Solnechno-Zemnaya Fizika Solnechno-Zemnaya Fizika Солнечно-земная физика 2712-9640 34202 10.12737/szf-62202007 Обзоры Reviews Обзоры Mesostratospheric Lidar for the Heliogeophysical Complex Мезостратосферный лидар для гелиогеофизического комплекса Матвиенко Геннадий Григорьевич Matvienko Gennady Grigorievich mgg@iao.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Маричев Валерий Николаевич Marichev Valery Nikolaevich marichev@iao.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Бобровников Сергей Михайлович Bobrovnikov Sergey Mihaylovich bsm@iao.ru

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Яковлев Семён Владимирович Yakovlev Semen Vladimirovich ysv@iao.ru

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Чистилин Александр Юрьевич Chistilin Aleksandr Yuryevich a.chistilin@zenit-kmz.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Сауткин Владимир Андреевич Sautkin Vladimir Andreevich sautkin@zenit-kmz.ru

кандидат технических наук;

candidate of technical sciences;

 Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН Томск Россия V.E. Zuev Institute of Atmospheric Optics SB RAS Tomsk Russian Federation Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН Томск Россия V.E. Zuev Institute of Atmospheric Optics SB RAS Tomsk Russian Federation Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН Томск Россия V.E. Zuev Institute of Atmospheric Optics SB RAS Tomsk Russian Federation Институт оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН Томск Россия V.E. Zuev Institute of Atmospheric Optics SB RAS Tomsk Russian Federation ПАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева» Красногорск Россия S.A. Zverev Krasnogorsk Plant Krasnogorsk Russian Federation ПАО «Красногорский завод им. С.А. Зверева» Красногорск Россия S.A. Zverev Krasnogorsk Plant Krasnogorsk Russian Federation 6 2 93 104 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/34202/view

В состав Гелиогеофизического комплекса РАН, создаваемого на базе Института солнечно-земной физики СО РАН в районе Иркутска, входят инструменты для изучения Солнца, верхней атмосферы и мезостратосферный лидарный комплекс (МС-лидар) для анализа нейтрального компонента атмосферы от поверхности Земли до термосферы (высота 100–110 км). Задачами МС-лидара являются круглосуточное измерение профилей термодинамических параметров атмосферы и получение высотного распределения аэрозольно-газового состава. Для решения данных задач в МС-лидаре предусмотрено применение нескольких методик лазерного зондирования на особым образом выбранных лазерных длинах волн в суммарном диапазоне 0.35–1.1 мкм. При этом используются молекулярное, аэрозольное, комбинационное (рамановское) и резонансное рассеяние, а также дифференциальное поглощение, доплеровское уширение и смещение спектра рассеянного излучения. В статье представлено описание используемых методов зондирования и измеряемых МС-лидаром характеристик атмосферы.

The Heliogeophysical Complex of RAS, which is developing at the Institute of Solar-Terrestrial Physics SB RAS in the Irkutsk region, includes instruments for studying the Sun, the upper atmosphere and the mesostratospheric lidar system (MS lidar) for analyzing the neutral part of the atmosphere from Earth’s surface to the thermosphere (100–110 km altitude). More specifically, the objective of the MS lidar is to measure profiles of thermodynamic parameters of the atmosphere and the altitude distribution of the aerosol-gas composition. To solve these problems, the MS lidar ensures the use of several laser sensing methods at a number of specially selected laser wavelengths in the total range 0.35–1.1 μm. In this case, the following types of scattering are used: molecular, aerosol, Raman, resonance, as well as differential absorption, Doppler broadening and shift of the spectrum of scattered radiation. The article describes the methods used in the MS lidar and the measured atmospheric characteristics.

 лазерное зондирование стратосфера мезосфера лидар термодинамика атмосферы laser sensing stratosphere mesosphere lidar atmospheric thermodynamics

Бондаренко С.Л., Бурлаков В.Д., Гришаев М.В. и др. Лазерное зондирование мезосферы на Сибирской лидарной станции // Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7, № 11-12. С. 1652-1655. Bondarenko S.L., Burlakov V.D., Grishaev M.V., Zuev V.V., Marichev V.N., Pravdin V.L. Laser sensing of the mesosphere at the Siberian lidar station. Optika atmosfery i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics]. 1994, vol. 7, no. 11-12, pp. 1652-1655. (In Russian). Бурлаков В.Д., Ельников А.В., Зуев В.В. и др. Результаты лидарных наблюдений аэрозоля и озона стратосферы после извержения вулкана Пинатубо (Томск, 56° с.ш., 85° в.д.) // Оптика атмосферы и океана. 1993. Т. 6, № 10. С. 1224-1233. Browell E.V., Wilkerson T.D., Mcilrath T.J. Water vapor differential absorption lidar development and evolution. Applied Optics. 1979, vol. 18, no. 20, pp. 3474-3483. DOI: 10.1364/ AO.18.003474. Ельников А.В., Зуев В.В., Маричев В.Н., Царегородцев С.И. Первые результаты лидарных наблюдений стратосферного озона над Западной Сибирью // Оптика атмосферы и океана. 1989. Т. 2, № 9. С. 995-996. Burlakov V.D., Elnikov A.V., Zuev V.V., Marichev V.N., Pravdin V.L., Smirnov S.V., Stolyarova N.A. Lidar observations of the stratospheric ozone and aerosol in Tomsk (56° N, 85° E) following the eruption of the Pinatubo volcano. Optika atmosfery i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics]. 1993, vol. 6, no. 10, pp. 1224-1233. (In Russian). Ельников А.В., Зуев В.В., Катаев М.Ю., и др. Зондирование стратосферного озона двухволновым УФ-ДП-лидаром: методы решения обратной задачи и результаты натурного эксперимента // Оптика атмосферы и океана. 1992. Т. 5, № 6. С. 576-587. Czin Czyao, Gotao Yan, Czihun Van, Syueu Chen, Facyun Li. Sporadic potassium layers and their relationship with sporadic E-layers in the mesopause region above Beijing (China). Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terr. Phys]. 2017, vol. 3, no. 2, pp. 64-69. DOI: 10.12737/22597. Зуев В.В., Зуев В.Е. Дистанционное оптическое зондирование атмосферы. СПб.: Гидрометеоиздат, 1992. 232 с. Cheremisin A.A., Marichev V.N., Novikov P.V. Polar stratospheric cloud transfer from Arctic regions to Tomsk in January, 2010. Optika atmosfery i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics]. 2013, vol. 26, no. 2, pp. 93-99. (In Russian). Зуев В.Е., Макушкин Ю.С., Маричев В.Н. и др. Лазерное зондирование профиля влажности атмосферы // Доклады Академии наук. 1981. Т. 251, № 6. С. 1338-1342. Elnikov A.V., Zuev V.V., Marichev V.N., Tsaregorod-tsev S.I. First results of lidar observations of stratospheric ozone above western Siberia. Optika atmosfery i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics]. 1989, vol. 2, no. 9, pp. 995-996. (In Russian). Зуев В.В., Маричев В.Н., Бондаренко С.Л. и др. Предварительные результаты зондирования температуры в тропосфере СКР-лидаром на первом колебательно-вращательном переходе молекул азота // Оптика атмосферы и океана. 1996а. Т. 9, № 12. С. 1609-1611. Elnikov A.V., Zuev V.V., Kataev M.Yu., Marichev V.N., Micel A.A. Sensing of stratospheric ozone with an UV bifrequency DIAL: methods for solving the inverse problem and results of the field experiment. Optika atmosfery i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics]. 1992, vol. 5, no. 6, pp. 576-587. (In Russian). Зуев В.В., Маричев В.Н., Долгий С.И., Шарабарин Е.В. Результаты эксперимента по лидарному зондированию озона и температуры в тропосфере и стратосфере // Оптика атмосферы и океана. 1996б. Т. 9, № 8. С. 1123-1125. Kaul B.V. Mnogovolnovoi lidar dlya zondirovaniya atmosfery [Multi-wave lidar for sensing the atmosphere]. Auth. Certificate no. 1345861, 1987. (In Russian). Зуев В.В., Катаев М.Ю., Маричев В.Н. Методика восстановления профилей озона из данных УФ-лидара: коррекция на аэрозольную и температурную стратификацию // Оптика атмосферы и океана. 1997. Т. 10, № 9. С. 1103-1111. Kawahara T.D., Kitahara T., Kobayashi F., Saito Y., Nomura A. Sodium temperature lidar based on injection seeded Nd:YAG pulse lasers using a sum-frequency generation technique. Opt. Express. 2011, vol. 19, pp. 3553-3561. Кауль Б.В. Многоволновой лидар для зондирования атмосферы. Авт. свид. № 1345861. 1987 г. Marichev V.N. Lidar investigations of stratospheric warming events above Tomsk in 2008-2010. Optika atmosfery i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics]. 2011a, vol. 24, no. 5, pp. 386-391. (In Russian). Маричев В.Н. Лидарные исследования проявления стратосферных потеплений над Томском в 2008-2010 гг. // Оптика атмосферы и океана. 2011а. Т. 24, № 5. С. 386-391. Marichev V.N. Investigation into features of manifestation of winter stratospheric warming events over Tomsk from the data of lidar temperature measurements in 2010-2011. Optika atmosfery i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics]. 2011b, vol. 24, no. 12, pp. 1041-1046. (In Russian). Маричев В.Н. Исследование особенностей проявления зимних стратосферных потеплений над Томском по данным лидарных измерений температуры в 2010-2011 гг. // Оптика атмосферы и океана. 2011б. Т. 24, № 12. С. 1041-1046. Marichev V.N. Investigation of variability of the background aerosol vertical structure above Tomsk based on lidar observations in 2010-2011. Optika atmosfery i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics]. 2012, vol. 25, no. 11, pp. 976-984. (In Russian). Маричев В.Н. Исследование изменчивости вертикальной структуры фонового аэрозоля в стратосфере над Томском на основе лидарных наблюдений в 2010-2011 гг. // Оптика атмосферы и океана. 2012. Т. 25, № 11. С. 976-984. Marichev V.N. The analysis of the air density and temperature behaviour in the stratosphere above Tomsk in periods of perturbed and quiet states performed according to the results of lidar measurements. Optika atmosfery i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics]. 2013, vol. 26, no. 9, pp. 783-792. (In Russian). Маричев В.Н. Анализ поведения плотности воздуха и температуры в стратосфере над Томском в периоды ее возмущенного и спокойного состояний, выполненный по результатам лидарных измерений // Оптика атмосферы и океана. 2013. Т. 26, № 9. С. 783-792. Marichev V.N., Samokhvalov I.V. Lidar observations of aerosol volcanic layers in stratosphere of Western Siberia in 2008-2010. Optika atmosfery i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics]. 2011, vol. 24, no. 3, pp. 224-231. (In Russian). Маричев В.Н., Самохвалов И.В. Лидарные наблюдения аэрозольных вулканических слоев в стратосфере Западной Сибири в 2008-2010 гг. // Оптика атмосферы и океана. 2011. Т. 24, № 3. С. 224-231. Marichev V.N., Zuev V.V., Grishaev M.V., Smirnov S.V. Lidar and spectrophotometric measurements of vertical distribution of ozone, nitrogen dioxide, and temperature in the stratosphere over Tomsk (Western Siberia). Optika atmosfery i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics]. 1996, vol. 9, no. 12, pp. 1604-1608. (In Russian). Маричев В.Н., Зуев В.В., Гришаев М.В., Смирнов С.В. Лидарные и спектрофотометрические измерения вертикального распределения озона, диоксида азота и температуры в стратосфере над Томском (Западная Сибирь) // Оптика атмосферы и океана. 1996. Т. 9, № 12. С. 1604-1608. Matvienko G.G., Bobrovnikov S.M., Kaul B.V. Application of lidars to study the middle and upper atmosphere. Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terr. Phys]. 2010, vol. 16, pp. 76-81. (In Russian). Матвиенко Г.Г., Бобровников С.М., Кауль Б.В. Перспективы применения лидаров для исследования средней и верхней атмосферы // Солнечно-земная физика. 2010. Вып. 16. С. 76-81. Matvienko G.G., Kaul B.V., Marichev V.N., Burlakov V.D., Bobrovnikov S.M., Yakovlev S.V. Lidar for the heliogeophysical complex of the RAS. Technical appearance. Sbornik trudov XXIV Vserossiiskoi konferentsii “Rasprostranenie radiovoln (RRV-24)” [Proceedings of the XXIV All-Russian Conference “Radio Wave Propagation (RWP-24)”]. 2014, pp. 13-18. (In Russian). Матвиенко Г.Г., Кауль Б.В., Маричев В.Н. и др. Лидар для гелиогеофизического комплекса РАН. Технический облик // XXIV Всероссийская конференция «Распространение радиоволн (РРВ-24)»: Труды. 2014. С. 13-18. Matvienko G.G., Balin YU.S., Bobrovnikov S.M., Romanovskii O.A., Kohanenko G.P., Samoilova S.V., Penner I.E., Gorlov E.V., Zharkov V.I., Sadovnikov S.A., Harchenko O.V., Yakovlev S.V., Bazhenov O.E., Burlakov V.D., Dolgii S.I., Makeev A.P., Nevzorov A.A., Nevzorov A.V. Sibirskaya lidarnaya stantsiya: apparatura i rezul’taty [Siberian lidar station: equipment and results]. Tomsk, IOA SB RAS Publ., 2016, 440 p. (In Russian). Матвиенко Г.Г., Балин Ю.С., Бобровников С.М. и др. Сибирская лидарная станция: аппаратура и результаты / под ред. Матвиенко Г.Г. Томск: Изд-во ИОА СО РАН, 2016. 440 с. Polekh N.M., Chernigovskaya M.A., Yakovleva O.E. On the formation of the F1 layer during sudden stratospheric warming events. Solar-Terr. Phys. 2019, vol. 5, no. 3, pp. 119-129. DOI: 10.12737/stp-53201914. Полех Н.М., Черниговская М.А., Яковлева О.Е. К вопросу о формировании слоя F1 во время внезапных стратосферных потеплений // Солнечно-земная физика. 2019. Т. 5, № 3. С. 140-152. DOI: 10.12737/szf-53201914. Polyakova A.S., Chernigovskaya M.A., Perevalova N.P. Study of the response of the ionosphere to sudden stratospheric warming in the Asian region of Russia. Solnechno-zemnaya fizika [Solar-Terr. Phys]. 2015, vol. 1, no. 4, pp. 47-57. DOI: 10.12737/13527. (In Russian). Полякова А.С., Черниговская М.А., Перевалова Н.П. Исследование отклика ионосферы на внезапные стратосферные потепления в Азиатском регионе России // Солнечно-земная физика. 2015. Т. 1, № 4. С. 47-57. DOI: 10.12737/13527. Rees D., Barnett J.J., Labitzke K. COSPAR International Reference Atmosphere, 1986: Part 2: Middle Atmosphere Models. Adv. Space Res. 1990, vol. 10, no. 12, p. 525. Черемисин А.А., Маричев В.Н., Новиков П.В. Перенос полярных стратосферных облаков из Арктики к Томску в январе 2010 г. // Оптика атмосферы и океана. 2013. Т. 26, № 2. С. 93-99. Schoch A., Baumgarten G., Fiedler J. Polar middle atmosphere temperature climatology from Rayleigh lidar measurements at ALOMAR (69° N). Ann. Geophys. 2008, vol. 26, no. 7, pp. 1681-1698. DOI: 10.5194/angeo-26-1681-2008. Ясюкевич А.С., Клименко М.В., Куликов Ю.Ю. и др. Изменения параметров средней и верхней атмосферы во время внезапного стратосферного потепления в январе 2013 г. // Солнечно-земная физика. 2018. Т. 4, № 4. С. 62-75. DOI: 10.12737/szf-44201807. Spelsberg D., Meyer W. Dynamic multipole polarizabilities, reduced spectra, and interaction coefficients for N2 and CO. J. Chem. Phys. 1999, vol. 111, no. 21, pp. 9618-9624. DOI: 10.10 63/1.480336. Browell E.V., Wilkerson T.D., Mcilrath T.J. Water vapor differential absorption lidar development and evolution // Applied Optics. 1979. V. 18, N 20. P. 3474-3483. DOI: 10.1364/ AO.18.003474. Unchino O., Maeda M., Hirono M. Applications of excimer lasers to laser-radar observations of the upper atmosphere. JEEE J. Quant. Electr. 1979, vol. QE-15, no. 10, pp. 1094-1107. DOI: 10.1109/JQE.1979.1069905. Czin Czyao, Gotao Yan, Czihun Van, Syueu Chen, Facyun Li. Sporadic potassium layers and their relationship with sporadic E-layers in the mesopause region above Beijing (China) // Солнечно-земная физика. 2017. Т. 3, № 2. С. 64-69. DOI: 10.12737/22597. von Zahn U., von Cossart G., Fiedler J., Fricke K.H., Nelke G., Baumgarten G., Rees D., Hauchecorne A., Adolfsen K. The ALOMAR Rayleigh/Mie/Raman lidar: objectives, configuration, and performance. Ann. Geophys. 2000, vol. 18, pp. 815-833. DOI: 10.1007/s00585-000-0815-2. Kawahara T.D., Kitahara T., Kobayashi F., et al. Sodium temperature lidar based on injection seeded Nd:YAG pulse lasers using a sum-frequency generation technique// Opt. Express. 2011. V. 19. P. 3553-3561. Zuev V.V., Zuev V.E. Distancionnoe opticheskoe zondirovanie atmosfery [Remote optical sensing of the atmosphere]. St Petersburg, Hydrometeoizdat Publ., 1992. 232 p. (In Russian). Rees D., Barnett J.J., Labitzke K. COSPAR International Reference Atmosphere, 1986: Part 2: Middle Atmosphere Models // Adv. Space Res. 1990. V. 10, N 12. P. 525. Zuev V.E., Makushkin Yu.S., Marichev V.N., Mitsel A.A., Samokhvalov I.V., Sosnin A.V. Laser sensing of atmospheric humidity profile. DAN [Reports of the Academy of Science]. 1981, vol. 251, no. 6, pp. 1338-1342. (In Russian). Schoch A., Baumgarten G., Fiedler J. Polar middle atmosphere temperature climatology from Rayleigh lidar measurements at ALOMAR (69° N) // Ann. Geophys. 2008. V. 26, N 7. P. 1681-1698. DOI: 10.5194/angeo-26-1681-2008. Zuev V.V., Zuev V.E., Makushkin Yu. S., Marichev V.N., Mitsel A.A. Laser sensing of atmospheric humidity: experiment. Applied Optics. 1983, vol. 22, no. 23, pp. 3742-3746. DOI: 10.1364/AO.22.003742. Spelsberg D., Meyer W. Dynamic multipole polarizabilities, reduced spectra, and interaction coefficients for N2 and CO // J. Chem. Phys. 1999. V. 111, N 21. P. 9618-9624. DOI: 10.1063/1.480336. Zuev V.V., Marichev V.N., Bondarenko S.L., Dolgii S.I., Sharabarin E.V. Preliminary results of tropospheric temperature sensing using a raman lidar on the first vibrational-rotational transition of nitrogen molecules. Optika atmosfery i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics]. 1996a, vol. 9, no. 12, pp. 1609-1611. (In Russian). Unchino O., Maeda M., Hirono M. Applications of excimer lasers to laser-radar observations of the upper atmosphere // JEEE J. Quant. Electronics. 1979. V. QE-15, N 10. P. 1094-1107. DOI: 10.1109/JQE.1979.1069905. Zuev V.V., Marichev V.N., Dolgii S.I., Sharabarin E.V. Some experimental results of lidar sensing of the ozone and temperature in the troposphere and stratosphere. Optika atmosfery i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics]. 1996b, vol. 9, no. 8, pp. 1123-1125. (In Russian). von Zahn U., von Cossart G., Fiedler J., et al. The ALOMAR Rayleigh/Mie/Raman lidar: objectives, configuration, and performance // Ann. Geophys. 2000. V. 18. P. 815-833. DOI: 10.1007/s00585-000-0815-2. Zuev V.V., Kataev M.Yu., Marichev V.N. Technique for reconstructing the ozone profiles from UV lidar data: correction for aerosol and temperature stratification. Optika atmosfery i okeana [Atmospheric and Oceanic Optics]. 1997, vol. 10, no. 9, pp. 1103-1111. (In Russian). Zuev V.V., Zuev V.E., Makushkin Yu.S., et al. Laser sensing of atmospheric humidity: experiment // Applied Optics. 1983. V. 22, N 23. P. 3742-3746. DOI: 10.1364/AO.22.003742. Yasyukevich A.S., Klimenko M.V., Kulikov Yu.Yu., Klimenko V.V., Bessarab F.S., Koren’kov Yu.N., Marichev V.N., Ratovsky K.G., Kolesnik S.A. Changes in the middle and upper atmosphere parameters during the January 2013 sudden stratospheric warming. Solar-Terr. Phys. 2018, vol. 4, no. 4, pp. 62-75. DOI: 10.12737/stp-44201807.