Исследование распространения электромагнитного излучения в искусственных атмосферных неоднородностях :

Краткое описание

Содержание

2 СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ...5

ГЛАВА 1 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

РАССЕИВАЮЩЕЙ СРЕДЫ...14

1.1 Характеристики аэрозольных частиц в атмосфере...14

1.1.1 Распределение размеров частиц дыма и алюминия в аэрозольной

среде...15

1.2 Искусственные аэрозольные образования и их характеристики...19

1.2.1 Скорость падения группы частиц...20

1.2.2 Методы и средства создания искусственных аэрозольных образований в атмосфере...24

Выводы к Главе 1...29

ГЛАВА 2 РАСЧЕТ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧАСТИЦ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ НЕОДНОРОДНОСТЕЙ В МИКРОВОЛНОВОМ И ИНФРАКРАСНОМ ДИАПАЗОНАХ ДЛИН ВОЛН...30

2.1 Оптические константы...30

2.2 Коэффициенты рассеяния, ослабления и поглощения частиц диэлектрических неоднородностей...35

2.3 Ослабление, рассеяние и поглощение электромагнитного излучения инфракрасного диапазона сферическими частицами сажи...37

2.4 Ослабление, рассеяние и поглощение электромагнитного излучения инфракрасного диапазона сферическими частицами алюминия...43

2.5 Ослабление, рассеяние и поглощение электромагнитного излучения сантиметрового диапазона сферическими частицами алюминия...51

2.6 Обратное рассеяние излучения частицами сажи и алюминия...53

2.7 Ослабление, рассеяние и поглощение инфракрасного излучения единичным объемом, содержащим частицы алюминия и сажи...63

2.8 Тепловое излучение и рассеяние частиц сажи и алюминия в

3 инфракрасном диапазоне длин волн...70

2.9 Рассеяние электромагнитных волн заряженными облачными

частицами...83

Выводы к Главе 2...89

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЭМИ В АЭРОЗОЛЬНЫХ ОБРАЗОВАНИЯХ В АТМОСФЕРЕ...93

3. 1 Аппаратура и методика проведения экспериментов...93

3.1.1 Измерения силы излучения и степени пропускания в спектральных диапазонах 3...5 мкм и 8... 14 мкм аэрозольными образованиями, формируемыми взрывом...95

3.1.2 Измерения тепловизионного контраста аэрозольных облаков...97

3.1.3 Определение поглощения электромагнитного излучения аэрозольными облаками в спектральном диапазоне 0,8.. .1,0 мкм...100

3.1.4 Определение радиационной температуры излучения аэрозольных облаков...101

3.2 Микрофизические характеристики аэрозольного облака, формируемого взрывом в натурных условиях...101

3.3 Результаты исследований в натурных условиях временных и радиоотражающих характеристик искусственных аэрозольных образований в атмосфере...113

3.3.1 Измерение тепловизионного (оптического) контраста...113

3.3.2 Измерения времени полного поглощения атмосферным образованием ИК излучения в спектральных диапазонах

3...5 мкм и 8... 14 мкм...115

3.3.3 Радиационная температура и сила излучения атмосферного образования в спектральных диапазонах 3...5 и 8...14 мкм...118

3.3.4 Измерение отраженного сигнала РЛС от искусственного аэрозольного облака, созданного с помощью взрыва...119

3.4 Теоретическая оценка интенсивности излучения сажевых частиц...124

4 3.5 Отражение излучения аэрозольного облака в инфракрасном и

сантиметровом диапазонах длин волн в направлении на источник

излучения (локатор)...125

Выводы к Главе 3...128

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...130

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...133

ПРИЛОЖЕНИЕ А Факторы эффективности рассеяния, ослабления,

отражения и поглощения частиц сажи в инфракрасном диапазоне длин волн и соответствующие им

коэффициенты...144

ПРИЛОЖЕНИЕ Б Факторы эффективности рассеяния, ослабления,

отражения и поглощения частиц алюминия в инфракрасном диапазоне длин волн и

соответствующие им коэффициенты...:...160

ПРИЛОЖЕНИЕ В Факторы эффективности рассеяния, ослабления,

отражения и поглощения частиц алюминия в сантиметровом диапазоне длин волн и

соответствующие им коэффициенты...174

ПРИЛОЖЕНИЕ Г Коэффициенты ослабления, рассеяния, отражаемости

и поглощения инфракрасного излучения единичным

объемом, содержащим частицы сажи...179

ПРИЛОЖЕНИЕ Д Коэффициенты ослабления, рассеяния, отражаемости

и поглощения инфракрасного излучения единичным

объемом, содержащим частицы алюминия...181

ПРИЛОЖЕНИЕ Е Коэффициенты ослабления, рассеяния, отражаемости

и поглощения элементарного объема частиц алюминия в сантиметровом диапазоне длин волн...183
Введение

5 ВВЕДЕНИЕ

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 поверхность -атмосфера.

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

6

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.

Особш 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 ИК- и СВЧ- излучения в искусственных аэрозольных облаках.

При проведении активных воздействий на процессы облако- и 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

7 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.

8 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.

9

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.

10

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 макро- и 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.

11

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.

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, изложена цель исследований, рассматриваются научная новизна и практическая ценность работы. Описываются методы проведения исследования и экспериментов. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В главе 1 приводится краткий обзор работ, посвященных исследованиям физико-химических свойств рассеивающей среды. Рассмотрены характеристики аэрозольных частиц алюминия и сажи в атмосфере. Показано, что на поглощение и рассеяние электромагнитных волн основное влияние оказывает распределение частиц по размерам и их

12 диэлектрические характеристики. Получены параметры функции

логнормального распределения частиц. Рассмотрены две категории аэрозольных сред: естественного и искусственного происхождения. Выведены формулы для определения скорости падения группы частиц. Кроме того, на основании патентного поиска, проводится анализ существующих и перспективных методов, средств и способов создания искусственных атмосферных образований в атмосфере.

Исходя из вышеизложенного анализа определяются задачи диссертации. В частности, актуальность проведения исследований поглощения, отражения электромагнитного излучения и других характеристик искусственных аэрозольных образований в атмосфере.

Глава 2 посвящена расчету оптических характеристик частиц диэлектрических неоднородности в инфракрасном и сантиметровом диапазонах длин волн. Расчеты проводились по формулам Ми для сферических частиц. Рассчитаны факторы эффективности и соответствующие им коэффициенты ослабления, рассеяния, поглощения и поперечники обратного рассеяния для отдельных частиц сажи и алюминия и для единичного объема, содержащего эти частицы. Рассчитаны интенсивность излучения' отдельных частиц сажи и алюминия, коэффициенты излучения элементарного объема для концентрации 1 см"3 для разных температур. Расчеты выполнены для длин волн 3-К4 мкм и 1 см, 3 см, 5 см и 10 см. Выполнен анализ зависимости вычисленных значений ослабления, рассеяния, поглощения и отражаемости от диэлектрических свойств частиц и их размера.

В главе 3 приведены результаты экспериментальных исследований распространения электромагнитного излучения аэрозольных образований в атмосфере. Описывается аппаратурный комплекс, методики проведения экспериментов, а так же приведены результаты исследований в натурных

13 условиях временных, отражающих и поглощающих характеристик

искусственных аэрозольных образований в атмосфере.

Формирование аэрозольного облака осуществлялось с помощью взрыва различных составов. Эксперименты проводились на научно-исследовательском полигоне ВГИ. В качестве регистраторов использовались высокочувствительные пассивные приемные устройства, МРЛ-5 и фотовидеоаппаратура.

В этой главе приводятся результаты сравнения теоретических расчетных данных и экспериментальных измерений.

В заключении приведены основные выводы и даны рекомендации по использованию результатов исследований, полученных в диссертационной работе.

14 ГЛАВА 1 ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА РАССЕИВАЮЩЕЙ

СРЕДЫ

1.1 Характеристики аэрозольных частиц в атмосфере

В земной атмосфере постоянно находится громадное количество жидких и твердых взвешенных частиц. Первые образуют облака и туманы, к твердым частицам,, разнообразного состава^ и. происхождения,^ относятся-частицы дыма, мглы или пыли. В целом их совокупность — взвешенную составляющую атмосферы — называют аэрозолем [30 — 32].

В настоящее время значительное влияние уделяется изучению аэрозолей [33]. Их роль в атмосферных процессах чрезвычайно велика. С одной стороны, атмосферные аэрозоли загрязняют атмосферу, с другой. — способствуют ее очистке от малых газов примесей [34, 35]. Различные аспекты проблемы загрязнения атмосферы получили существенное развитие в работах ученых М.И. Будыко [36-38], М.Е. Берлянда [39-42], Е.П. Борисенкова [43], К.Я. Кондратьева [44-48], Е.К. Федорова [49] . В течение последних лет выполнен ряд исследований, посвященных оценке влияния аэрозолей" на радиационные свойства атмосферы [50-55], однако, недостаточность данных о характеристиках аэрозолей делает эти оценки весьма приближенными. Вопросы всестороннего изучения примесей в атмосфере естественного и искусственного происхождения нашли глубокое отражение в работах Б.И. Стыро [56], Ю.А. Израэля [57, 58], И.Л. Кароля [59], и других исследованиях [9, 60-62].

Большое применение аэрозоли получили для регулирования процессов облако и осадкообразования [63 — 67]. Эти работы доведены до практической реализации при регулировании градообразования в облаках [68-72].

Аэрозоли создают помеховую аэрозольную среду» Определение слабых оптических сигналов при действии аэрозольных помех связано с изучением

15 этих сред, исследованием их микрофизических характеристик, анализом

условий прохождения и обратного рассеяния оптических сигналов [73 - 75].

Прохождение электромагнитных волн в атмосфере зависит от ряда факторов, в том числе от метеорологических условий, наличия естественных и искусственных метеообразований [76,77]. Успешная работа радиотехнических и электронно-оптических средств определяется не только их техническими данными, но и состоянием атмосферы, в которой распространяются электромагнитные волны^ Поэтому исследование, условий- распространения электромагнитных волн в атмосфере является важной и актуальной научно-технической задачей. В ряде теоретических исследований были разработаны вопросы рефракции электромагнитных волн. В работах, проводимых за рубежом [78-83], значительное место занимают исследования в области создания искусственных помех распространению электромагнитных волн и работе локационных станций в ВЧ, СВЧ, ИК и видимом диапазонах.

Требует серьезного внимания проблема воздействия аэрозоля на процессы образования и разрушения облачного покрова. Критически важное значение имеет дымовой аэрозоль, возникающий в результате пожаров, порожденных ядерными взрывами [84].

Разнообразие типов и свойств аэрозоля, сравнительно короткое время жизни [85] и сильная пространственно-временная неоднородность осложняют получение достоверных количественных оценок.

1.1.1 Распределение размеров частиц дыма и алюминия в аэрозольной

среде

Графитовые, алюминиевые порошки, а также порошки из различных природных материалов, таких как MgO, AI2O3 и др. обладают наибольшими маскирующими способностями [9].

Поглощательная и отражательная способность частиц сажи и металла в инфракрасном диапазоне длин волн тесно связана с их размерами.

16

Сажевые частицы, образующиеся устойчивые зародыши могут продолжать расти за счет присоединения углеродных радикальных цепей, которые уже после присоединения к частице продолжают терять водородные атомы и образуют структуру с гексагональной решеткой.

Этот процесс образования частиц сопровождается их коагуляцией. Конечный результат этого процесса — сферические частицы с элементным углеродом с размерами от 20 нм до 30 нм и плотностью, равной 2 г/м3.

Оптические параметры сажи, использованные нами в расчетах, приведены на рисунке 1 [86]. Как видно из рисунка 1, среднее значение показателя преломления и среднее значение показателя поглощения сажи составляют 2 и 0,72 соответственно, и их максимальные значения наблюдаются при длине волны около 10 мкм.

Распределение размеров частиц дыма, полученных при взрыве объемно-детонирующих составов, исследовалось нами экспериментально. Было взорвано 18 изделий с массами 5-10 кг. После взрыва отбирались пробы аэрозоля на мембранные фильтры с помощью фильтровальной установки. Всего было отобрано около 30 проб. Фильтры с отобранными пробами обрабатывались под электронным микроскопом с определением концентрации и размера частиц (таблица 1).

На основании обработки отобранных проб и их анализа было установлено, что частицы дыма по размерам подчиняются логнормальному распределению.

Предположение о распределении частиц проверялось по алгоритму Джири [86]. На основании осреднения всех полученных спектров распределения частиц аэрозоля были получены параметры функции логнормального распределения частиц. Среднее геометрическое значение радиусов частиц го равнялось 1,345 мкм, а среднее квадратичное отклонение логарифмов радиусов сто составило 2,349, соответственно:

1пго = 0,296, 1пао = 0,854.

17

п, х 2.5 —i

2.0 —

1.5 —

1.0 —

0.5

т

2

т

4

т

6

т

8

т

ю

I i \X, mkiv 12 14

1 - показатель преломления п, 2 - показатель поглощения % Рисунок 1 - Зависимость показателей преломления и поглощения сажи

от длины волны излучения

Список литературы