Мониторинг парниковых газов с помощью гетеродинного спектрорадиометра ближнего ИК диапазона методом солнечного просвечивания

CO2 как парниковый газ играет важнейшую роль в тепловом балансе тропосферы и формирования климата Земли. Именно концентрация CO2 является основным фактором, определяющим результирующий парниковый эффект в тропосфере. Современные наземные сети мониторинга парниковых газов, таких как TCCON, используют Фурье-спектрометры высокого разрешения. Однако их большие масса и габариты, а также сложность эксплуатации не позволяют применять их повсеместно и в результате проводимые измерения не обеспечивают ни необходимого охвата, ни разрешения, необходимого для отождествления стоков CO2.
Для решения данной проблемы предлагается использовать гетеродинный спектрорадиометр ближнего ИК диапазона. В качестве местного гетеродина в нем используются РОС-лазеры, а совмещение фронтов осуществляется в волоконном разветвителе на основе одномодового кварцевого волокна. Применение волоконной оптики позволило создать компактный переносимый прибор со спектральным разрешением λ/Δλ~6*10^7, которое соответствует ширине полосы пропускания электрического сигнала. Подобное разрешение позволяет не только идентифицировать отдельные колебательно-вращательные спектры атмосферных газов, но и полностью разрешать профили линий поглощения, что в свою очередь делает возможным наряду с измерением средней концентрации по столбу восстановление высотного профиля составляющих атмосферы.
Среди прочих особенностей спектрорадиометра следует отметить отсутствие спектроанализатора промежуточной частоты, являющего характерной чертой гетеродинных приборов. В отличие от приборов подобного класса, прием гетеродинного сигнала осуществляется в узкой полосе частот ~3 МГц около ноля, а развертка по частоте обеспечивается за счет изменения частоты лазера модуляцией его тока накачки. Подобный подход также позволил упростить схему прибора и минимизировать его габариты по сравнению с существующими гетеродинными спекрорадиометрами.
Типичная область перестройки частоты лазера составляет ~ 1-1,5 см-1, которой достаточно для одновременного измерения CO2 и CH4 в атмосфере в диапазоне 6057 см-1. Отношение сигнал-шум в проведенных экспериментах составляет ~ 250 при времени экспозиции 15 минут. Также наблюдается сдвиг линии поглощения CO2, который составляет порядка ~10-3 см-1 и может быть связан с допплеровским сдвигом линии поглощения в следствии больших значений скоростей стратосферного ветра.
По измеренным спектрам были восстановлены высотные профили распределения CO2 и CH4.