Методы мониторинга и результаты измерений оптических свойств водной среды в районе байкальского нейтринного телескопа НТ-200 тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.23, кандидат физико-математических наук Таращанский, Борис Абрамович

• Таращанский, Борис Абрамович
• кандидат физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Таращанский, Борис Абрамович

Введение

1 Измерение показателя поглощения

1.1 Фотометрические величины и гидрооптические характеристики.

1.2 Методы измерения показателя поглощения.

1.3 Метод с использованием изотропного источника света.

1.4 Методическая погрешность

1.5 Приборы и эксперименты.

1.6 Экспериментальные результаты и погрешности.

1.7 Модель поглощения света в Байкальской воде.

2 Измерение показателя рассеяния

2.1 Факторы, влияющие на показатель рассеяния.

2.2 Методы измерения показателей рассеяния и ослабления.

2.3 Метод определения б по прямому свету изотропного источника.

2.4 Метод определения е по рассеянному свету изотропного источника.

2.5 Точность приближения однократного рассеяния.

2.6 Учет многократного рассеяния.

2.7 Стационарный измерительно-методический комплекс "Бурхан".

2.8 Результаты измерений и погрешности.

3 Измерение индикатрисы рассеяния

3.1 Факторы, влияющие на-вид х(т).

3.2 Методы измерения индикатрисы рассеяния.

3.3 Восстановление х(т) по измерениям поля яркости изотропного источника.

3.4 Методическая погрешность восстановления .^

3.5 Эксперимент по измерению поля яркости.

3.6 Экспериментальные данные.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методы мониторинга и результаты измерений оптических свойств водной среды в районе байкальского нейтринного телескопа НТ-200»

До начала нашего столетия знания о строении Вселенной пополнялись с помощью наблюдений электромагнитного излучения в оптическом диапазоне. С открытием радиоволн, рентгеновского излучения и космических лучей появились новые инструменты и возможности в изучении как Космоса, так и микромира. Возникли новые научные направления такие, как радио- и гамма-астрономия, астрофизика высоких энергий и др. [1]

В шестидесятые годы возникли идеи использования, большой проникающей способности нейтрино для изучения процессов, происходящих внутри Солнца и других космических объектов как в нашей Галактике так и за ее пределами. Однако из-за малости сечения взаимодействия нейтрино с веществом для регистрации нейтрино требуются детекторы большого объема и массы.

В 1960 году М.А.Марков выдвинул идею [2] о создании в естественных водоемах больших оптических детекторов для регистрации нейтрино высоких энергий. В результате взаимодействия нейтрино' с водой рождаются электрически заряженные частицы, дающие вспышку че-ренковского излучения, которую можно регистрировать чувствительными оптическими фотоприемниками.

В 1979 году А.Е.Чудаков [3] предложил использовать уникальные характеристики озера Байкал, такие как высокая прозрачность вод, относительно большие глубины на малом расстоянии от берега, ледовый покров, сохраняющий несущую способность в течении 1.5 — 2 месяцев в году, для отработки методики глубоководной регистрации мюонов и нейтрино. Возможность создания крупномасштабного глубоководного оптического детектора в Байкале вызывала в то время большие сомнения.

Одна из особенностей глубоководных нейтринных телескопов состоит в том, что природная вода в их эффективном объеме является одновременно и мишенью и средой, в которой возникает и распространяется излучение Вавилова-Черенкова.

Оптические свойства воды в значительной степени определяют возможность решения основных физических задач, стоящих при создании глубоководных нейтринных телескопов.

Спектральная зависимость показателя поглощения света в воде влияет как на величину эффективного радиуса регистрации черенковского излучения отдельными оптртческими модулями, так и на эффективные площадь и объем телескопа в целом. Чем лучше известна величина поглощения света в воде, тем точнее можно осуществлять калибровку телескопа по потоку мюонов или другим событиям, ожидаемая частота появления которых может считаться известной. Поглощение света в воде в значительной степени определяет выбор расстояний между оптическими модулями установки и их количество при заданном объеме телескопа.

Рассеяние света в воде приводит к изменению направления движения фотонов, так что "образ" регистрируемого события размазывается из-за изменения вероятностей и времен срабатывания оптических' модулей. Величина эффекта определяется показателем и индикатрисой рассеяния света в воде.

Рассеяние света оказалось критичным для установки AMANDA [4], создаваемой в антарктическом льду. Для первой стадии установки AMANDA А восстановление траекторий мюонов из данных, получаемых с вмороженных в лед на глубинах 800 — 1000 метров оптических модулей, оказалось практически невозможным из-за очень сильного рассеяния света на газовых пузырьках.

На больших глубинах озера Байкал длина рассеяния света значительно больше, чем в антарктическом льду, тем не менее правильный учет рассеяния очень важен, в особенности для расчета вероятности имитации нейтриннных событий атмосферными мюонами.

Рассеяние также затрудняет определение временных сдвижек между различными каналами телескопа при временной синхронизации с помощью короткого лазерного импульса, излучаемого в воду.

К началу восьмидесятых годов существовал большой объем данных о величине показателя ослабления света в байкальской воде. Показатель ослабления является суммой показателей поглощения и рассеяния. Измерения проводились П.П.Шерстянкиным [5] с помощью логарифмического прозрачномера конструкции М.Ли [6], изготовленного в Морском гидрофизическом институте г.Севастополь.

По данным наблюдений величина показателя ослабления меняется в оз.Байкал в широком диапазоне в зависимости от времени, места и глубины, что определяется как характером водообменных процессов имеющих место в озере, так и сезонностью биологической продуктивности озера. Коэффициент ослабления света в байкальской воде, особенно в приповерхностной зоне обладает сезонной цикличностью. В вертикальной структуре вод глубоководных районов открытого Байкала выделяются три области [7]: поверхностная, глубинная и придонная. Поверхностная — отличается максимальными на профиле значениями показателя ослабления (ПО) и его вертикальных градиентов. Область простирается до глубин 200 — 400 м. Глубинная область имеет минимальные на профиле значения ПО и близкие к нулю вертикальные градиенты. Эта область располагается на глубинах от 400 — 500 м до, примерно, 1200 м. Придонная область отличается более высокими по сравнению с глубинной областью значениями ПО и положительными значениями вертикальных градиентов. Она образуется примерно за 200 м до дна, но появляется не всегда. Рекордно низкое значение показателя ослабления по данным П.П.Шерстянкина составило 0.04 м"1. Данные по ослаблению света в байкальской воде, предоставленные П.П.Шерстянкиным, оказались очень полезными для выбора места проведения исследований по программе глубоководной регистрации мюонов и нейтрино на оз. Байкал.

В июле 1979 года В.И.Манысовский провел многочисленные измерения показателя и индикатрисы рассеяния света на глубинах до 150 м (также были проведены измерения на пробах, отобранных с глубин 500 м и 1000 м в среднем Байкале) [8]. Рассеивающие свойства водной среды оказались сильно неоднородны. Длина рассеяния различалась более чем в 10 раз, а средний косинус угла рассеяния лежал в пределах от 0.889 до 0.967.

Наблюдаемая изменчивость показателя ослабления света и индикатрисы рассеяния в байкальской воде, означала, что задача состоит не только в проведении разовых измерений оптических свойств водной среды, но в организации постоянного контроля за состоянием гидрооптических параметров среды.1 То есть методика измерений должна предусматривать калибровку и юстировку измерительных приборов in situ, тем самым исключая влияние обрастания оптических элементов на результат измерений.

Кроме того, имеющихся данных было недостаточно для полного описания распространения света в воде и расчета параметров будущей установки, т.к. совсем отсутствовали данные о поглощении света в байкальской воде.

Основные задачи, решаемые на глубоководных черенковских детекторах, связаны с поиском изменений во времени и анизотропии в пространстве потоков космических частиц, поэтому неконтролируемые вариации показателей поглощения, рассеяния или индикатрисы рассеяния могут искажать получаемую физическую информацию. Погрешность измерений показателя поглощения 10% на первом этапе исследований была допустима, но в последующем ее требуется снизить до 1%.

Диапазон спектральных измерений определяется спектром черепковского излучения, спектральной чувствительностью фотоприемников, спектром поглощения света в воде. Для байкальской воды он лежит в пределах видимого диапазона. Спектральное разрешение определяется "крутизной" спектра поглощения и допустимой погрешностью. Так на краях диапазона разрешение должно быть не хуже 1 им.

Максимально допустимая погрешность измерений показателя рассеяния зависит от его величины и формы индикатрисы. В случае, если показатель рассеяния мал (< 0.05 м~1), вполне удовлетворительной на данном этапе является 20-процентная погрешность измерений. Что касается спектра рассеяния, то как явствует из литературных данных [9] рассеяние в воде не имеет ярко выраженной спектральной зависимости.

Индикатриса рассеяния характеризуется несколькими интегральными параметрами, такими как, например, средний косинус угла рассеяния, точность измерений которого должна быть достаточно высока. Наибольший вклад в этот параметр вносит область малых углов, где большую трудность представляет разделение прямого и рассеянного света.

Поляризацией рассеяния при восстановлении событий в нейтринном телескопе можно пренебречь.

Время измерения спектров поглощения и рассеяния определяется скоростью их возможных изменений. По имеющимся данным долговременных измерений вариации спектра показателя поглощения света в районе телескопа не превышают 20% и. слабо зависят от глубины, следовательно, повидимому, мала 14 скорость изменений этой величины.

Величина показателя рассеяния возрастает на порядок в поверхностных водах, поэтому при интенсивном заносе поверхностных вод на большие глубины рассеивающие свойства водной среды в окрестности телескопа могут измениться за несколько часов. Не исключена вероятность образования градиентов рассеяния внутри установки.

Изучение ПГХ вод океанов и внутренних водоемов является одним из классических направлений океанологии и лимнологии. Этой теме посвящено огромное количество работ (см., например [10]). В результате экспериментальных гидрооптических исследований были созданы физические модели поглощения и рассеяния света в воде.

Первичные гидрооптические характеристики (ПГХ) несут в себе информацию о количественном и качественном составе вещества, содержащегося в воде. Оптические методы находят применение в биологии и геологии океана, где с их помощью удается определять концентрацию хлорофилла, обнаруживать слои повышенного содержания взвешенных частиц и клеток фитопланктона, определять гранулометрический состав взвеси. Исследования пространственно-временной изменчивости оптических характеристик, позволяют получить ценную информацию1 о динамических процессах в океане. Важнейшее преимущество оптических методов состоит в том, что они дают возможность осуществлять измерения неконтактным способом — с борта вертолета, самолета и со спутников ([11]).

Существуют метрологические задачи [12] "по созданию средств измерений гидрооптических характеристик, в частности поглощения и рассеяния контактными методами для дальнейшего их использования в качестве образцовых при исследовании метрологических возможностей неконтактных методов"

Вода в естественных водоемах представляет собой сложную физико-химико-биологическую систему . Она содержит в себе растворенные вещества, органическую и неорганическую взвесь, множество разнообразных живых организмов. При анализе оптических свойств природной воды рассматривается ряд теоретических моделей: чистая вода + растворенное органическое вещество, чистая вода + растворенное органическое вещество + взвесь [13].

Вода — самое распространенное вещество на Земле, тем не менее оптические свойства чистой воды известны еще недостаточно. Чистая вода, с точки зрения квантовой механики, является сложной конденсированной системой и точный теоретический расчет поглощения света в чистой воде в настоящее время невозможен.

В океанологической практике используется экспериментально измеренный спектр поглощения, света в очищеной природной воде, причем существуют расхождения в данных, полученных разными авторами ([14],[15],[16],[17], [18]).

Спектр поглощения света в природной воде обусловлен наличием растворенного органического вещества ( РОВ ), не превышающей обычно нескольких мг/л [19], что на четыре порядка меньше растворенной неорганики (для океана). Концентрация РОВ зависит от биологической продуктивности приповерхностного слоя. В формировании объемного распределения РОВ принимают участие процессы химической деградации зоо- и фито-планктона, процессы диффузии и водообмена.

На Рис. 1.1 представлен спектр поглощения света "чистой водой" (кривая 1), полученной после очистки и многократой дистилляции природной воды [14].

Спектр поглощения света в воде, измеренный нами на глубине

1000м в районе байкальского нейтринного телескопа [20], изображен на Рис.1.1 кривой 2. Природная вода является фильтром переменной толщины, который заметно трансформирует исходный черенковский спектр излучения (кривая 3), в зависимости от пройденного светом пути, оставляя его сине-зеленую часть. Поглощение света в красной области спектра обусловлено "чистой водой" а в более коротковолновой части — примесями.

3 N Спектр чере* ковского излуч / ения и.

2\ В Спектр поглощ байкальской в гния света >де на 1000м

V1 \ I Спектр погло1 в "чисто ценил света 1 , й" воде и 1 |

300 400 500 600 700

Длина волны,н м

Рис. 1.1. Спектральная зависимость показателя поглощения света "чистой" (1) и глубинной байкальской (2) водой. Спектр черенковского излучения (3, отн.ед.)

Рассеяние света чистой водой может быть расчитано на основе классической электродинамики. Причиной рассеяния является оптическая неоднородность вещества, возникающая из-за теплового движения молекул. Эту идею, высказанную М.Смолуховским [21], развил А.Эйнштейн [22], а затем Ж.Кабанн [23]. К настоящему времени получены формулы [24], описывающие степень поляризации, угловую и спектральную зависимость показателя рассеяния света в чистой воде.

В теории рассеяния малыми частицами рассматриваются некоторые предельные случаи [25]. в Случай малых по сравнению с длиной волны падающего света частиц (релеевское рассеяние).

• Случай предельно больших оптически "мягких" (с коэффициентом преломления близким к коэффициенту преломления среды) частиц.

• Случай небольших оптически "мягких" частиц.

В природных водах в той или иной степени проявляются все три типа рассеяния, причем основной вклад в полное сечение дают крупные частицы, что приводит к сильной анизотропии угловой зависимости рассеяния. Свет, дифрагировавший на крупной взвеси, сосредоточен в области углов 3 — 5° ([26]). Рассеяние на большие углы более изотропно и обусловленно рассеянием на мелкой взвеси и флуктуациях плотности. Вклад чистой воды в полное сечение рассеяния природных вод обычно не превышает нескольких процентов ([27]).

Подводя итог сказанному, можно заключить, что комплексные измерения ПГХ являются важной задачей в исследовании Океана и внутренних водоемов. С развитием спутниковых средств наблюдений роль непосредственных измерений ПГХ in situ должна возрастать. Изучение динамики всех сложных процессов, происходящих в Океане, немыслимо без мониторинга различных гидрофизических параметров, среди которых наиболее информативны оптические.

Задача мониторинга ПГХ, решаемая в рамках глубоководной регистрации нейтрино и мюонов, непосредственно смыкается с основными практическими задачами гидрооптики. Требования к разрабатываемым методам измерений ПГХ и приборам на их основе очень высоки, разнообразны и возможно противоречивы. Сформулируем их в общих чертах:

• необходимо измерять абсолютные значения показателей поглощения и рассеяния с погрешностью не более 1% в диапазоне величин 0.01 — 1т""1, в спектральном диапазоне 300 — 700нм с разрешением не хуже 1нм; необходимо измерять индикатрису рассеяния во всем интервале углов (допустимо в белом свете, без учета поляризации), для вычисления ее интегральных параметров с погрешностью не более 1%; методика измерений должна исключать сложную юстировку, влияние обрастания иллюминаторов, позволять проводить периодически абсолютную калибровку гп эйщ

• при этом хотелось, чтобы прибор был простым, надежным, недорогим, малогабаритным, быстродействующим, малопотребляющим, глубоководным, не вносил световых помех в работу телескопа и был нечувствителен ко внешнему световому фону.

Ниже достаточно подробно рассмотрены существующие методы измерения ПГХ, но во введении надо отметить, что экспериментальная гидрооптика получила развитие в основном с появлением фотоэлектрических приборов, т.е. примерно пятьдесят лет назад. За это время появилось такое количество методов измерений и приборов, что описать здесь пусть даже малую их часть невозможно. Это объясняется, наверное, тем, что каждый естествоиспытатель создавал свой неповторимый прибор.

Так известны измерители спектрального ослабления (прозрачно-меры) Петтерсона [28], Иозефа [29], Ерлова [30], М.В.Козлянинова и Ю.Е.Очаковского [31], прозрачномер ЛФП конструкции М.Ли, разработанный в МГИ (Севастополь) [б]; прибор "Океан" разработанный ЦКБ АМН СССР [32]; "Катран" разработанный совместно ВНИИ-ОФИ и ИОАН под руководством Б.Ф.Кельбалиханова [33]; "Дельфин" [34] Матюшенко и т.д. Во всех перечисленных приборах использовался прямой спектрофотометрический метод измерений.

Для измерения поглощения в рассеивающих средах этот метод модифицировался с тем, чтобы собрать на приемник весь рассеянный свет. При этом использовались зеркально отражающие стенки кюветы и "опаловое" стекло (Шибата [35], Йенч [36]), интегрирующая сфера (прибор "Волна" разработанный ЦКБ АМН СССР)

Этот метод применен в современном погружаемом приборе [37] для измерения поглощения (кювета с отражающими стенками) и ослабления (кювета с поглощающими стенками). Бауэр и др.([38]) показали, что при использовании точечного изотропного источника света и измерителя пространственной облученности, рассеянный свет практически весь собирается в точке приема. Для изучения ПГХ in situ точечный изотропный источник применяли Дантли [39], В.Н.Пелевин [40] и др.

Измерители индикатрисы рассеяния (нефелометры) более сложны и громоздки, поэтому вначале это были, как правило, лабораторные приборы. Из погружаемых нефелометров известны: малоугловой измеритель рассеяния [41]; нефелометр, разработанный МГИ АН СССР [42], использованный В.И.Маньковским в исследовании рассеивающих свойств в том числе и байкальских вод; ВНИИОФИ совместно с ИОАН разработан погружаемый спектрогидронефелометр [43].

С развитием ОКГ появились приборы на их основе: лидары. Кроме измерителей ПГХ, существует множество различных приборов для измерения вторичных характеристик.

Несмотря на огромное разнообразие имевшихся измерителей ПГХ на момент начала наших работ на Байкале в Советском Союзе и за рубежом не было приборов для стационарных метрологически обеспеченных измерений, удовлетворяющих в какой-то степени нашим требованиям, поэтому мы были вынуждены собственными силами разрабатывать необходимую аппаратуру.

Данная работа была выполнена в рамках работ по глубоководной регистрации мюонов и нейтрино на оз. Байкал, ведущихся сотрудничеством "Байкал" в которое в настоящее время входят: Институт ядерных исследований РАН, НИИ прикладной физики Иркутского государственного университета, НИИ ядерной физики Московского государственного университета, Нижегородский государственный технический университет, Санкт-Питербургский государственный морской технический университет, Институт атомной энергии им. И.В.Курчатова, Объединенный институт ядерных исследований, ДЕ-ЗИ — Институт физики высоких энергий (Цойтен, Германия). Руководит работой сотрудничества "Байкал" Г.В.Домогацкий.

Постановка основных гидрооптическйх задач была осуществлена Л.Б.Безруковым и Н.М.Будневым. Большой вклад в их решение внесли М.Д.Гальперин, О.Н.Гапоненко, Ж.-А.М.Джилкибаев, В.И.Добрынин, О.Ю.Ланин, Р.Р.Миргазов, В.А.Наумов, К.А.Почей-кин, А.Э.Ржечицкий. Из многочисленных результатов исследований оптических свойств водной среды, полученных сотрудничеством за неполных 20 лет работы на оз.Байкал, в данную диссертацию включена та их часть, где роль автора диссертации являлась наибольшей.

Цель диссертации

Разработка и обоснование методик измерения спектральных зависимостей показателей поглощения и рассеяния света и индикатрисы рассеяния света в байкальской воде в условиях in situ, в том числе при постановке измерительных приборов на стационарную буйковую станцию, имеющую электрическую связь с берегом. Методика измерений должна исключать необходимость точной юстировки и предусматривать возможность абсолютной калибровки in situ.

Экспериментальная проверка методов измерений ПГХ. Проведение теоретического и экспериментального исследования методических и статистических погрешностей измерений.

Новизна работы Предложен новый метод измерения показателя ослабления света в воде по рассеянному свету от перемещающегося ТИМИС, расчетная формула получена в приближении однократного рассеяния.

• Получена расчетная формула вычисления показателя рассеяния с учетом многократного рассеяния. Подтверждена правильность результатов, полученных приближенным методом и показана область его применимости.

• Предложен новый метод измерения индикатрисы рассеяния путем измерениям поля яркости от ТИМИС, расчетная формула получена в приближении однократного рассеяния.

• Для экспериментальной проверки предложенных методик и измерения ПГХ байкальской воды сделано два прибора, работающих в зондирующем режиме со льда и в стационарном режиме с буйковой станции.

• Были проведены измерения ПГХ байкальской воды на разных горизонтах в течении экспедиций 1987 - 1998г.г. со льда озера, а также на горизонте 900 — 1100 в течении 1993 - 1998г.г. со стационарной буйковой станции в районе проведения работ по глубоководному детектированию мюонов и нейтрино на южном Байкале.

Научная значимость работы

Результаты измерений спектральных зависимостей показателей поглощения и рассеяния света, а также индикатрисы рассеяния света в байкальской воде используются при обработке данных, получаемых с глубоководных черенковских детекторов на оз.Байкал.

Автор защищает. Методику измерения спектрального показателя поглощения с помощью перемещаемого точечного изотропного монохроматического источника света, оптическую схему и результаты измерений. Оценку методической и экспериментальной погрешности. Методику измерения спектрального показателя рассеяния по рассеянному свету от перемещаемого ТИМИС, оптическую схему и некоторые результаты измерений. Оценку методической и экспериментальной погрешности.

• Метод востановления индикатрисы рассеяния света в воде по измерениям яркости ТИМИС, оптическую схему метода и некоторые результаты измерений. Оценку методической и экспериментальной погрешности.

Апробация работы.

Результаты и выводы, содержащиеся в диссертации, обсуждались на XI Пленуме рабочей группы по оптике океана Комиссии по проблемам развития Мирового океана АН СССР (Красноярск, 1990), на Межреспубликанских симпозиумах "Оптика океана и атмосферы" (Томск

1994, 1995, 1998г.г.), на международном рабочем совещании "Методы моделирования и анализа для нейтринных телескопов с объемом кубический километр" (Цойтен, ФРГ 1998), Международном симпозиуме "BICER, BDP and DIWPA Joint International Symposium on lake Baikal" (Иокогама, Япония, 1998), а также на семинарах в отделе элементарных частиц и нейтринной астрофизики НИИ прикладной физики Иркутского государственного университета, Лаборатории нейтринной астрофизики высоких энергий Института ядерных исследований РАН, в Институте океанологии АН им. П.П.Ширшова.

Структура работы

В диссертации проведен анализ существующих методик измерения ПГХ на предмет использования их в стационарных глубоководных приборах для постоянного контроля оптических характеристик. Сделан вывод о непригодности всех существующих методик, кроме методики измерения показателя поглощения света в воде с помощью перемещаемого точечного изотропного источника света. Предложен метод измерения показателя ослабления, рассеяния и индикатрисы рассеяния света в воде с помощью точечного изотропного источника света и узконаправленного приемника.

Первая глава посвящена методам измерения показателя поглощения (ПП). Подробно рассмотрен метод измерений с помощью точечного изотропного монохроматического источника света (ТИМИС), сделаны оценки методической погрешности различными способами, описаны приборы и эксперименты по измерению ПП, приведена оценка экспериментальной погрешности и указаны источники возможных систематических ошибок. Показана применимость модели поглощения света "желтым веществом" для байкальских вод.

Во второй главе проанализированы существующие методы измерения ПО и рассмотрена предложенная автором методика измерения

18—

ПО с помощью ТИМИС. Описан прибор "Бурхан" и процесс измерений, приведены данные методических экспериментов и показано влияние систематических ошибок, связанных с юстировкой и попаданием в приемник "прямого" света. Оценена методическая погрешность приближения однократного рассеяния и экспериментальная погрешность. Получено выражение для прямого восстановления показателя рассеяния из тех же экспериментальных данных.

В третьей главе рассмотрены существующие приборы и методы измерения индикатрисы рассеяния света в воде х(т). Предложена и исследована методика восстановления х(т) из результатов измерений углового распределения яркости от ТИМИС.

Заключение диссертации по теме «Физика высоких энергий», Таращанский, Борис Абрамович

4 Заключение

Подведем итог. Несмотря на большое разнообразие технических подходов к проблеме измерения ПГХ, основные принципы измерений ПП и ПР довольно близки между собой. В их основе лежит измерение интенсивности света до и после прохождения им в воде определенного расстояния. В этом заключается абсолютная калибровка прибора.

Как правило, измерение начальной интенсивности происходит на воздухе и после погружения в воду приходится вводить поправки на эффекты, связанные с преломлением в иллюминаторах (в том числе и для двухканальных приборов с симметричными каналами). Величина поправок сравнима с измеряемым эффектом, поэтому нет полной уверенности в правильности абсолютных значений измеряемой величины.

Отличие нашего подхода состоит в том, что калибровка осуществляется в воде и определение ПП и ПР проводится не по двум точкам, а с учетом вида функциональной зависимости E(R) и B(R). При этом нет необходимости учитывать потери света на оптических элементах, возможно выявить и устранить все искажающие искомую зависимость эффекты (спектральные искажения, блики, взаимное влияние поглощения и рассеяния и т.д.). Кроме уверенности в правильности получаемых результатов, дистанционная калибровка in situ существенно расширяет сферу применения прибора. Становится возможным непрерывный оптический мониторинг водной среды и исключается влияние обрастания оптических поверхностей на результат измерений.

Другим отличием нашего подхода является более простая юстировка при измерении ПР и индикатрисы рассеяния и отсутствие ее при измерении ПП.

Следуя этим принципам имется возможность создания приборов, удовлетворяющих всем изложенным во Введении требованиям. Существенным недостатком метода является сложность измерения ПГХ в верхних слоях в светлое время суток, так как экранирование приемника от внешнего фона приведет к нарушению условия "бесконечности" среды, а увеличивать сигнал относительно фона можно лишь в ограниченных пределах. Тем не менее, основную поставленную задачу: оптический мониторинг водной среды Нейтринного Телескопа — такие приборы могут с успехом решать.

Создание приборов с изотропным источником света и переменной базой позволит решить метрологические проблемы гидрооптики, открывает новые возможности оптического мониторинга водной среды со стационарных буйковых станций, замкнет информационную цепочку от спутниковых данных до первичных гидрооптических характеристик.

Проводимые на оз'. Байкал работы по глубоководному детектированию мюонов и нейтрино, как и предполагалось вначале, стимулировали развитие нетрадиционных методов и приборов изучения водной среды озера. Прежде всего сам Нейтринный Телескоп является мощным инструментом для мониторинга Байкала.

Измерения ПГХ со стационарной буйковой станции в методическом смысле эквивалентнь1 сложным и дорогостоящим пространственно — временным измерениям, проводимым в океане. Строящийся на Байкале Нейтринный Телескоп является уникальным полигоном для отработки различных методов изучения водной среды с целью ее использования и сохранения.

В заключении перечислим основные полученные результаты:

• предложена методика измерения первичных гидрооптических характеристик (показатели поглощения и рассеяния света в воде, индикатриса рассеяния) т вйи, в том числе и со стационарных буйковых станций;

• создан прибор для проверки методик измерения первичных гидрооптических характеристик в зондирующем режиме (прибор с "падающим источником света") и прибор для измерения ПГХ в стационарных условиях — " Бурхан";

• сделано теоретическое обоснование метода несколькими независимыми способами и оценена методическая погрешность измерений, которая не превышает для к — 1%, для о — 10% на оптимальных расстояниях между источником и приемником; оценена минимальная случайная погрешность, достижимая при данных параметрах прибора;

• в течении нескольких лет проводились исследования глубинной и временой зависимости .спектров показателей поглощения и рассеяния света в Байкальской воде (см. Приложение) в районе проведения эксперимента по глубоководному оптическому детектированию мюонов и нейтрино, полученные экспериментальные данные используются для обработки информации с НТ-200, позволяют судить о пространственно-временной изменчивости ПГХ в районе телескопа, и подтверждают необходимость более детального их изучения и непрерывного мониторинга;

• проведенные измерения индикатрис рассеяния байкальских вод, подтверждают данные [8] о высокой пространственно-временной изменчивости этой характеристики в Байкале, что также ведет к необходимости ее непрерывного контроля, позволяют сделать вывод о том, что это наиболее чувствительная характеристика состояния водной среды;

Организация исследований и личный вклад автора

Непосредственное участие в разработке и создании приборов, написании программ, в проведении экспериментов и обработке результатов принимали участие Р.Р.Миргазов, К.А.Почейкин и автор диссертации.

Общее руководство и организацию экспедиционных работ осуществлял Г.В.Домогацкий. Научное руководство на разных этапах осуществляли Г.А.Кушнаренко, Л.Б.Безруков и Н.М.Буднев.

Благоприятно сказался на результатах работы постоянный интерес к ней Ю.В.Парфенова.

Большая консультативная помощь оказана В.Н.Пелевиным и П.П.Шерстянкиным.

Инженерно-технические разработки узлов прибора "Бурхан" были выполнены В.В.Трутневым и С.М.Кирюхиным.

Изготовление деталей прибора было выполнено рабочими высшей квалификации В.С.Петрушиным, В.В.Моисеевым, С.В.Петрушиным, В.В.Тарасенко.

Полезными были обсуждения различных теоретических и технических проблем с сотрудниками НИИПФ и сотрудничества "Байкал": В.И.Добрыниным, Ж.-А.М.Джилкибаевым, О.Ю.Ланиным,

A.Э.Ржечицким, О.Н.Гапоненко, В.А.Наумовым, С.А.Никифоровым,

B.Л.Зурбановым, В.А.Приминым, А.П.Кошечкиным, А.И.Панфиловым, Л.А.Кузьмичевым, А.А.Дорошенко, С.И.Климушиным и другими.

Хочу поблагодарить всех перечисленных выше людей и сказать, что считаю их соавторами данной работы.

Хочу поблагодарить также участников и технический персонал экспедиций 1982 - 1998г.г. за помощь и дружескую поддержку.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Таращанский, Борис Абрамович, 1999 год

1. М.Лонгейр. Астофизика высоких энергий. М.: Мир., 1984, 396 с.

2. Markov М.А. On high energy neutrino physics // Proc. 1960 Annual Int. Conf. on High Energy Phys., Rochester. 1960 P.578.

3. Chudakov A.E.(Oral contribution) // Proc. of 1979 DUMAND Summer Workshop at Khabarovsk and lake Baikal. Honolulu: Univ. of Hawaii, DUMAND Center, 1980. P.376.

4. Biron A., Hundermark S., Karle A. et al. Proposal: Upgrade of AMANDA-B to AMANDA II// Preprint PRC 97/05. DESY-Zeuthen, Germany. 1997. 210 p.

5. Ли М.Е. Логарифмический фотометр-прозрачномер для видимой и ультрафиолетовой области спектра.- В кн.: Методика и аппар-тура для гидрофизических исследований. Киев: Наук.думка, 1969, т.41, с.180 — 188.

6. П.П.Шерстянкин. Оптические свойства байкальских вод (от представлений Г.Ю.Верещагина до наших дней)//Первая байкальская междунар. конф.(2-7 окт. 1989г.) Тез. докл. и стенд, со-общ. Иркутск,1989.-с30-31. На русск. и англ. яз.

7. Маньковский В.И. Характеристики индикатрис рассеяния света в водах оз.Байкал, //в сб. Автоматизация лимнологических исследований и световой режим водоемов. Новосибирск: Наука, 1984. С.125-137.

8. Копелевич О.В., Буренков В.И., Маштаков Ю.Л. и др. Оптические свойства морской воды и обуславливающие их факторы в некоторых районах Тихого океана.- Океанол. исслед., 1976, N29, с. 55-82.

9. Оптика океана. В 2 т. Т. Физическая оптика океана / Отв. ред. А.С.Монин. М.:1983. 372 с.

10. Копелевич О.В. Оптические свойства морской воды. Докторская диссертация М.: ИОАН, 1989, с.7.

11. Отчет о научно-исследовательской работе "Разработка и изготовление аппаратуры для исследования оптических свойств океанических вод"Научн.рук. В.В. Бачериков М., 1982, с.78.

12. Оптика океана. В 2 т. Т. Физическая оптика океана / Отв. ред. А.С.Монин. М.:1983. с.213-234.

13. Morel A.and Prieur L.//Limnol., Oceanogr. 1977. V.18, P.3348.

14. James H.R., Birge E.A. A laboratory study of the absorption of light by lake waters. -Trans. Urisc. Acad. Sci.,1938, vol. 31, p. 1-154

15. Hale G.M., Querry M.R. Optical properties of Water the 200-mm to 200-mm. Wavelength Radion. — Appl. Opt., 1973, vol.l2(3), p.555-563.

16. Tarn A.C., Patel K.N. Optical absorption of light and heavy water by laser optoacoustic spectroscopy.- Appl. Opt., 1979, vol. 18, N19, p. 3348-3358.

17. Грудинкина H.П. Поглощение ультрафиолетового излучения морской водой.- Оптика и спектроскопия, 1956, т.1, вып.5,с 658-662.

18. Романкевич Е.А. Геохимия органического вещества в океане. М.: Паука, 1977.

19. В.И.Добынин, Р.Р.Миргазов, К.А.Почейкин, Б.А.Таращанский. Спектральное поглощение света глубинной байкальской водой// Оптика атмосферы и океана. 1976. Т.10. N.3. С.234-244.

20. Smoluchovski M.V. Molecular-kinetische Theorie der Opaleszenz von Gasen im kritischen Zustande, sowieeiniger verwandter Erscheinungen. Ann. Phys., 1908, Bd.25,S. 205-226.

21. Эйнштейн А. Теория опалесценции в однородных жидкостях и жидких смесях вблизи критического состояния. ■— Собр. научн. тр. М.: Наука, 1966, т.З, с. 216-237.

22. Cabannes J.J. d.Physic, 1920, 6, р. 129-142

23. Вукс М.Ф. Рассеяние света в газах, жидкостях и растворах. JL: Изд-во ЛГУ, 1977.

24. Оптика океана. В 2 т. Т. Физическая оптика океана / Отв. ред. А.С.Монин. М.:1983. с.32-33.

25. Шифрин К.С., Салганик И.Н. Рассеяние света моделями морской воды.- В кн.: Таблицы по светорассеянию. JL: Гидрометиздат, 1973, т.5

26. Оптика океана. В 2 т. Т. Физическая оптика океана / Отв. ред. А.С.Монин. М.:1983. с. 220.

27. Pettersson Н. А transparency-metter for sea water.-Medd Goteborgs Hogs. Ocean Inns., 1934, 3, N7, p.1-8.

28. Joseph J. Durchsichtigkeitsmessungen im Meere.- Dtsch. hydrogr. Z., 1949, 2 S. 212-218.

29. Ерлов И. Оптическая океанография. М.: Мир, 1970. 223 с.

30. Козлянинов М.В. Руководство по гидрооптическим измерениям в море.- Тр. ИОАН СССР, 1961, 47, с 37-79.

31. Копелевич О.В., Маштаков Ю.Л., Русанов С.Ю. Аппаратура и методика исследования оптических свойств морской воды.- В кн.: Гидрофизические и гидрооптические исследования в Атлантическом и Тихом океанах.М.: Паука, 1974, с. 97-107.

32. Кельбалиханов Б.Ф., Козлянинов М.В., Поздынин В.Д. Комплекс аппаратуры для оптических измерений в море.-В кн: Оптические исследования в океане и атмосфере над океаном. М.: Изд. ИОАН СССР, 1975, с.4-23.

33. Матюшенко В.А. Аппаратурно-методический комплекс для измерения показателя ослабления света морской водой. Канд. дисс. М.: ИОАН, 1985, 238 с.

34. Shibata К. Spectrophotometry of intact biological materials.-J.Biochem., 1958, 45(8).

35. Yench C. Measurement of visible light absorption by particulate matter in the ocean.-Limnol. Oceanogr., 1962, 7(2), p. 207-217.

36. A.Bricaud, C.Roesler, and J.R.V.Zaneveld. In situ method for measuring the inherent optical properties of ocean water. Limnol. Oceanogr. 40, 393 — 410(1995).

37. Bauer D., Brun-Cottan J.C., Saliot A. Princip d'une measure directe dans l'eau de mer du coefficient d'absorption de la lumiere // Cah. Oceanogr. 1971. V.23. N.9. P. 841-858.

38. Duntley S.Q. Light in the sea // J. Opt. Am. 1963. V.53. P. 214-233.

39. Пелевин В.Н., Прокудина Т.М. Определение величины показателя поглощения света морской водой по параметрам изотропного источника // Оптика океана и атмосферы. JL: Наука. 1972. С.148-157.

40. Маньковский В.И., Семенихин В.М., Неуймин Г.Г. Морской погружаемый нефелометр. //Моские гидрофизические исследования. 1970. Т.48. N.2. С.171-181.

41. Вейнберг В.Б., Дульнева Н.М., Мейнгард П.Н. Полярный спектрогидронефелометр.- ДАН СССР, 1955, т. 121, N4, с. 634636.

42. Вортман М.И., Гольдин Ю.А., Гуреев Б.А. и др. Судовой ли-дар для измерения оптических характеристик морской воды. — В кн.: Оптические методы изучения океанов и внутренних водоемов: Тез. докл. Таллин: Изд-во АН ЭССР, 1980, с. 276-279.

43. Оптика океана. В 2 т. Т. Физическая оптика океана / Отв. ред. А.С.Монин. М.:1983. с. 138-139.

44. Долин Л.С., Савельев В.А. О характеристиках сигнала обратного рассеяния при импульсном облучении мутной среды узким направленным световым пучком. Изв. АН СССР. ФАО, 1971, т.7, N.5, с.505.

45. Пелевин В.Н. Об измерении показателя истинного поглощения света в море.- Изв. АН СССР. ФАО, 1965, т.1, N.5, с.539-545.

46. Пелевин В.Н., Прокудина Т.М. Световое поле в море, создаваемое точечным изотропным источником излучения. — В кн.: Гидрофизические и гидрооптические исследования в Атлантическом и Тихом океанах. М.: Наука, 1974, с. 191-198.

47. Долин Л.С. Автомодельное приближение в теории многократного сильно анизотропного рассеяния света. //ДАН СССР. 1981. Т.60. N.6. Р.1344-1347.

48. Ланин О.Ю. Методика определения оптических характеристик в воде с сильно анизотропным рассеянием. Диплом МИФИ. М., 1989. 61 с.

49. Безруков Л.Б., Буднев Н.М., Бутин Н.П. и др. Высокочувствительный батифотометр и исследования светового поля озера Байкал// Океанология. 1988. Т.28. Вып.2. С.331-335.

50. Иванов А.П., Шемшура В.Е. Метод оценки величины показателя поглощения света в море. Мор. гидрофиз. исслед., 1973, N.1(60), с. 110-118.

51. Шифрин К.С. Введение в оптику океана. Л.: Гидрометеоиздат. 1983. 278 с.

52. Шерстянкин П.П. Фронтогенез на Байкале по материалам оптических наблюдений//Докл. АН СССР. 1992. Т.326. N.5 С.366-370.

53. Федоров К.Н. Физическая природа и структура океанических фронтов, Л.: 1983, Гидрометеоиздат, 296 с.

54. Kalle К. The problem of the gelbstoff in the see // Oceanography and Marin Biology: Annu. Rev. London. 1966. Vol.4. P.91-104.

55. Копелевич O.B., Люцарев C.B., Родионов B.B. Спектральное поглощение света "желтым веществом" океанской воды // Океанология. 1989. Т.29. Вып. 3. С. 409-414.

56. Добрынин В.И., Миргазов P.P., Почейкин К.А., Таращанский Б.А. Спектральное поглощение глубинной байкальской водой. Оптика атмосферы и океана, 10, N.3, 1997.

57. Шифрин К.С. Рассеяние света в мутной среде, ГТТИ, М.-Л., 1951, гл.5.

58. Morel A. Interpretation des variations de la forme de l'indicatrice de diffusion de lalumierepar les eaux de iner. — Ann. geophys., 1965, vol. 21, N.2, p.281-284.

59. Копелевич O.B. Оптические свойства морской воды. Докторская диссертация М.: ИОАН, 198, с.171-199.

60. Оптика океана. В 2 т. Т. Физическая оптика океана / Отв. ред. А.С.Монин. М.:1983. с. 216.

61. Beutell R.G. and Brewer A.W. Instruments for measurement of the visual range. J. Sci. Instr., 1949. 26. p.357.

62. Burt W.V Selective transmission of light in tropical Pasific waters. Deep-Sea Res., 1958, 5, 51-61.

63. Gumprecht R.O. and Slipcevich C.M. Scattering of light by large spherical particles. J. Opt. Soc. Am., 1953, 57, 90-94.

64. Ерлов Н.Г. Оптика моря. Пер. с англ. Л.: Гидрометиздат, 1980. 248 с.

65. Тимофеева В.А. Прибор для определения коэффициента ослабления направленного света в море. Sov. oceanogr. 1962, Ser., 4, 79-83.

66. Парамонов А.Н. Морской импульсный фотометр-прозрачномер. Океанология, 1964, 4, вып.2, 314-320.'

67. Козлов В.Д., Самсон Н.А. Измерение показателя ослабления света в воде по обратному светорассеянияю,- Изв. АН СССР.ФАО, 1974, т.10, N.10, с. 1093-1095.

68. Иванов А.П., Скрелин А.Л. Определение показателя ослабления водных и воздушных бассейнов по измерению нестационарного рассеяния света. — Изв. АН СССР. ФАО, 1969, т.5, N.12, с. 13271330.

69. Зеге Э.П., Иванов А.П. и др. Определение показателей ослабления и рассеяния водной среды и атмосферы по временному размытию отраженного импульсного сигнала.- Изв. АН СССР. ФАО, 1971, т.7, N.7, с. 750-757

70. Кейз К., Цвайфель П. Линейная теория переноса. М.: Мир, 1972. 384 с.

71. Таращанский Б.А., Миргазов P.P., Почейкин К.А. Стационарный глубоководный измеритель гидрооптических характеристик "Бурхан" // Оптика океана и атмосферы. 1995. Т.8. N.5. С.771-774.

72. Карабашев Г.С., Кулешов А.Ф., Шестянкин П.П. Спектральная прозрачность байкальских вод в ультрафиолетовой и видимой частях спектра // Докл. АН СССР. 1989. Т.306. N.5. С.1091-1094.

73. Morel A. Diffusion dela lumiere par les eaux de mer. Rezaltats experimentauxs et approche theorique.-In: Optic of the sea. AGAED. Lect. Ser.,1973, N.61. p. 3.1.1-71.

74. Максимова Э.А., Максимов B.H. Микробиология вод Байкала. Иркутск: Иркутский ун-т, 1989. 165 с.

75. Yentsch.C.S. Measurements of visible light absorption by particulate matter in the ocean. — Limnol. and Oceanogr., 1962, vol 7(2), p. 207 — 217.

76. Bader H. The hiperbolic dictribution of particle sizes.- J. Geophys. Res., 1970, vol. 75(15), p. 2822-2830.

77. Иванов А.А. Введение в океанографию. М.:Мир, 1978.

78. Byalko A.V. Polarization relations and fluctuations of scattering on suspension: Prepr. L.D. Landay. Inst. Theor. Phys., 1977. p.18

79. Оптика океана. В 2 т. Т. Физическая оптика океана / Отв. ред. А.С.Монин. М.:1983. с. 162.

80. Маньковский В.И. Тонкая структура индикатрис рассеяния света в морских и океанических водах. — Мор. гидрофиз. исслед., 1972, N2 (58), с. 126 — 140.

81. Оптика океана. В 2 т. Т. Физическая оптика океана / Отв. ред. А.С.Монин. М.:1983. с. 162.

82. Маньковский В.И. Тонкая структура индикатрис рассеяния света в морских и океанических водах. — Мор. гидрофиз. исслед., 1972, N2 (58), с. 126 — 140.

83. Рак H., Zaneveld J.R.V., Beardsley G.F. Mie scattaring by suspended clay particles. — J.Geophys. Res.,1971, vol. 76(21), p. 5065 — 5069.

84. Кузнецов В.И. Измерение индикатрис рассеяния при углах близких к направлению распространения прямого излучения. — Опт.-мех. пром-сть, 1958, N11, с. 8 -11.

85. Tayler J.E. and Richardson W.H. Nephelometr for the measurement of volume scattaring in situ. J. Opt. Soc. Am., 1958, 48, 354-357.

86. Таращанский Б.А., Гапоненко О.H., Добрынин В.И. Измерения индикатрисы рассеяния по световому полю источника с широкой диаграммой направленности // Оптика атмосферы и океана. 1994. Т.7. N 11-12. С 1508-1515.

87. Верлань А.Ф., Сизиков B.C. Интегральные уравнения: методы, алгоритмы, программы. Справочное пособие. Киев: Наукова думка, 1986.

88. Гапоненко О.П., Миргазов P.P., Таращанский Б.А. Определение первичных гидрооптических характеристик по световому полю точечного источника // Оптика атмосферы и океана.1994. Т.9. N 8. С 1069-1076.