Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2024 номер 3

Теория Лоренца-Ми, описывающая рассеяние света сферическими частицами, была создана в 1908 г. Тем не менее большинство открытий, сделанных в течение последних 30 лет (например, фотонные струи, резонанс Фано, оптические анаполи, оптические вихри, акустические струи), могут быть описаны в рамках этой теории - они были «зашифрованы» в формулах Лоренца-Ми и фактически просто ждали, пока кто-нибудь их «расшифрует». В статье кратко рассмотрен новый эффект - суперрезонанс (и сопутствующий ему резонанс Фано крайне высокого порядка) в диэлектрических мезоразмерных сферах. Суперрезонанс позволяет генерировать магнитные поля с гигантской интенсивностью в «горячих точках» (полюсах) диэлектрической сферы. Этот эффект также можно объяснить с помощью теории Лоренца-Ми, однако он оставался скрытым внутри точного решения этой теории в течение почти 120 лет!

Исследован Фурье-спектр поглощения паров воды в области 14800-15500 см^-1 с разрешением 0,05 см^-1 и длиной оптического пути 3480 см. Получен подробный список, состоящий из 906 идентифицированных линий поглощения H₂¹⁶O, а также набор из 426 уровней энергии, принадлежащих 19 колебательным состояниям. Пятьдесят два колебательно-вращательных уровня энергии были определены впервые, 64 исправлены. Проведено сравнение с имеющимися в литературе данными. Погрешность положений хорошо разрешенных одиночных линий с интенсивностью 10-26 см^-1 составляет 0,002 см^-1, а интенсивностей - 10-15%.

Возможное поглощение димерами углекислого газа в равновесном газе оценивается как разность между экспериментальным поглощением СО₂ и рассчитанным на основе асимптотической теории крыльев линий. Успешность такой процедуры зависит от количества и качества исходных экспериментальных данных. Данные о поглощении в полосах 4,3 и 15 мкм СО₂ не отвечают полностью этим требованиям, однако качественное согласие полученного димерного поглощения с измеренными и расчетными положениями полос димера (СО₂)₂ позволяет говорить об этой процедуре как о дополнительном способе оценки поглощения стабильными димерами важных для ИК-атмосферного поглощения молекул Н₂О и СО₂.

Распространение лазерного излучения в атмосфере может приводить к формированию ионизованных областей, которые могут быть использованы в токопроводящих элементах антенн радиоволнового диапазона. Рассмотрены физические процессы, протекающие в аэродисперсных средах с твердыми микрочастицами в лазерном канале при термоэмиссии электронов с поверхности частиц и первичном оптическом пробое. Приведены оценки изменения показателя преломления при образовании плазменных ореолов вокруг нагретых излучением микрочастиц. Показана возможность возникновения слабой ионизации воздушной среды на расстоянии нескольких сантиметров от очага лазерного пробоя за счет ионизации молекул NO и протекания термохимических реакций.

Впервые анализируется измеренное пространственное распределение счетной концентрации, дисперсного и химического состава аэрозоля над морями Российского сектора Арктики. Были зарегистрированы различные типы вертикального распределения счетной концентрации, характерные как для прибрежных морских, так и континентальных районов. Обнаружено почти полное отсутствие грубодисперсных частиц выше 2-3 км над всеми морями. В химическом составе арктического аэрозоля как на высоте 200 м, так и на уровне 5000 м присутствуют ионы, которые можно отнести и к морским, и к континентальным. Идентифицируемая бессолевая безуглеродная элементная часть аэрозоля над Арктикой в три-четыре раза больше, чем ионная. Над всеми морями и на обеих высотах в состав арктического аэрозоля в основном входят элементы терригенного происхождения Al, Cu, Fe, Si. Почти над всеми морями, кроме Баренцева, в элементном балансе аэрозоля доминирует Si, вклад которого над Чукотским морем достигает 85%. Анализ обратных траекторий показал, что во всех рассмотренных случаях (зарождался ли аэрозоль над континентом или морем) траектории воздушных масс проходили и над морем, и над сушей. В этом случае образовавшиеся частицы могли обогащаться по пути дополнительными ионами и элементами. Данная работа завершает цикл статей, посвященных исследованию состава воздуха, которое было проведено над морями Российского сектора Арктики в сентябре 2020 г. Полученные результаты могут быть использованы при моделировании атмосферных процессов, происходящих в Арктике в условиях изменяющегося климата.

Для краткосрочного прогнозирования погодных ситуаций в г. Томске с сильным порывистым ветром предлагается использовать результаты расчетов по модели численного прогноза локальной погоды TSUNM3 в сочетании с полуэмпирическими формулами оценки масштабов скорости порывов ветра. Сравнение результатов расчетов и наблюдений метеопараметров, полученных для рассматриваемых в работе условий на метеостанциях ЦКП «Атмосфера» Института оптики атмосферы СО РАН, с помощью аэродромных метеорологических измерительных систем аэропорта г. Томска и метеостанции Томского центра по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды, показало перспективность применения модели для численного прогнозирования этого опасного погодного явления. Результаты работы предназначены для разработки информационно-прогностической системы заблаговременного предупреждения об опасных порывах ветра.

Ключевым фактором, определяющим точность измерения скорости ветра импульсным когерентным доплеровским лидаром (ИКДЛ), является отношение сигнал/шум (SNR). Поэтому информация об SNR важна для интерпретации результатов измерения. Однако известные подходы к определению SNR из исходных данных, измеряемых ИКДЛ, не применимы в случае лидара, созданного в Лаборатории распространения волн ИОА СО РАН (ЛРВ), из-за существенной нестационарности шумовой составляющей регистрируемого им сигнала. В настоящей работе разработан новый метод, который учитывает нестационарность шума. Метод протестирован в эксперименте с ИКДЛ Stream Line и ЛРВ. Путем сопоставления оценок SNR из совместных измерений этими лидарами доказана практическая применимость предложенного метода.

Вопросы турбулентно-волнового взаимодействия в пограничном слое атмосферы (ПСА) пока не достаточно полно изучены. В частности, вопрос о влиянии возникающей в термически устойчивом ПСА внутренней гравитационной волны (ВГВ) на спектр турбулентных флуктуаций скорости ветра оставался открытым. В настоящей работе с использованием данных, полученных импульсным когерентным доплеровским лидаром, исследуется влияние ВГВ на форму кривой для спектральной плотности вертикальной компоненты вектора скорости ветра. Установлено, что ВГВ вызывает существенное изменение формы кривой спектра скорости ветра на частотах ниже границы инерционного интервала турбулентности. При этом в промежутке между частотой ВГВ и нижней границей инерционного интервала зависимость спектра от частоты близка к степенной. Путем анализа 700 лидарных оценок спектров вертикальной скорости ветра установлено, что для такого частотного промежутка показатель степени в среднем равен -3. Результаты работы могут быть использованы для улучшения алгоритмов численного моделирования в термически устойчивом ПСА.

Основой для оценок характеристик турбулентности с использованием первичных выходных данных акустических метеостанций в настоящее время является классическая модель однородной и изотропной турбулентности Колмогорова-Обухова со степенной структурной функцией с показателем 2/3. Температурные флуктуации в атмосфере не всегда соответствуют этой модели. Для описания неколмогоровской турбулентности представлен подход, основанный на использовании обобщенной степенной модели с показателем степени, структурной характеристикой и внешним масштабом, оцениваемыми непосредственно по измеренным временным рядам мгновенных значений регистрируемых метеопараметров. Предложены критерии применимости рассмотренной модели для оценки характеристик реальной атмосферной турбулентности. Полученные результаты будут полезны для исследований атмосферы на основе первичных выходных данных акустических измерений, содержащих массивы мгновенных значений температуры и трех ортогональных компонент скорости ветра.

Представлен краткий обзор задач, для решения которых требуется информация об энергетических характеристиках атмосферных осадков, выпадающих в виде дождя, а также методов ее получения. Предложена методика определения кинетической энергии, переносимой гидрометеорами, на основе микроструктурных характеристик осадков, получаемых с помощью оптического осадкомера ОПТИОС. Методика апробирована на примере сильного ливня, прошедшего в Томске 22.07.2023 г. Проанализировано влияние различных микроструктурных параметров на кинетическую энергию, приносимую каплями дождя на подстилающую поверхность. Проведено сравнение с величинами, получаемыми по упрощенным методикам. Возможности оптического осадкомера позволяют успешно применять его при решении задач, требующих точной оценки энергетических параметров дождей.