Комплекс для измерения климатических параметров атмосферы

В состав современного аппаратного комплекса, позволяющего измерять климатические параметры атмосферы, входит:

 1. Лидар, мод. CHM15k Nimbus

Лидар CHM-15k, обладает высоким пространственным разрешением (5м) при дальности действия до 15 км. Его работа основана на явлении обратного рассеяния лазерного излучения на атмосферном аэрозоле. Лидар используется для исследования облаков, туманов, параметров атмосферного аэрозоля, изучения свойств перистой облачности, определения высоты пограничного слоя, вертикальной видимости, получения достоверных данных о пространственно-временных изменениях атмосферных компонентов.

            Опто-электронный приёмник использует лидарный метод для регистрации данных, лидар является оптической версией радара.

            CHM 15k готов работать непрерывно и в любую погоду. Его прочный всепогодный корпус соответствует стандартам IP65 для внутренней защиты. Используя специально предназначенную оптику и автоматическую систему термостатирования CHM 15k устойчив к запотеванию и образованию инея.   

Технические характеристики:

Параметры измерений:

  • Высотный диапазон – 5 м-15 км
  • Вертикальное разрешение – 5 м
  • Время измерения – 2 сек-10 мин, стандартно 15 сек, 20 сек или 60 сек
  • Мишень – аэрозоль и облака
  • Измеряемые параметры – рассеянный назад лазерный импульс, высота нижней границы облачности до 6-ти слоёв
  • Принцип измерений – лидарный 

Параметры лазерной оптики:

  • Источник – лазер, класс защиты 1М согласно EN 60825-1
  • Длина волны – 1064 нм
  • Пропускная способность – 0.1 нм
  • Продолжительность импульса – 1…5 наносекунд
  • Частота повторения импульсов – 5-7 КГц
  • Диаметр пучка (1/e²) – расширяется до 90 мм
  • Лазерная дивергенция - <0.3 мрад
  • Энергия в импульсе – 8 мкДж 

Параметры электроники:

  • Номинальное напряжение - 230 VAC, ±10 %
  • Частота – 50 Гц
  • Максимально потребляемая мощность – 0.8 кВ 

Условия эксплуатации:

  • Температурный диапазон – от -40 °C до +50 °C
  • Относительная влажность – от 0 % до 100 %

 

Вес и габариты: 70 кг, 50 см*50 см*155 см 

2. Микроволновый радиометр RPG-HATPRO

Автоматический многоканальный микроволновый радиометр RPG-HATPRO предназначен для проведения непрерывного измерения и фиксирования данных температурных профилей атмосферы, составления профилей относительной и абсолютной влажности. Также прибор может восстанавливать интегральное содержание водяного пара и  водозапаса облаков, включая снежные тучи. Дополнительно укомплектован собственной метеостанцией и GPS датчиком. Радиометр способен проводить измерения в диапазоне высот до 10 километров. Надежность работы радиометра не зависит от погодных и климатических условий. Температурный диапазон использования прибора от - 40°C до 45°C. 
            Данный прибор снабжен системой грозозащиты. В случае возникновения перебоев в работе, все данные полностью восстанавливаются, а сам прибор автокалибруется. 


Сферы применения

  • Определение профиля температуры, влажности и жидкой воды в тропосфере
  • Профили температуры пограничного слоя с высоким разрешением, большим, чем у шара-пилота
  • Входные данные для погодных и климатических моделей (усвоение данных)
  • Сверхкраткосрочная устойчивость атмосферы: экстремальные метеоусловия
  • Обнаружение температурной инверсии, тумана, загрязнения воздуха
  • Абсолютная калибровка радаров облаков
  • Корректировка влажной и сухой задержки в приложении интерферометрии со сверхдлинной базой
  • Мониторинг водяного пара для астрономических объектов

Технические характеристики:

Характеристика профиля влажности

(зенит и в направлении движения)

Вертикальное разрешение: 200 м (диапазон 0-2000 м)

400 м (диапазон 2000-5000 м)

800 м (диапазон 5000-10000 м)

Точность: σ = 0,4 г/м3 (абсолютная влажность)

σ = 5 % (сравнительная влажность)

 

Характеристика профиля температуры

(зенит и в направлении движения)

Вертикальное разрешение:

Режим пограничного слоя: 50 м (диапазон 0-1200 м)

Зенитный режим: 200 м (диапазон 1200-5000 м)

400 м (диапазон 5000-10000 м)

Точность: σ = 0,25 К (диапазон 0-500 м)

σ = 0,50 К (диапазон 500-1200 м)

σ = 0,75 К (диапазон 1200-4000 м)

σ = 1,00 К (диапазон 4000-10000 м)

 

Характеристика профиля жидкой воды

(только с опцией ИК радиометра)

Вертикальное разрешение: 250 м (диапазон 0-2000 м)

300 м (диапазон 2000-5000 м)

500 м (диапазон 5000-10000 м)

Точность:

Высота нижней границы облаков: 50 м (диапазон 0-300 м)

100 м (диапазон 300-1000 м)

200 м (диапазон 1000-3000 м)

400 м (диапазон 3000-5000 м)

600 м (диапазон 5000-10000 м)

Плотность: σ = 0,03 г/м3

Предел: 50 г/м2 траектории жидкой воды

Моделирование только однослойных облаков

Опция ИК радиометра

Полоса 9,2-10,6 мкм, точность 1 К, шум: σ = 0,2 К

Траектория жидкой воды

Точность: ± 20 г/м2

Шум: σ = 2 г/м2

Содержание водяного пара

Точность: σ = ± 0,2 кг/м2

Шум: σ = 0,05 кг/м2

Полные карты звездного неба с содержанием водяного пара и траекторией жидкой воды (только с опцией позиционирования по азимуту)

Быстрое сканирование 350 точек за 6 минут

Режим отслеживания спутника (только с опцией позиционирования по азимуту)

Определяет влажную/сухую задержку, атмосферное поглощение и профили влажности в пределах видимости для всех видимых спутников GPS/Галилео при сканировании одним снимком (2 минуты) с файлом навигации RINEX или прямое считывание вектора GPS с часов GPS

Центральные частоты канала

Диапазон К: 22,24 ГГц, 23,04 ГГц, 23,84 ГГц, 25,44 ГГц, 26,24 ГГц, 27,84 ГГц, 31,4 ГГц

Диапазон V: 51,26 ГГц, 52,28 ГГц, 53,86 ГГц, 54,94 ГГц, 56,66 ГГц, 57,3 ГГц, 58,0 ГГц

Ширина полосы канала 

2000 MHz @ 58,0 ГГц, 1000 МГц @ 57,3 ГГц, 600 МГц @ 56,66 ГГц, 230 МГц @ все остальные частоты 

Шумовая температура системы

<400K для профилировщика 22,2 – 31,4 ГГц

<500K для профилировщика 51,4-58,0 ГГц

Радиометрическое разрешение 

Диапазон К: σ = 0,10 К, Диапазон V:σ = 0,15 К (с интервалом 1 сек.) 

Точность измерения температуры при абсолютной яркости 

 0,5 К

Радиометрический диапазон 

0-800 К 

Абсолютная калибровка 

с внутренней фоновой и внешней холодной нагрузкой 

Внутренняя калибровка

Усиление: стандартное усиление собственного шума

Усиление + системный шум: целевая окружающая температура + стандарт шума

Абсолютная калибровка профилировщика влажности: калибровка по пикам кривой

Термостабилизация приемника и антенны

Устойчивость более 0,03 К по всему диапазону рабочей температуры 

Коррекция ошибок нелинейности усиления 

Автоматически, метод четырех точек 

Расчет яркости 

На основании формулы Планка

Время интеграции 

Более 0,4 сек. для каждого канала, по выбору пользователя 

Частота выборки профилей 

Более 1 сек., по выбору пользователя 

Система подавления дождя/тумана 

Высокоэффективная система воздуходувок (130 Вт), гидрофобное покрытие СВЧ прозрачное окно, нагревательный модуль 1,8 кВт, препятствующий образованию росы в туманных условиях 

Экологические датчики 

На метровой мачте, соединенной с радиометром: температура, давление, относительная влажность, скорость ветра, направление ветра (инструменты 3-го поколения) 

Интерфейс данных 

RS-232,115 Кбод 

Скорость передачи данных 

10 Кбайт/сек., RS-232 

Контроль прибора (внешний ПК) 

ОС Windows, плата последовательного интерфейса RS-232 

Контроль прибора (внутренний) 

Встроенный ПК контролирует внутреннюю калибровку, сбор данных, резервное копирование файла данных на флэш-памяти 1 ГБ, контроль устройства позиционирования по азимуту, связь с ведущим ПК, возможность проведения измерений независимо от ведущего ПК 

Служебные данные 

Все системные параметры, документирование истории калибровок 

Алгоритмы поиска 

Нейросеть, линейные/нелинейные алгоритмы регрессии 

Оптическое разрешение 

Ширина луча на половинной мощности: 3,5° для водяного пара, 1,8° для профилировщика температуры 

Уровень боковых лепестков 

Менее – 30 дБн 

Скорость ориентирования (подъем) 

45°/сек. 

Скорость ориентирования (азимут), дополнительно 

40°/сек. 

Диапазон рабочей температуры 

-40°С – 45°С 

Потребление энергии 

В среднем менее 120 Вт, пик для нагрева 350 Вт (без нагревателя), воздуходувка: max. 130 Вт 

Молниезащита 

Линия электропередач: выключатель

Канал связи: оптоволоконный кабель передачи данных (max. длина 1400 м)

Напряжение на входе 

90-230 В АС, 50-60 Гц 

Масса 

60 кг (без нагревателя) 

Размеры 

63 х 36 х 90 см3

3. Солнечный автоматический фотометр

Солнечный фотометр Cimel CE-318 измеряет прямую солнечную радиацию на 8 длинах волн видимого спектра, яркость неба в альмукантарате и в главной плоскости. 940 нм канал используется для определения содержания водяного пара в атмосфере в виде осажденной воды.

Оптическая толщина вычисляется исходя из спектрального ослабления луча на каждой длине волны при помощи закона Бугера. Релеевское рассеяние, поглощение озоном и загрязняющими газами отбрасывается, оставляя только оптическую толщину аэрозолей (AOT).

Вывод данных

Автоматически 1 раз в сутки сбрасываются на  компьютер из буфера собственного микроконтроллера.

Обработка данных

Данные по мере накопления передаются по сети в центр обработки в Годдард (GSFCNASA), где они по единой методике калибруются и обрабатываются, затем выставляются на сайте сети АЭРОНЕТ (http://aeronet.gsfc.nasa.gov).

Рабочие длины волн: 340, 380, 440, 500, 670, 870, 940 и 1020 нм

Спектральная полуширина: 10 нм

Угол приема солнечного коллиматора: 1.2°

Детектор:  Кремниевый фотодетектор

Метод сканирования:  Сканирование по углу места и азимуту

Погрешность сканирования: 0.1°

Энергопитание:  Внешняя батарея и солнечная панель

Область применения

Мониторинг атмосферного аэрозоля (общая оптическая толщина; концентрация водяного пара). Исследование микрофизических характеристик аэрозоля (альбедо однократного рассеяния, распределение частиц по размерам, динамика роста и исчезновения частиц). При использовании данных сети станций возможно оценить динамику глобального аэрозольного загрязнения.

4. Газоанализатор парниковых газов

Анализатор парниковых газов компании Los Gatos Research (модель GGA-24EP) – это автоматический прибор, предназначенный для одновременного измерения метана (CH4), углекислого газа (CO2) и водяного пара (H2O).

Принцип действия газоанализатора основан на внеосевой интегральной внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (Off-axis ICOS). Концентрации рассчитываются путем определения интегрального поглощения в линиях CH4, CO2 и H2O.

Новая серия с улучшенными рабочими характеристиками компании LGR “Enhanced Performance” с внутренней системой контроля температуры обеспечивает хорошую точность, линейность, достоверность и дрейф. 

Область применения.

Высокая скорость и широкий диапазон измеряемых концентраций делают газоанализатор инструментом для мониторинга парниковых газов в атмосферном воздухе, а в комплексе УЗ анимометром данный газоанализатор позволяет проводить оценки потоков парниковых газов от земной поверхности.

Прибор подходит для широкого спектра полевых исследований, исследований качества воздуха и обнаружения утечек метана (например, из систем транспортировки и распределения природного газа, в угольных шахтах).

Достоверность

Общая погрешность < 0,25% от показания (без калибровки, модель серии ЕР) 

Максимальный дрейф

15 минутное усреднение при STP (стандартном давлении и температуре) за 24 часа

CH4: 0,8 ppb
СО2: 120 ppb
H2O: 100 ppm или 1% от показания, в зависимости от того, какое показание больше 

Диапазон измерений

CH4: 0.1-25 ppm
CO2: 200-4000 ppm
H2O: 7000-70000 ppm 

Рабочий диапазон

CH4: 0-1000 ppm
CO2: 0-20000 ppm
H2O: 0-70000 ppm 

Точность (1σ, 5 сек / 100 сек)

CH4: 1 ppb / 0.3 ppb
CO2: 150 ppb / 50 ppb
H2O: 100 ppm / 30 ppm 

Время ответа

время прохождения потока через измерительную ячейку:

<0.1 сек. (требуется внешний насос для ответа в 10 Гц)

10 сек. (со стандартным вакуумным насосом)

Эксплуатационные требования

Влажность окружающего воздуха: < 98% RH без конденсации 

Рабочая температура: 0-45 °C 

5. Газоанализатор CO

Анализатор CO компании Los Gatos Research (модель CO-23r) осуществляет непрерывные измерения уровней окиси углерода в окружающей среде в режиме реального времени.

Принцип действия данного прибора основан на внеосевой интегральной внутрирезонаторной лазерной спектроскопии (Off-axis ICOS).

Помимо определения концентраций угарного газа анализатор исследует полосу поглощения водяного пара, что позволяет получить значения концентраций СО для сухого воздуха.

Область применения

Прибор предназначен для решения множества задач таких, как мониторинг угарного газа в воздухе, измерения вихревых ковариационных потоков, измерения камеральных потоков и диагностику процесса сгорания топлива. Анализатор также подходит для полевых измерений.

Достоверность

Общая погрешность < 1% от показания

Максимальный дрейф

15 минутное усреднение при STP (стандартном давлении и температуре) за 24 часа

СО: 0.1 ppb
H2O: 50 ppm или 1% от показания, в зависимости от того, какое показание больше 

Диапазон измерений

(соответствует всем характеристикам)

CO: 5-4000 ppb 

Рабочий диапазон

CO: 0-10 ppm 

Точность (1σ, 1 сек / 3 мин)

CO: 0.15 ppb / 0.050 ppb
H2O: 50 ppm / 10 ppm 

Время ответа

время прохождения потока через измерительную ячейку:

<0.1 сек. (требуется внешний насос)

10 сек. (со стандартным вакуумным насосом)

Эксплуатационные требования

Влажность окружающего воздуха: < 98% RH без конденсации

Рабочая температура: 0-45 °C 

6. Газоанализатор озона

Газоанализатор модели 49i Thermo Scientific™ - это фотометр с двумя измерительными ячейками. Проба делится на два потока, первый поток проходит через скруббер озона (опорный поток) и поступает через клапан в одну ячейку, второй поток напрямую поступает во вторую ячейку. Через 10 секунд переключением клапанов ячейки меняются местами.

В приборе используется УФ фотометрическая технология (УФ лампа на длине волны 254 нм) для измерения количества озона в воздухе в пределах от единиц ppb до 200 ppm.

Область применения

Газоанализатор предназначен для непрерывного мониторинга содержания озона в атмосфере, с дальнейшей оценкой качества воздуха.

Особенности:

 Возможность установки встроенного озонатора

 Возможность удаленного доступа по локальной сети Ethernet

 Пользовательский интерфейс с программированием кнопок и большим дисплеем

Диапазон измерения O3: 0 - 200 ppm / 0 – 400 мг/м3 ± 20%

Случайная погрешность: 0.25 ppb (при 60-секунднос осреднении)

Время отклика: 20 сек (с 10-секундным запозданием)

Скорость потока пробы: 1-3 л/мин

Эксплуатационные требования

Относительная влажность окружающей среды: 30 - 90%.

Рабочая температура воздуха: 20 – 30 °C,

7. Газоанализатор оксидов азота

Газоанализатор оксидов азота Thermo Scientific™ (модель 42i) – это автоматический анализатор, измеряющий содержания оксида и диоксида азота, в основе которого лежит использование технологии хемилюминесцентного излучения, которое регистрируется при химической реакции оксида азота с озоном. Для определения концентрации диоксида азота в блоке пробоподготовки происходит предварительное преобразование NO2 в NO в присутствии молибденового катализатора.

Выходная информация может быть представлена в независимом режиме по каждому из газов: NO, NО2 и NOx.

Область применения

Газоанализатор предназначен для непрерывного измерения содержания оксида и диоксида азота в атмосферном воздухе, отходящих дымовых газах, в технологических газовых средах. Газоанализаторы могут применяться на предприятиях нефтеперерабатывающей, газоперерабатывающей и других областях промышленности, для контроля окружающей среды.

Особенности:

 Возможность установки встроенного озонатора

 Возможность удаленного доступа по локальной сети Ethernet

 Пользовательский интерфейс с программированием кнопок и большим дисплеем

Диапазон измерения: 0 - 200 ppb; 0 – 500 мг/м3 ± 20%

Случайная погрешность: 0.25 ppb (при 120-секундном осреднении)

Время отклика:

60 сек (с 10-секундным осреднением)

90 сек (с 60-секундным осреднением)

300 сек (с 300-секундным осреднением)

Скорость потока пробы:1 л/мин

Эксплуатационные требования

Относительная влажность окружающей среды: 30 - 90%.

Рабочая температура воздуха: 15 – 35 °C 

8. Инфракрасный Фурье спектрометр Bruker

Инфракрасный Фурье спектрометр Bruker IFS 125 HR предназначен для измерения оптических спектров пропускания газов, жидкостей, криорастворов в дальнем, среднем и ближнем ИК диапазонах c разрешением до 0.002 см-1. Основой фурье-спектрометра является двухлучевой интерферометр, в котором при перемещении одного из интерферометрических зеркал происходит изменение разности хода между интерферирующими лучами. Для уменьшения влияния внешних воздействий интерферометр построен по схеме Майкельсона с зеркалами в виде светоотражателей. Регистрируемый световой поток на выходе интерферометра как функция разности хода (интерферограмма) представляет фурье-образ регистрируемого оптического спектра. Сам спектр (в шкале волновых чисел) получается после выполнения специальных математических расчетов (обратное преобразование Фурье) над интерферограммой.

Характеристики прибора.

Прибор оснащен двумя источниками: глобаром и лампой с вольфрамофой нитью. Имеется возможность использовать внешний источник излучения.

В комплект входит два светоделителя: KBr (заявленная полоса пропускания 4800 – 450 см-1) и CaF2 (14000 – 1850 см-1).

Прибор оснащен двумя приемниками, охлаждаемыми жидким азотом: MCT ( 10000 – 600 см-1) и InSb (10000 – 1850 см-1). Возможно подключение до четырех внешних приемников одновременно.

Прибор оснащен оборудованием, позволяющим выводить параллельные пучки из спектрометра.

Спектральный диапазон – 11000-400 см-1

Спектральное разрешение – до 0.002 см-1

Воспроизводимость волнового числа – не более 0.0000001

Абсолютная фотометрическая погрешность – не более 0.1% Т