Приборы > MARS-B


Responsive image

MARS-B

Прибор с много-осевой геометрией наблюдений (MAX-DOAS)

Предназначен для регистрации спектральной плотности энергетической яркости различных участков небесной сферы для одного азимутального направления и 10 углов возвышения (1°, 2°, 3°, 4°, 5°, 6°, 8°, 15°, 30°, 90°) в малом телесном угле (поле зрения по углу возвышения 1.4°, поле зрения по азимуту 0.3°). Реализованная в настоящее время методика (Multi-Axis Differential Optical Absorption Spectroscopy, MAX-DOAS) обработки зарегистрированных спектров в диапазоне длин волн 320-390 нм дает возможность восстанавливать профили аэрозоля, двуокиси азота (NO2) и формальдегида (HCHO), получать интегральные параметры (оптическая толща аэрозоля, аэрозольное поглощение, общее содержание двуокиси азота, общее содержание формальдегида, массовое содержание двуокиси азота и формальдегида в приземном слое) [1]. Данная методика использует модель переноса излучения SCIATRAN, чувствительность по высоте до 3000 м ограничена физическими особенностями распространения излучения в атмосфере.


Принцип действия

Основная часть прибора – спектрограф изображения Oriel MS257, помещённый в термостабилизированный всепогодный корпус. Колебания температуры воздуха внутри спектрографа составляют ±0.4 ºС. Спектрограф построен по схеме Черни-Тернера, датчиком является двумерная ПЗС-матрица (Andor Technology DV420-OE, 1024×256 пикселей), охлаждаемая элементами Пельтье. Температура датчика устанавливается на уровне -40 ... -60º С. Основной отличительной особенностью прибора является система ввода излучения, состоящая из поворотного зеркала и фокусирующей линзы. Зеркало приводится в движение шаговым двигателем с редуктором так, что углу поворота зеркала на 1º соответствует 103 шага, тем самым обеспечивая высокую точность позиционирования зеркала по углу возвышения. В качестве реперной точки отсчета угла возвышения используется оптический выключатель, смонтированный на неподвижном относительно зеркала основании, который обеспечивает точность позиционирования 0.1º.

Responsive image

Схематичное изображение хода лучей внутри прибора: 1 – поворотное зеркало; 2 – линза; 3 – входная щель спектрографа; 4 – дифракционная решетка; 5 – плоскость детектора; 6 – камерный обектив; 7 – входной объектив; 8 – плоское зеркало.

Для облегчения интерпретации восстанавливаемых данных, прибор может быть дополнен видео-камерой, которая регистрирует вид небесной сферы в основном направлении с периодичностью один раз в минуту (около 1430 снимков в сутки).


Участие в международных кампаниях сравнения и калибровки

Прибор MARS-B успешно прошел процедуру международных сравнений в двух международных кампаниях сравнений и калибровки в 2013 и 2016 гг.:

  1. MAD-CAT 2013, проводившаяся Институтом химии Общества Макса Планка (Max Planck Institut für Chemie - Otto Hahn Institut, MPIC) в г. Майнц, Германия, летом 2013 года. Выдан сертификат об участии, по результатам нескольких месяцев измерений прибор MARS-B продемонстрировал высокое качество измерений, не уступающее ведущим мировым аналогам. Результаты, полученные во время кампании, были доложены в декабре 2013 г. на международной конференции AGU Fall Meeting 2013 в г. Сан-Франциско, Калифорния, США [2], а также легли в основу статьи [3].

  2. CINDI-2, проводившаяся под эгидой Метеорологического института Королевства Нидерланды (Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut, KNMI) в августе-октябре 2016 г. в г. Кабау (Cabauw), Нидерланды. Во время участия в кампании CINDI-2, построенной по принципу полуслепого сравнения данных измерений, продемонстрировано высокое качество измерений двуокиси азота (NO2), озона (O3), формальдегида (HCHO) и димера кислорода (O4) в УФ диапазоне.

    Подробнее об участии в кампании CINDI-2...


Измерения в Антарктиде

В период с 4.01.2014 по 28.02.2014, прибор MARS-B проводил сезонные измерения в составе 6-й Белорусской Антарктической экспедиции (декабрь 2013 - апрель 2014 г., российская станция Прогресс, 69º23´ ю.ш., 76º23´ в.д.). В ходе измерений использовались следующие углы возвышения: 0°, 1°, 2°, 3°, 4°, 5°, 6°, 8°, 10°, 15°, 30°, 90°, азимут -3°; после каждой серии спектров яркости регистрировался фоновый спектр с целью восстановления наклонных содержаний двуокиси азота, димера кислорода, молекул воды и озона. MARS-B был установлен в точке с координатами 69°22.854´ ю.ш. 76°23.186´ в.д. h = 60 ± 10 м. Прибор MARS-B регистрировал спектры яркости небесной сферы на 12 углах возвышения с 4.01.2014 по 28.02.2014, в сутки регистрировалось и записывалось около 6660 спектров (в зависимости от используемого спектрального диапазона и яркости небесной сферы). Всего за 56 дней наблюдений зарегистрировано 373330 спектров, из них каждый 13-й – фоновый; использовались следующие спектральные диапазоны: 350 – 440 нм, 340 – 430 нм и 410 – 495 нм. Внешний вид установленного прибора показан на рис. 1. MARS-B показал надежность в работе и стабильность в получаемых данных, что позволило выявить некоторые особенности поведения газовых микропримесей в воздухе над восточной Антарктидой.

В июле 2014 г. по результатам проведенных во время 6-й Белорусской Антарктической Экспедиции с помощью прибора MARS-B исследований на международной конференции IEEE Geosciences and Remote Sensing Symposium 2014 (IGARSS2014, г. Квебек, Канада) был представлен соответствующий доклад, подготовлена статья в сборник материалов конференции [4].

Зарегистрированные спектры обрабатывались методом DOAS [5] при помощи программы WinDOAS [6]. При этом использовались сечения поглощения и настройки как и при обработке данных в ходе международной кампании сравнений MAD-CAT 2013: NO2: Vandaele, 298K (Io-correction was applied using a SCD of 1e17 molec/cm2); O3: Bogumil, 223K; O4: Hermans et al.; H2O: HITEMP (Rothman et al., 2010, provided by Ted Koenig); Ring: Ring_NDSC2003; Polynomial degree: 5; Intensity offset: constant. Обработка спектров проходила в несколько этапов: преобразование в текстовый вид, усреднение в соответствии с выбранным полем зрения, вычитание ближайшего по времени регистрации фонового спектра. Фоновые спектры предварительно сглаживались полиномом невысокой степени с целью удаления горячих пикселей. Далее средствами WinDOAS проводилась точная калибровка по длинам волн опорного спектра и определялась аппаратная функция спектрографа, после чего в соответствии с настройками, использованными в ходе международных сравнений, восстанавливались наклонные толщи газовых микропримесей.

Галерея (Антарктида, станция "Прогресс")

  • Прибор MARS-B в условиях измерений
Responsive image
Responsive image
Responsive image
Responsive image
  • Проверка установок горизонта, 27 февраля 2014 г.
Responsive image
Responsive image
Responsive image
Responsive image

Ссылки:

  1. И.И. Бручковский, А.Н. Боровский, В.С. Демин, А.Н. Красовский. Прибор для дистанционной регистрации двуокиси азота в атмосфере / И.И. Бручковский [и др.] // Вестник БГУ, Сер. физ. – 2013. – №1. – С. 41-45. - [PDF] на elib.bsu.by
  2. I. Bruchkouski, A. Krasouski, V. Dziomin, I. Ortega, R. Volkamer. Intercomparison of nitrogen dioxide column densities retrieved by ground-based MAX-DOAS under different instrumental conditions over Mainz / American Geophysical Union, Fall Meeting 2013, abstract #A31C-0100.
  3. И.И. Бручковский, А.Н. Красовский, В.С. Демин.Зеркально-линзовый прибор MAX-DOAS: результаты международных сравнений MAD-CAT 2013 / И.И. Бручковский [и др.] // Вестник БГУ. Сер. 1. – 2015. – № 3. – С. 44-49. - [PDF] на elib.bsu.by
  4. I. Bruchkouski, V. Dziomin and A. Krasouski, "Seasonal variability of the atmospheric trace constituents in Antarctica," 2014 IEEE Geoscience and Remote Sensing Symposium, Quebec City, QC, 2014, pp. 4098-4100. doi: 10.1109/IGARSS.2014.6947387
  5. Platt U., Stutz J., Differential Optical Absorption Spectroscopy Principles and Applications, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg, 2008.
  6. Fayt C., Van Roozendael M., WinDOAS 2.1 Software User Manual, IASB/BIRA, 2001.

Краткие технические характеристики

Видимый спектральный диапазон 409 - 490 нм
УФ спектральный диапазон 315 - 390 нм
Время измерения одной серии из 10 углов возвышения для видимой области 30 с, для УФ области 90 с
Потребляемая мощность 300 Вт
Вес 102 кг
Поле зрения по углу возвышения, максимальное 1.4 градуса
Поле зрения по азимуту 0.3 градуса
Точность наведения телескопа по углу возвышения 0.1 градус
Апертура спектрографа 1:4
Измерения в сумерки до зенитных углов солнца 97 градусов
Размеры входной щели спектрографа ширина 75 мкм, высота 5.3 мм, FWHM 0.4 нм
Система термостабилизации ПИД-регулятор, датчик температуры Pt 100
Диаметр диафрагмы линзы 36 мм

Преимущества прибора перед аналогами

Эффективная оптическая схема позволяет регистрировать порядка 5000 спектров в видимом диапазоне или 1600 спектров в УФ диапазоне за летний световой день (умеренные широты).