметричного двойного монохроматора на результаты измерений УФ-радиации.
Создан метрологический аппаратурный комплекс для юстирования и градуирования энергетической спектральной чувствительности и динамического диапазона УФ-спектрометра-озонометра. Для повышения точности градуировки спектральной энергетической чувствительности УФ-спектрометра, была проведена контрольная градуировка вторичных рабочих источников излучения и самого УФ-спектрометра по синхротронному излучению.
Модифицирована оптико-физическая концепция стоксметра для космических спектрополяриметрических измерений атмосферных компонент в УФ-диапазоне спектра (220-300 нм).
Осуществлена математическая постановка задачи сверхглубокого контактного термопроникновения путем проплавления окружающей среды в результате движения в ней под действием гравитации источника тепла произвольной формы и разработан подход к ее решению. Сформулирована и решена задача оптимизации процесса контактного термопроникновения.
Разработан метод оценки значений основных инженерных параметров контактного термоплавления низкотеплопроводных веществ. Разработаны основы инженерно-технической концепции автономного термозонда как средства сверхглубокого проникновения в недра литосферы Земли.
Разработана новая концепция термобурения для контактного проникновения в глубинные недра литосферы Земли с использованием атомного реактора в качестве теплогенератора для обеспечения тепловой энергией проплавливания тугоплавких пород. Этот подход может позволить осуществить транскоровое проникновение и геотехнические и геопромышленные эксперименты.
Разработанные в диссертации методы, аппаратура и полученные экспериментальные результаты могут быть использованы для исследований и оперативного контроля экологического состояния аеросферы и биосферы, а также для моделирования реакции озоносферы на антропогенные нагрузки и естественные метеоклиматические и геокосмические процессы.
Ключевые слова: УФ-спектрометр, обратное рассеяние, солнечная УФ радиация, космическая озонометрия, аэро-, био- и литосфера Земли, сверхглубокое термопроникновение, термозонд.