Микроспектрометр для космического мониторинга парниковых газов: результаты наземных испытаний и калибровок

Углекислота CO2 играет важнейшую роль в тепловом балансе тропосферы и формировании климата Земли. Для понимания роли природных процессов и человеческой деятельности, регулирующих атмосферное распределение CO2, необходимы весьма точные и локализированные измерения концентрации CO2. Измерения концентрации CO2, выполняемые с околоземной орбиты, будут способствовать качественно новому пониманию глобального кругооборота углерода.
Измерения концентрации метана CH4 в атмосфере позволят получить данные о его фоновом содержании, получить важную дополнительную информацию о состоянии ряда экосистем, а также определить существование дополнительных источников выброса в атмосферу в результате течи многочисленных газопроводов на территории нашей страны.
Мы предлагаем новую концепцию экспериментального изучения парниковых газов в земной атмосфере на основе эшелле-спектрометра высокого спектрального разрешения >20000 при его массе менее 2 кг. В отличие от классической схемы, предварительная селекция высоких порядков дифракции эшеле-решетки осуществляется чередующимися оптическими узкополосными интерференционными фильтрами, установленными в легком вращающемся колесе-держателе. Многоканальный InGaAs детектор производства компании Hamamatsu представляет собой линейку из 512 элементов, чувствительных в пределах ближнего ИК-диапазона длин волн 1000-1700 нм, что позволяет регистрировать отдельные ненасыщенные линии в слабых полосах поглощения CO2 (1580 нм) и CH4 (1640 нм). Дополнительные измерения поглощения обильного атмосферного газа O2 (полосы 760 нм и 1270 нм) нужны для повышения точности измерений концентрации парниковых газов CO2 и CH4. Использование в качестве спектрального селектора акустооптического перестраиваемого фильтра позволит реализовать почти непрерывный обзор ближнего ИК-диапазона при минимальной доработке микроспектрометра, полностью исключив из его конструкции движущиеся элементы.
Разрабатываемый метод предназначен для спутникового мониторинга парниковых газов на основе регулярных долговременных спектральных наблюдений подспутниковой зоны, солнечного блика и солнечных затмений с высоким пространственным и спектральным разрешением. В настоящее время осуществляется наземная отработка методики эксперимента: лабораторные калибровки спектрометра с использованием газовых смесей и многопроходных оптических ячеек, наблюдения прямого и рассеянного солнечного излучения. На основе модели переноса солнечного излучения через земную атмосферу создается методика обработки результатов спектральных наблюдений и определения концентраций парниковых газов. В докладе представлены результаты первых наземных испытаний и калибровок спектрометра.