Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2023 номер 9

Представлены результаты численного моделирования фокусировки оптического излучения «метачастицей», представляющей собой кластер одинаковых наносфер, плотно упакованных в шаровой объем определенного радиуса. Проведены расчеты параметров фокальной области (интенсивность, продольный и поперечный размеры), формируемой метачастицами с различным внутренним наполнением. Показано, что в некоторых случаях реализация шаровой кластерной сборки наночастиц позволяет свести задачу фокусировки излучения метачастицей к задаче дифракции световой волны на однородной сфере с эффективным показателем преломления. Установлено, что определенные топологии микросборок позволяют улучшить фокусировку оптической волны в области ближнего поля, в частности повысить пиковую интенсивность или усилить ее пространственную локализацию.

По результатам мониторинговых измерений аэрозольных характеристик и метеорологических величин нижнего слоя атмосферы в зимние периоды 2016-2022 гг. в Академгородке, расположенном на юго-востоке г. Томска, проанализированы условия возникновения экстремальных концентраций субмикронных частиц и поглощающего вещества (сажи, черного углерода) в их составе в приземном слое. Показано, что при сочетании приземной инверсии температуры воздуха и слабого (до 1,5 м/с) ветра - застое воздуха - средние значения исследуемых аэрозольных характеристик увеличиваются до 3 раз, а при слабом северо-западном ветре - до 7-8 раз относительно среднесезонных значений. Выявлено, что в ситуациях многодневного застоя воздуха типичный суточный ход, характеризующийся послеполуденным минимумом, меняется. Рост их концентраций продолжается до 15:00 до значений, в 1,8 раза больше ночного минимума, в то время как в остальные зимние дни максимум наступает в 10:00 с превышением ночного минимума концентрацией субмикронных частиц в 1,2 раза, а черного углерода - в 1,5 раза.

Разработана математическая модель, имитирующая получение и обработку гиперспектральных данных дистанционного зондирования применительно к малозаметным фрагментам экологических загрязнений (мусора), размер которых соизмерим с пространственным разрешением аппаратуры наблюдения. Предусмотрено спектральное смешивание объектов с фоном с помощью специального коэффициента, который учитывает, что площадь каждого элемента шаблона сцены, относящегося к объекту, лишь частично заполнена его спектральной характеристикой, а остальная часть - характеристикой фона. Рассчитана вероятность выявления объектов в зависимости от условий наблюдения, задаваемых атмосферной моделью MODTRAN. Расхождение модельных данных с реальными экспериментальными данными не превышает 10%.

Представлены результаты синхронных лидарных наблюдений переноса аэрозольных полей атмосферы над оз. Байкал в летней экспедиции 2018 г. Эксперимент проводился с использованием двух лидаров, один из которых располагался на судне, а второй - на стационаре, на удалении 732 м от судна. На основе корреляционного анализа полученных данных сделаны оценки времени переноса атмосферных аэрозольных неоднородностей между точками наблюдений на разных высотах над горной котловиной. Выявлено, что для высотного диапазона 100-350 м время переноса составляет 5 мин 20 с, для 1250-1500 м - 7 мин 12 с, для 2100-2500 м - 5 мин 20 с и для диапазона 4200-4300 м - 6 мин 24 с. Подобное неравномерное высотное распределение времени переноса аэрозольных объектов обусловлено сложным механизмом циркуляции воздушных потоков в горной котловине.

По данным лазерного зондирования проведен анализ изменения высоты нижней границы (ВНГ) облачности нижнего яруса и кучево-дождевых облаков в Западной Сибири за 2010-2021 гг. Установлено, что в целом происходит уменьшение ВНГ нижней облачности и увеличение ВНГ кучево-дождевых облаков. Увеличение значений ВНГ нижней облачности происходит с севера на юг. В распределении высоты кучево-дождевой облачности прослеживается более меридиональный характер. Сезонный ход ВНГ нижней и кучево-дождевой облачности на юге территории имеет максимум в летние месяцы. В центре и на севере наблюдаются два максимума: для нижней облачности - летом и весной, а для кучево-дождевой облачности - зимой и летом. Результаты кластерного анализа показали, что ВНГ кучево-дождевых облаков, измеренная на разных станциях, сильно различается. Это, предположительно, обусловлено характером подстилающей поверхности, а также региональными особенностями атмосферной циркуляции и конвективных процессов.

Представлены результаты анализа характеристик инверсий температуры воздуха в пограничном слое атмосферы (повторяемость, тип, интенсивность, мощность) до высоты 1 км на основе экспериментальных данных за 2020-2022 гг., полученных с помощью метеорологических температурных профилемеров МТР-5. Профили температуры воздуха измерялись одновременно в пункте с естественным ландшафтом (пригород г. Томска) и над урбанизированной территорией (окраина г. Томска, Академгородок). Установлено, что инверсии температуры фиксировались примерно в половине времени наблюдений. Приводится статистика разных форм и типов инверсии в зависимости от сезона года. Рассмотрена взаимосвязь интенсивности инверсий с метеорологическими параметрами в приземном слое атмосферы. Отмечено существенное влияние направления ветра на интенсивность инверсий.

Проведена валидация современных спектроскопических баз данных HITRAN2016, HITRAN2020, GEISA2020 и расчетного банка линий Н2О W2020 по параметрам линий поглощения Н₂О в видимой области 16700-17000 см^-1. Выполнены моделирование спектров пропускания Н₂О с использованием баз данных и сравнение с лабораторными спектрами чистого водяного пара и смеси H₂O-N₂ (P = 1 атм), измеренными на Фурье-спектрометре со светодиодами высокой яркости. По результатам измерений скорректированы параметры 65 линий поглощения Н₂О, содержащиеся в HITRAN2020. У 32 линий исправлены центры, у 51 линии - интенсивности, у 10 линий - коэффициенты самоуширения. Отношение коэффициентов уширения HITRAN2020 к экспериментальным значениям близко к единице, в то время как коэффициенты сдвига линий давлением воздуха в базах данных в среднем в два раза превышают соответствующие экспериментальные значения, поэтому для моделирования спектра пропускания смеси H₂O-N₂ применялись экспериментальные значения коэффициентов сдвига линий давлением азота, полученные нами ранее. Отличие экспериментальных спектров пропускания от рассчитанных с использованием HITRAN2016, HITRAN2020, GEISA2020, W2020 и скорректированного HITRAN2020cor характеризуется среднеквадратичными отклонениями RMS = 1,49E-4; 1,64E-4; 3,96E-4; 3,49E-4 и 1,26E-4 для чистой воды, RMS = 1,15E-4; 1,1E-4; 2,23E-4; 2,28E-4 и 0,86E-4 для H₂O-N₂ соответственно.

Представлены результаты разработки поляризационного диэлектрического зеркала на подложке ZnSe для лазерных систем среднего ИК-диапазона. Расчет пленочной периодической структуры проводился в программном обеспечении Optilayer. В качестве материалов для создания интерференционного покрытия использовались сульфид цинка (ZnS) и фторид иттербия (YbF₃). Определены оптические параметры этих материалов в широком спектральном диапазоне. Расчет пленочной периодической структуры проводился в программном обеспечении Optilayer, а само покрытие нанесено на подложку методом ионно-лучевого распыления. Порог лазерно-индуцированного пробоя диэлектрического зеркала излучением Ho:YAG-лазера с длиной волны 2,097 мкм составил 4 Дж/см² при частоте следования импульсов 10 кГц и длительности импульса по полувысоте 30 нс. Зеркало апробировано в системе параметрического генератора на основе монокристалла ZnGeP₂ (ZGP). Эффективность параметрического преобразования в резонаторе с кристаллом ZnGeP₂ при использовании данного зеркала достигает 30%.

Представлены результаты численного моделирования яркости натриевой лазерной опорной звезды для астрономических обсерваторий Северного Кавказа в соответствии с современными представлениями о физике взаимодействия поляризованного лазерного излучения с мезосферными атомами натрия. Рассмотрены два случая формирования искусственного опорного источника лазерным излучением: с круговой и линейной поляризациями. Оценивается ограничение величины потока фотонов, обусловленное эффектом насыщения.

Представлены результаты расчетов, показывающие, как перераспределяется энергия и выполняется закон сохранения энергии при отражении оптического излучения от зеркальной поверхности в турбулентной атмосфере. Выяснено, что если в результате отражения формируются пространственно ограниченные пучки света, то перераспределение энергии в поперечной к направлению распространения плоскости происходит вблизи направления строго назад в ограниченной области, размеры которой не превышают нескольких зон Френеля. В случае точечного отражателя, когда формируется пространственно неограниченная отраженная волна, перераспределение энергии происходит на значительно бóльших масштабах. Увеличение средней интенсивности отраженной волны в ограниченной области диаметром в две зоны Френеля вокруг направления строго назад (эффект усиления обратного рассеяния) происходит за счет оттока части энергии отраженной волны из боковых направлений с огромной площади, на несколько порядков превосходящей размеры области, где эта энергия аккумулируется.