Лидарная  система предупреждения аварийных выбросов

углеводородов в атмосферу

 

Э.И.Воронина, В.Е. Привалов, В.Г. Шеманин

 

         Лидарные системы в силу высокой чувтсвительности и избирательности при определении измеряемых компонентов, а также благодаря оперативности в получении данных, могут стать основой для систем предупреждения аварийных выбросов загрязняющих веществ (ЗВ) в атмосферу над промышленными предприятиями. По известному полю рассеяния ЗВ в атмосфере над исследуемым районом можно определить область пространства с наиболее вероятным превышением концентраций ЗВ над предельно-допустимым уровнем (ПДК). Для оперативного зондирования этой области пространства и измерения распределения концентраций ЗВ в ней представляется перспективным применение лидара комбинационного рассеяния (КР), что подтверждается результатами работ [1-4] по оценке потенциальных возможностей таких лидаров для зондирования молекул водорода и йода в атмосфере.

Целью настоящей работы является выбор оптимальной длины волны лазера для получения на фотоприемнике такого лидара максимальной мощности КР молекул циклических углеводородов в условиях дневного зондирования. В качестве объектов исследования выбраны молекулы бензола, толуола и пиридина, отличающиеся высокой степенью опасности и имеющие следующие ПДК: бензол – 0,1, пиридин – 0,08 и толуол –0,6 мг/м³ [5].

В работе выполнено численное решение лидарного уравнения для колебательного КР [1] в направлении назад для молекул бензола С₆Н₆ , толуола С₇Н₈ и пиридина C₆H₅N с концентрацией 10¹⁹ см^-3 в диапазоне расстояний зондирования от 0.1 до 6.0 км.

Для зондирования, как и ранее в [3] были выбраны длины волн излучения лазера на парах меди: 578.2, 510.6, 289.1, 255.3 нм и суммарная частота 271.2 нм с пиковыми мощностями до 100 кВт. Рассчитанные значения длин волн полос КР валентных СС колебаний бензола 992 см^-1, толуола 1031 см^-1, пиридина 991 см^-1; валентных СН колебаний бензола 3062 см^-1, толуола 3067 см^-1, пиридина 3054 см^-1 и NH колебаний пиридина 3334 см^-1 (волновые числа взяты из [6, 7]) приведены в таблице 1.Лидарное уравнение для рассеянного назад колебательного КР на исследуемых молекулах рассмотрено в виде [2] с теми же значениями параметров [2,3].Дифференциальные сечения колебательного КР в направлении назад исследуемых молекул были определены, как и в [2], по экспериментальным значениям сечений для длины волны излучения азотного лазера l₀ = 337.1 нм и выбранных полос КР исследуемых молекул из [7] и приведены в таблице 1. Пропускание атмосферы на разных длинах волн рассчитывалось по значениям коэффициента ослабления из [1]. Используя эти данные, были выполнены численные расчеты мощности КР для значений концентраций 10¹⁹ см^-3 в выбранном диапазоне расстояний зондирования. Результаты расчетов для полосы валентных С-Н колебаний молекулы бензола приведены на рисунке 1 для всех расстояний и длин волн в качестве примера. Результаты расчетов для всех исследуемых молекул для полосы С-С колебания представлены на рисунках 2-6 для всех длин волн. По значениям спектральной яркости солнечного излучения для длин волн полос КР исследуемых молекул S_b (l) из [3, 4] были рассчитаны значения фоновой мощности  для нашего случая. Полученные значения приведены на рисунках 1-6 для сравнения.

Анализ этих результатов показывает, что оптимальным является использование в такой системе излучения медного лазера с длиной волны 271 нм, которая позволяет получить максимальное значение мощности КР и превышение над фоном для бензола и толуола на расстояниях 0.1 -6.0 км, для пиридина - до 4.0 км.

Далее на этой длине волны были рассчитаны мощности КР для значений концентраций исследуемых молекул, равных их ПДК, и определены расстояния, на которых можно зарегистрировать концентрацию этих молекул на уровне предельно-допустимой: Получены следующие результаты:

для бензола (ПДК = 7.7× 10¹¹ см^-3) - 70 м; -толуола (ПДК = 3.9 × 10¹² см^-3) - 154 м и пиридина (ПДК = 6.2 × 10¹¹ см^-3) - 60 м.

Таким образом, полученные результаты показывают возможность оптимального выбора длины волны лазера для контроля и предупреждения аварийных выбросов исследуемых углеводородов в атмосферу.

 

Приложение

Рисунок 1 – График зависимости логарифма мощности КР для валентного С-Н колебания молекулы бензола с концентрацией 10¹⁹ см^-3 от расстояния зондирования для выбранных длин волн. Для сравнения приведен уровень минимально детектируемой лидаром мощности P_b для нашей экспериментальной ситуации.

 

Рисунок 2-6 – Графики зависимости логарифма мощности КР для валентного С-С колебания молекул бензола, толуола и пиредина с концентрацией 10¹⁹ см^-3 от расстояния зондирования для длин волн: 2 – 578, 3 – 510, 4 – 289, 5 – 271 и 6 – 255 нм. Для сравнения приведен уровень минимально детектируемой лидаром мощности P_b для нашей экспериментальной ситуации.

 

Таблица 1 – Значения частот собственных валентных CH,СС, NH колебаний исследуемых молекул, длин волн излучения медного лазера, длин волн полос КР и дифференциальных сечений КР исследуемых молекул

 

Молекулы	Бензол:  С6 Н6 (СН)		Толуол: С7 Н8(СН)		Пиридин:  С5 Н5 N (СН)
n, см-1	3062		3067		3054
l0 , нм	lкр , нм	(ds/dW)× 1030, см2/стр	lкр , нм	(ds/dW)× 1030, см2/стр	lкр , нм	(ds/dW)× 1030, см2/стр
578	702,3	3,5	702,5	1,3	716,0	0,04
510	604,4	5,7	604,6	2,1	614,5	0,07
289	317,1	55,4	317,1	20,3	319,8	0,7
271	295,5	71,7	295,6	26,3	297,9	0,9
255	276,6	91,5	276,6	33,6	278,7	1,2
Молекулы	Бензол:  С6 Н6 (СС)		Толуол: С7 Н8 (СС)		Пиридин:  С5 Н5 N (СС)
n, см-1	992		1031		991
l0 , нм	lкр , нм	(ds/dW)× 1030, см2/стр	lкр , нм	(ds/dW)× 1030, см2/стр	lкр , нм	(ds/dW)× 1030, см2/стр
578	613,2	5,1	614,6	0,51	613,1	0,043
510	537,2	8,4	538,3	0,84	537,1	0,07
289	297,5	81,4	297,9	8,14	297,5	0,678
271	278,5	105,2	278,8	10,52	278,5	0,877
255	261,6	134,2	261,9	13,42	261,6	1,118
Молекулы	Пиридин:  С5 Н5 N (NН)
n, см-1	3334
l0 , нм	lкр , нм	(ds/dW)× 1030, см2/стр
578	716,0	1,3
510	614,5	2,1
289	319,8	20,3
271	297,9	26,3
255	278,7	33,6