Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2013 номер 9

Проведено моделирование атмосферного пропускания с использованием параметров спектральных линий поглощения СО₂ из базы данных HITRAN-2008 и банка CDSD, а также с применением аппроксимации контура линий поглощения CO₂, учитывающей эффект интерференции близко расположенных линий. Для CO₂ приводятся характерные примеры спектральных диапазонов, в которых в атмосферных условиях вклад этого эффекта следует учитывать при расчете пропускания.

Представлены результаты численного моделирования нелинейного распространения мощного импульсного лазерного излучения на длине волны 10,6 мкм в воздухе в режиме керровской самофокусировки и филаментации. Оптическая модель воздуха включала в себя кубичную и высшие нелинейности, плазменную нелинейность и линейное поглощение. Изучен режим одиночной филаментации лазерного пучка с пиковой мощностью до нескольких тераватт и длительностью импульса 1 пс. Впервые показано, что особенность самовоздействия такого длинноволнового излучения в воздушной среде, в отличие от филаментации в ближнем ИК-диапазоне, заключается в формировании аномально протяженного и широкого в поперечнике интенсивного светового канала (десятки ТВт/см²), сопровождаемого однородной плазменной колонкой. Формирующаяся в канале пучка электронная плазма имеет сравнимую с фемтосекундной плазмой пиковую плотность электронов, однако при этом характеризуется более плавным ее изменением по дистанции распространения излучения. Причина этого заключается в том, что в поле излучения пикосекундных импульсов CO₂-лазера изменяется сам характер ионизации среды в пользу туннелирования связанных электронов через потенциальный барьер и последующего развития электронной лавины.

Представлены результаты лабораторных экспериментов по нелинейному распространению интенсивного импульсно-периодического и непрерывного излучения СО₂-лазера в газовой среде. Опыты проведены в кювете, содержащей смесь воздуха и углекислого газа в различной концентрации (~ 1–4%), в условиях сильного поглощения и теплового самовоздействия лазерного излучения. Условия эксперимента моделировали атмосферное распространение излучения на километровой трассе. Использовались остросфокусированные лазерные пучки, регистрация зон тепловыделения вдоль канала излучения проводилась по методике теневой съемки. Установлено, что фокальная перетяжка лазерного пучка, несмотря на повышенную интенсивность, характеризуется сниженным тепловыделением по сравнению с пред- и постфокальными областями пучка. В качестве наиболее вероятной физической причины обнаруженной закономерности рассматривается эффект насыщения резонансного коэффициента поглощения СО₂ при высокой пиковой интенсивности импульсного излучения (“просветление” трассы). Для непрерывного режима излучения указанный эффект проявляется значительно слабее.

Проведен анализ механизмов рассеяния излучения на шаре в диапазоне углов рассеяния θ от 0 до 180° путем сопоставления точных индикатрис, рассчитанных по теории Ми, и интерференционных индикатрис с участием дифракционного и парциальных лучей геометрической оптики (ГО). При этом оказалось, что крупномасштабные осцилляционные закономерности точной индикатрисы при бóльших Ми параметрах х соответствуют интерференционной картине двух или трех лучей с уточненными амплитудой дифракционного и сдвигами фаз ГО лучей. Для интегральных характеристик погрешность расчета с использованием интерференционных формул в области углов θ = 0 ÷ 10° не превышает единиц процентов для х > 10 и стремится к нулю с ростом х. Для остальных областей в зависимости от сочетания четностей целых частей p полного угла рассеяния следует стремление с ростом параметра Ми периодов осцилляций по q к нулю по законам х^–1, х^–2/3 (радуга) и х^–1/2, а период осцилляций по х начинает зависеть только от θ. Результаты расчета средних по интервалам Δθ = 10 ÷ 15° индикатрис для показателя m = 4/3 представлены в виде аппроксимационных соотношений с асимптотическим стремлением к индикатрисе ГО.

В результате гамма-спектрометрического анализа проб атмосферных аэрозолей, отобранных с 11 марта по 17 июня 2011 г. в районе г. Владивостока, были зарегистрированы искусственные радионуклиды йод-131 (¹³¹I), цезий-134 (¹³⁴Cs) и цезий-137 (¹³⁷Cs), а также природные изотопы бериллия-7 (⁷Be) и калия-40 (⁴⁰K). Искусственные радионуклиды были также обнаружены в атмосферных мокрых выпадениях. Изменчивость гамма-активности природных изотопов ⁷Be и ⁴⁰K не превышает одного порядка в течение всего периода отбора проб. Синоптический анализ обратных траекторий движения воздушных масс показал, что радиоактивное облако пришло из районов Сибири и северо-восточной части Китая.

Исследованы адсорбционные и фотоадсорбционные свойства осажденного аэрозоля, полученного диспергированием кристалла минерала магнезита (MgCO₃) в условиях окружающего воздуха. Проведен анализ текстуры образцов осажденного аэрозоля, кристаллической структуры микрочастиц аэрозоля и состава адсорбированного слоя, формируемого в процессе размола кристалла минерала на воздухе. Изучены кинетические закономерности десорбции и фотодесорбции CO₂ с поверхности микрочастиц аэрозоля и взаимодействия фреона 22 (CHF₂Cl), СО, О₂ и N₂O с их поверхностью в темноте и под действием света. Определены квантовые выходы и спектральные зависимости квантовых выходов фотодесорбции CO₂ и фотоадсорбции О₂. Показано, что аэрозоль из минерала магнезита активен под действием освещения в удалении из атмосферы Земли электронно-акцепторных газов.

Метод пассивного отбора проб является простым малозатратным методом для оценки концентраций газообразных веществ в воздухе. По сравнению со стандартными методами мониторинга на точность измерений методом пассивного отбора проб в значительно большей степени влияют метеорологические и методические факторы. В статье представлены данные теоретических и экспериментальных исследований ряда факторов, влияющих на точность результатов измерений концентраций NO₂ в атмосферном воздухе. Сравнение метода пассивного отбора проб и контрольных методов (сорбционные трубки, хемолюминесцентный газоанализатор) в условиях умеренно-континентального климата выявило систематическое статистически значимое занижение концентраций NO₂, найденных с помощью метода пассивного отбора проб. Показано, что обнаруженное занижение связано с тем, что общепринятая модель обработки данных пассивного отбора проб не учитывает особенности физико-химического взаимодействия диоксида азота с раствором сорбента, связанные с влиянием влажности воздуха. Разработана новая физико-химическая модель пассивного отбора проб диоксида азота, основанная на известных данных о взаимодействии NO₂ с раствором сорбента. Применение модели позволило существенно улучшить согласие между концентрациями NO₂, рассчитанными по данным пассивного отбора проб, и концентрациями, измеренными контрольными методами, устранить систематическое и статистически значимое различие между ними.

Рассчитаны характерные времена фотоионизации c основного 3S- и возбужденного 3P-состояний атома натрия. Построена модель балансных уравнений кинетики ионизации и рекомбинации атмосферного натрия в оптически тонком случае, на основе экспериментальной схемы реакций образования комплексных ионов с участием натрия, которая учитывает и фотопроцессы для основного и возбужденного его уровней. Численное решение уравнений баланса описывает динамику плотности атомов натрия, ионов натрия и комплексных ионов Na⁺H₂O, Na⁺N₂ и Na⁺СO₂ при учете лазерной подсветки на резонансном переходе с длиной волны 0,589 мкм.

Проведено сравнение вертикальных профилей концентрации О₃, СО, СО₂ и СН₄, измеренных с помощью самолета-лаборатории Ту-134 «Оптик» (СМЛ) и восстановленных по данным прибора IASI, установленного на борту метеорологического спутника Европейского космического агентства (MetOp). Показано, что абсолютные различия концентраций озона, полученных на СМЛ и MetOp, могут изменяться от 3 до 18 млрд^–1 на высоте 0,5 км и от –8 до –38 млрд^–1 на 7 км. Относительные разности находятся в диапазоне 8 … 30% на уровне 0,5 км и –12 … 88% на уровне 7 км. Для профилей СО абсолютные различия концентрации СО могут изменяться от 32 до 103 млрд^–1 на высоте 0,5 км и от –18 до 23 млрд^–1 на высоте 3 км. Относительные разности находятся в диапазоне –4 … 48% на уровне 0,5 км и –8 … 20% на уровне 7 км. Максимальная разность всех профилей концентрации метана достигает в пограничном слое 150 млрд^–1, а минимальная –10 млрд^–1. Средняя относительная разность изменяется от 2,8 до –0,5%. Максимальная – по всем полетам находится в диапазоне от 7,8 до 1,2%, минимальная – от –0,4 до –3,4%. Средняя разность СО₂ – в коридоре ±1,5 млн^–1, в то время как индивидуальные профили несопоставимы. Максимальные и минимальные разности по всем полетам дают бóльшую величину, а именно в пограничном слое атмосферы 10 и –12 млн^–1 соответственно. Максимальные и минимальные относительные отклонения по всем полетам составляют 2,3 и –3,3% в пограничном слое соответственно. Выше пограничного слоя относительные отклонения уменьшаются до ±1,0%.

Проведен анализ влияния зимних стратосферных потеплений (СП) на особенности вертикального распределения температуры и плотности воздуха в средней атмосфере над Томском. Рассмотрены внезапные СП зим 2009/10, 2010/11 и 2011/12 гг. и летние периоды 2010–2012 гг. с устойчивым вертикальным распределением температуры. Показано, что для возмущенных условий, вызванных СП, отклонения температуры и плотности воздуха от средних значений идут в противофазе и имеют выраженную зеркальную симметрию относительно нулевого значения. Их максимальная амплитуда наблюдается на высотах 35–40 км и может достигать +30% для температуры и –30% для плотности. При спокойных условиях в летние месяцы отклонения температуры находятся в основном коридоре –6 ¸ +8%, а плотности воздуха –8 ¸ +15%.

Производится оценка выбросов диоксида серы в атмосферу на основе спутниковых методов контроля в районе Норильской промышленной зоны за 2004–2012 гг. Используется база данных NASA по измерениям прибора Ozone Monitoring Instrument (спутник AURA). Наибольшая доля выбросов приходится на январь–май и ноябрь (90%), а оставшаяся часть – на июнь–октябрь. Максимальный объем выбросов составил 95 кт/мес в ноябре 2004 г. Выполнен сравнительный анализ данных, получаемых по спутниковому методу, с данными наземной системы экологического мониторинга и метода мониторинга, использующего авиационный носитель. В первом случае данные различаются на 30–65%, а во втором – на 14%.

Проведен анализ существующего программного обеспечения для атмосферной коррекции спутниковых данных в каналах видимого диапазона, его преимуществ и недостатков. Представлена архитектура разрабатываемого в Институте оптики атмосферы СО РАН универсального программного комплекса для атмосферной коррекции спутниковых измерений. Рассматривается применение алгоритмов с целью получения облачной маски и удаления полупрозрачной облачности на примере спутниковых снимков прибора ETM+/Landsat-7.

Получены основные теоретические соотношения, необходимые в методе измерения характеристик турбулентности по наблюдениям дрожания астрономических изображений с борта летящего самолета. Выполнено последовательное сравнение моностатического и дифференциального (бистатического) приемников. Проведенный анализ не повторяет анализ сигналов и ошибок для традиционного дифференциального метода. Главной особенностью является то, что предлагаемый метод измерения предполагает работу с подвижного носителя. Показано, что максимальное отклонение бистатической функции отклика от моностатической наблюдается в случае, когда векторы скорости носителя и разноса каналов коллинеарны. Оценено влияние внешнего масштаба турбулентности, вектора скорости носителя, частоты взятия отсчетов и других параметров схемы измерителя. В частности, обнаружено, что характерное время корреляции в бистатическом дифференциальном приемнике определяется временем переноса турбулентных неоднородностей через расстояние между двумя приемными каналами, пока это расстояние меньше величины внешнего масштаба турбулентности.

Приводятся спектры излучения наиболее мощных в настоящее время светодиодов в видимом диапазоне спектра (в сравнении со спектром излучения галогеновой лампы), которые можно использовать в качестве излучателя в Фурье-спектрометрах вместо галогеновой лампы накаливания. Сделан вывод о возможности получения чувствительности регистрации до 10^–8 см^–1 по коэффициенту поглощения во всем видимом диапазоне при использовании светодиодов. Проведенная регистрация спектров поглощения паров воды в диапазоне 15400–16200 см^–1 показала правомерность таких выводов.