satНАУКА и ТЕХНИКАScience & Technique2227-10312414-0392Belarusian National Technical University10.21122/2227-1031-2023-22-5-387-396sat-2706Research ArticleПРИБОРОСТРОЕНИЕINSTRUMENTATION ENGINEERINGСпектрометр для оценки содержания SO2 в вулканических выбросахSpectrometer for Estimating SO2 Content in Volcanic PlumesБручковскийИ. И.BruchkouskiI. I.

Кандидат физико-математических наук.

Минск, Республика Беларусь

Minsk, Republic of Belarus

ЛитвиновичГ. С.LitvinovichH. S.

Минск, Республика Беларусь

Minsk, Republic of Belarus

litvinovichgs@yandex.byИнститут прикладных физических проблем имени А. Н. Севченко БГУ; Национальный научно-исследовательский центр мониторинга озоносферы БГУБеларусьA. N. Sevchenko Institute of Applied Physical Problems of Belarusian State University, National Research Center for Ozonosphere Monitoring of Belarusian State UniversityBelarusИнститут прикладных физических проблем имени А. Н. Севченко БГУБеларусьA. N. Sevchenko Institute of Applied Physical Problems of Belarusian State UniversityBelarus202310102023225387396Copyright © Бручковский И.И., Литвинович Г.С., 20232023Бручковский И.И., Литвинович Г.С.Bruchkouski I.I., Litvinovich H.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sat.bntu.by/jour/article/view/2706

Автономный портативный спектрометр DEVI (Doas Expedition Volcanic Instrument) предназначен для полевых измерений наклонных содержаний SO2 в вулканических выбросах дистанционным оптическим методом DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy) в диапазоне 290–365 нм с разрешением не хуже 1 нм. Для его разработки были решены такие задачи, как: практическая реализация спектрометра, включающая в себя разработку оптической схемы; создание корпуса спектрометра, обеспечивающего функции уменьшения рассеянного излучения и удобство юстировки; использование набора дополнительных датчиков для регистрации условий измерений; проведение серии лабораторных измерений для определения характеристик спектрометра; проведение серии натурных измерений и предварительная обработка полученных данных с целью восстановления наклонных толщ диоксида серы в вулканическом выбросе. На этапе разработки спектрометра использовались методы численного моделирования оптических систем в программной среде Zemax, на этапе обработки экспериментальных данных для восстановления наклонных содержаний диоксида серы – метод DOAS. Представлены результаты лабораторных измерений характеристик спектрометра: спектральное разрешение 0,58 ± 0,5 нм, угловое поле зрения 1 × 0,25°. Экспериментально определенные параметры шума детектора DEVI применялись для построения математического фильтра с целью увеличения отношения сигнал – шум, что позволило оценить содержание диоксида серы в вулканических выбросах. DEVI успешно опробован в ходе экспедиций на Курильские острова в периоды 31.07–13.08.2021 и 27.07–29.08.2022, в результате чего восстановлена величина наклонного содержания (7,5 ± 1,2)·1017 молекул/см2 в выбросе вулкана Чиринкотан. Полученная оценка наклонного содержания диоксида серы согласуется с результатами, полученными различными научными группами с использованием аналогичного метода для других вулканов.

This work presents the development and implementation of an autonomous portable spectrometer DEVI (Doas Expedition Volcanic Instrument), designed to measure SO2 slant columns in volcanic plumes by remote optical method DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy) in the range of 290–365 nm with a resolution of at least 1 nm. To achieve this goal, the following tasks have been solved: practical implementation of the spectrometer, including design of optical scheme; design of a spectrometer housing for reducing scattered radiation and facilitate adjustments; applying of additional sensors to record measurement conditions; laboratory measurements to determine the spectrometer's characteristics; field measurements and preliminary data processing to retrieve SO2 slant columns in volcanic plumes. During the spectrometer design phase, numerical simulation methods in the Zemax software have been used, while DOAS was applied for processing experimental data for retrieving SO2 slant columns. Our laboratory measurements showed that the DEVI spectrometer has a spectral resolution of 0.58 ± 0.5 nm and an angular field of view of 1 × 0.25°. To improve the signal-to-noise ratio, mathematical filter based on the experimentally determined noise parameters of the DEVI detector has been introduced, which allowed us to estimate the SO2 slant columns in volcanic plumes. DEVI was successfully tested during expeditions to the Kuril Islands in the periods of July – August, 2021 and 2022 (31.07–13.08.2021 and 27.07–29.08.2022). Our field measurements and data processing showed the SO2 slant column value of (7.5 ± 1.2)·1017 molecules/cm2 for the volcano Chirinkotan. Obtained estimation is consistent with known results obtained for other volcanoes.

DOASУФ-спектрометр для полевых измеренийвулканические выбросыдиоксид серыDOASUV-spectrometer for field measurementsvolcanic plumessulfur dioxideReferencesSparks, R. S. J. Forecasting Volcanic Eruptions / R. S. J. Sparks // Earth and Planetary Science Letters. 2003. Vol. 210, No 1. P. 1–15. https://doi.org/10.1016/s0012-821x(03)00124-9.Sparks R. S. J. (2003) Forecasting Volcanic Eruptions. Earth and Planetary Science Letters, 210 (1), 1–15. https://doi.org/10.1016/s0012-821x(03)00124-9.Forecasting, Detecting, and Tracking Volcanic Eruptions from Space / M. P. Poland [et al.] // Remote Sensing in Earth Systems Sciences. 2020. Vol. 3, iss. 1. P. 55–94. https://doi.org/10.1007/s41976-020-00034-x.Poland M. P., Lopez T., Wright R., Pavolonis M. J. (2020) Forecasting, Detecting, and Tracking Volcanic Eruptions from Space. Remote Sensing in Earth Systems Sciences, 3 (1), 55–94. https://doi.org/10.1007/s41976-020-00034-x.Forecasting Etna Eruptions by Real-Time Observation of Volcanic Gas Composition / A. Aiuppa [еt al.] // Geology. 2007. Vol. 35, No 12. P. 1115–1118. https://doi.org/10.1130/g24149a.1.Aiuppa A., Moretti R., Federico C., Giudice G., Gur-rieri S., Liuzzo M., Papale P., Shinohara H., Valenza M. (2007) Forecasting Etna Eruptions by Real-Time Obser-vation of Volcanic Gas Composition. Geology, 35 (12), 1115–1118. https://doi.org/10.1130/g24149a.1.Platt, U. Differential Optical Absorption Spectroscopy: Principles and Applications / U. Platt, J. Stutz. Berlin: Springer-Verlag, Heidelberg, 2008. 597 p.Platt U., Stutz J. (2008) Differential Optical Absorption Spectroscopy: Principles and Applications. Berlin, Springer-Verlag, Heidelberg, 2008. 597.Variation of the BrO/SO2 Molar Ratio in the Plume of Tungurahua Volcano Between 2007 and 2017 and Its Relationship to Volcanic Activity / S. Warnach [et al.] // Frontiers in Earth Science. 2019. Vol. 7. P. 1–14. https://doi.org/10.3389/feart.2019.00132Warnach S., Bobrowski N., Hidalgo S., Arellano S., Sihler H., Dinger F., Lübcke P., Battaglia J., Steele A., Galle B., Platt U., Wagner T. (2019) Variation of the BrO/SO2 Molar Ratio in the Plume of Tungurahua Volcano Between 2007 and 2017 and Its Relationship to Volcanic Activity. Frontiers in Earth Science, 7, 1–14. https://doi.org/10.3389/feart.2019.00132.Detection of Bromine Monoxide in a Volcanic Plume / N. Bobrowski [et al.] // Nature. 2003. Vol. 423, iss. 6937. P. 273–276. https://doi.org/10.1038/nature01625.Bobrowski N., Hönninger G., Galle B., Platt U. (2003) Detection of Bromine Monoxide in a Volcanic Plume. Nature, 423 (6937), 273–276. https://doi.org/10.1038/nature01625.Toshiba TCD1304DG [Electronic Resource]. Mode of access: https://toshiba.semicon-storage.com/ap-en/semiconductor/product/linear-image-sensors/detail.TCD1304DG.html – Date of access: 23.07.2020.Toshiba TCD1304DG. Available at: https://toshiba.semicon-storage.com/ap-en/semiconductor/product/linear-image-sensors/detail.TCD1304DG.html (accessed 23 July 2020).Zemax Official Website [Electronic Resource]. Mode of access: https://www.zemax.com/. Date of access: 21.08.2022.Zemax Official Website. Available at: https://www.zemax.com (accessed 21 August 2022).A Technique for Evaluation of CCD Video-Camera Noise / K. Irie [et al.] // IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology. 2008. Vol. 18, Iss. 2. P. 280–284. https://doi.org/10.1109/tcsvt.2007.913972.Irie K., McKinnon A. E., Unsworth K., Woodhead I. M. (2008) A Technique for Evaluation of CCD Video-Came-ra Noise. IEEE Transactions on Circuits and Systems for Video Technology, 18 (2), 280–284. https://doi.org/10.1109/tcsvt.2007.913972.QDOAS software [Electronic Resource]. Mode of access: https://uv-vis.aeronomie.be/software/QDOAS/. Date of access: 04.04.2023.QDOAS Software. Available at: https://uv-vis.aeronomie.be/software/QDOAS/ (accessed 04 April 2023).Литвинович, Г. С. Алгоритм предварительной обработки данных линейки приборов с зарядовой связью на основе адаптивного фильтра Винера / Г. С. Литвинович, И. И. Бручковский // Информатика. 2021. Т. 18, No 1. С. 72–83. https://doi.org/10.37661/1816-0301-2021-18-1-72-83.Litvinovich H. S., Bruchkouski I. I. (2021) Algorithm for Preliminary Processing of Charge Coupled Devices Array Data Based on the Adaptive Wiener filter. Informatika = Informatics, 18 (1), 72–83. https://doi.org/10.37661/1816-0301-2021-18-1-72-83 (in Russian).BrO/SO2 Molar Ratios From Scanning DOAS Measurements in the NOVAC Network / P. Lübcke [et al.] // Solid Earth. 2014. Vol. 5, iss. 1. P. 409–424. https://doi.org/10.5194/se-5-409-2014.Lübcke P., Bobrowski N., Arellano S., Galle B., Gar-zón G., Vogel L., Platt U. (2014) BrO/SO2 Molar Ratios From Scanning DOAS Measurements in the NOVAC Network. Solid Earth, 5 (1), 409–424. https://doi.org/10.5194/se-5-409-2014.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.