Для исследования атмосферных процессов с участием аэрозольных частиц   разработан новый,   бюджетный (недорогой), технологичный, легкий (< 1,5 кг) прибор – аэрозольный зонд обратного рассеяния (АЗОР) для баллонного (до 30 км) зондирования атмосферы.

Аэрозольные частицы атмосферы принимают участие в формировании ее температурного режима, процессов облакообразования, химического разрушения озона и  в других процессах, ответственных за формирование и изменение погоды и климата. Этот прибор для тропосферных и стратосферных исследований может применяться для изучения и мониторинга полярных стратосферных облаков, тропосферного и стратосферного аэрозоля, пироконвекции, вулканического аэрозоля, а также для калибровки дистанционных методов и средств аэрозольных наблюдений наземного и спутникового базирования.  Аэрозольный зонд легко интегрируется со всеми типами стандартных аэрологических радиозондов, прост в обслуживании и применении в практике баллонного аэрологического зондирования. Оптические аэрозольные зонды[1,2] обратного рассеяния используются  в   научных исследованиях  и для валидации дистанционных измерений.

Описание метода

Принцип действия АЗОР, подобно лазерному лидару,   заключается в формировании мощным источником света последовательности зондирующих импульсов, направленных в свободную атмосферу  и одновременном синхронном накоплении эхо-сигналов.  В качестве источников излучения используются светодиоды на  470 нм и 940нм.  Светорассеивающий объем, расположенный на близком расстоянии ~  0,5 м от источника излучения, формируется линзовой системой фотоприемников и не превышает 0,1м³ .  Этот   объем остается неизменным в процессе полета и измерений, а на таких малых линейных расстояниях оптические сигналы для выбранных длин волн практически не ослабляются. Значения температуры и давления анализируемого воздуха в рассеивающем объеме получаются из прямых измерений радиозонда, к которому механически присоединяется АЗОР. При этом АЗОР укомплектован самостоятельным навигационным модулем для определения координат зонда в полете и автономной телеметрической системой для передачи данных измерений. Предусмотрена опция подключения к АЗОР датчика температуры и датчика давления. Эта расширенная опция АЗОР позволяет проводить его пуски автономно от радиозондирования  в  любом регионе до высоты подъема оболочки ~ 30 км.  Критическими условиями всепогодного применения АЗОР является только темное время суток (SZA<94 град) и ограничения по весу (менее 1-1,5 кг).  

Интенсивность эхо-сигнала P на определенной высоте измерения z связана с интенсивностью светового зондирующего излучателя E и   объемными коэффициентами обратного молекулярного  ( β _{π м} )  и обратного аэрозольного рассеяния (β _{π а} )  на этой  высоте   простым соотношением  (где С – приборный фактор)

Интенсивность молекулярного  когерентного рассеяния света на частицах или неоднородностях, когда частота рассеиваемого света существенно меньше собственной частоты рассеивающего объекта, линейно связана с концентрацией  N этих частиц или неоднородностей. Количественной характеристикой пространственного распределения аэрозоля  в этом методе является вертикальный профиль отношения значения аэрозольного рассеяния  к молекулярному рассеянию для разных длин волн зондирующего импульса.

При этом в методику измерений заложена априорная информация, что на высотах 28-32 км (максимальная высота подъема аэрологического зонда) фотоприемники прибора измеряют сигнал только молекулярного рассеяния и влиянием аэрозольного рассеяния можно пренебречь. Тогда рабочей формулой   обработки полетных данных для получения высотного распределения β π а / β π м   является следующее соотношение

, где J_z, P_z, T_z  и J_o,P_o, T_o –сигналы фотоприемника,  значения температуры и давления на высоте z и на высоте 30 км соответственно.

При этом фотоприемник улавливает фоновое излучения ночного неба, которое может быть существенно больше сигнала обратного рассеяния. Применение синхронного детектирования сигнала позволили устранить это влияние.