Ионосферный лидар для диагностики ионосферной плазмы

Лидарная станция диагностики средней и верхней атмосферы ИКИР ДВО РАН установлена и запущена в эксплуатацию в 2010 году составе:

Передающая система:

  • Твердотельный Nd:YAG лазер Brilliant-B с частотой 10 Гц, длиной волны 532 нм и энергией импульса 0.4 Дж.
  • Лазер на красителях TDL-90 с перестраиваемой частотой.
  • Твердотельный Nd:YAG лазер YG982E с возможностью работы как на длинах волн 355 нм (0.8 Дж/имп), 532 нм (1.2 Дж/имп) и 1064 нм (2.4 Дж/имп), так и в качестве лазера накачки для лазера TDL-90.

Приемная система:

  • Крупногабаритный телескоп Ньютона с диаметром основного зеркала 60 см. Принятый телескопом сигнал может подаваться целиком на ФЭУ либо на спектрофотометр SP-2500i, либо делиться и подаваться на оба приемника одновременно. В зависимости от задачи эксперимента, разделение может происходить по интенсивности либо по полосам частот спектра принятого сигнала.
  • Телескоп Кассегрена с диаметром основного зеркала 26 см для регистрации рэлеевского рассеяния нижней стратосферы.
  • Спектрофотометр SP-2500i с пикосекундной камерой PicoStar HR 12. Может использоваться в качестве узкополосного светофильтра с нужной длиной волны.
  • Фотоумножители ФЭУ Hamamatsu H8259-01, счетчики фотонов  Hamamatsu M8784 (2 комплекта).
  • Предусмотрена возможность регистрации спектрофотометром свечения ночного неба через объектив обычного фотоаппарата Nikon.

Оборудование находится на территории института в техническом здании №1.

 

Laser_TDL-90

Рис. 1. Лазер TDL-90 c перестраиваемой частотой и лазером накачки YG-982E, стойка регистрации данных.

 

Telescope

Рис. 2. Телескоп, фотоэлектронный умножитель, спектроанализатор SP-2500i с камерой PicoStar HR 12.

 

Установка предназначена для:

  1. Регистрации рэлеевского рассеяния лазерного излучения аэрозолями в области стратосферы и мезосферы (10-80 км).
  2. В настоящее время основным направлением работы станции является исследование резонансного рассеяния лазерного излучения атомами и ионами верхней атмосферы (150-300 км). В этой области высот обнаружено резонансное рассеяние излучения твердотельных лазеров при работе на длине волны 532 нм. Установлено, что рассеяние происходит на ионах атома азота в возбужденных состояниях.
  3. Имеется возможность использования резонансных переходов ионов верхней атмосферы на других длинах воле в диапазоне 350-750 нм.

Основная цель использования оборудования

Перестраиваемый лазер на красителе TDL 90 с накачкой лазером YG 980 и анализатор спектра оптического излучения на базе пикосекундной камеры PicoStar используются в составе лидарного комплекса на Камчатке для исследования оптических характеристик атмосферы в условиях повышенной солнечной активности и интенсивных геофизических процессов.

Основные научно-технические задачи

С помощью лидарного комплекса на Камчатке исследуется динамика атмосферного аэрозоля на высотах до 80 км и его влияние на распространение радиоволн коротковолнового диапазона. Особенно ярко эти эффекты проявляются в периоды зимних стратосферных потеплений. Интерес к стратосферному аэрозолю связан с возможными изменениями погоды и климата.

Образование в июне-июле микрокристаллов льда на высотах 90-100 км вызывает весьма редкое в среднеширотной атмосфере явление - появление серебристых облаков.

Перестраиваемое лазерное излучение и спектральное регистрирующее оборудование позволяет исследовать состояние ионосферной плазмы в условиях интенсивных космических и геофизических процессов. Лидарное зондирование атмосферы на Камчатке сопровождается комплексными радионаблюдениями: ионосферными наблюдениями, измерениями магнитных и электрических полей, регистрацией оптического свечения ночного неба и интенсивности космических лучей. Для наблюдений за различными слоями атмосферы используются также данные спутниковых систем.

Комплекс оптического и радиофизического оборудования может эффективно использоваться в исследованиях динамики естественных и искусственных ионосферных неоднородностей.

Основные научные результаты

Предложен новый метод лазерного зондирования ионосферной плазмы, основанный на использовании возбужденных атомов. Дано обоснование механизма рассеяния лазерного излучения в F2 слое ионосферы. Получены данные лидарных наблюдений, подтверждающие эпизодическое появление светорассеивающего слоя на высотах 150-300 км.

Обнаружена корреляция между суммарным от области 200-300 км слабым лидарным сигналом и нетипичным для ночных условий заметным ростом ионизации в максимуме слоя F2 ионосферы. Явление сопровождается появлением слоев Es корпускулярного типа на высотах 110-150 км, может происходить как во время геомагнитных возмущений, так и в магнитоспокойных условиях. Появление этих слоев свидетельствует о наличии высыпаний сверхтепловых электронов с энергией 0.1-10 кэВ. Оценки показывают, что корреляции могут быть объяснены резонансным рассеянием лазерного излучения на молекулах и атомах верхней атмосферы в возбужденных состояниях, образующихся при электронном ударе.

Разработан ионосферный лидар (лазерный ионозонд) для диагностики ионосферной плазмы на высотах 150-300 км с целью определения ее компонентного состава и пространственной структуры. Принцип действия - резонансное рассеяние света на возбужденных атомах в различных спектральных диапазонах.

Порядок доступа к работам на УНУ

Проведение работ на установке сторонними пользователями возможно. При этом необходимо иметь в виду что работа УНУ возможна только в условиях хорошей погоды в ночное время, по статистике на Камчатке таких дней в году набирается 50-60. Поэтому необходимо предварительно оговорить содержание эксперимента, примерные сроки его проведения, необходимые дополнительные комплектующие установки.

Контактная информация

vasily.v.bychkov@gmail.com – Бычков Василий Валентинович
bshev@ikir.ru – Шевцов Борис Михайлович
т. 8-41531-33-193, факс 8-41531-33-718 

Форма обратной связи

Вы можете оставить Ваш отзыв или предложение по теме данной статьи через форму обратной связи.