Спектрометр для оценки содержания SO2 в вулканических выбросах

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.

1. Sparks, 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.

2. 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.

3. 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.

4. Platt, U. Differential Optical Absorption Spectroscopy: Principles and Applications / U. Platt, J. Stutz. Berlin: Springer-Verlag, Heidelberg, 2008. 597 p.

5. 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.2019.00132

6. 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.

7. 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.

8. Zemax Official Website [Electronic Resource]. Mode of access: https://www.zemax.com/. Date of access: 21.08.2022.

9. 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.

10. QDOAS software [Electronic Resource]. Mode of access: https://uv-vis.aeronomie.be/software/QDOAS/. Date of access: 04.04.2023.

11. 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.

12. 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.