Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2024 номер 10

Оптико-акустический (ОА) метод широко применяется при исследовании поглощения оптического излучения различными средами. Как правило, предполагается, что полезный сигнал формируется при релаксации колебательно-возбужденных молекул с общим характерным временем τ_VT. Рассмотрена кинетика тепловыделения в ОА-ячейке при поглощении лазерного импульса в смеси двух молекулярных газов с двумя независимыми каналами колебательно-поступательной релаксации с сильно различающимися временами. Приведен пример расчетов кинетики тепловыделения для смеси Н₂О и СО₂ при поглощении моноимпульса излучения СО₂-лазера при вариациях концентраций газов. Установлено, что при интерпретации результатов ОА-измерений необходимо учитывать соотношение между длительностью импульса возбуждающего лазерного излучения и характерными временами колебательно-поступательной релаксации в исследуемой смеси газов. Полученные результаты применимы для оценки потерь лазерного излучения и изменения оптических характеристик многокомпонентной газовой среды (в том числе воздуха) в канале распространения мощного лазерного импульса.

В Арктике потепление климата происходит в несколько раз быстрее, чем в других районах земного шара. Это может быть результатом усиления обратных связей между климатом и составом атмосферы. Однако данных об изменениях концентрации климатически активных веществ в этом регионе крайне мало. Поэтому для восполнения пробела в данных о вертикальном распределении газового и аэрозольного составов воздуха над Российским сектором Арктики в сентябре 2020 г. на самолете-лаборатории Ту-134 «Оптик» был проведен эксперимент по зондированию атмосферы и водной поверхности над акваториями всех российских морей Северного Ледовитого океана. В настоящей работе приводится анализ пространственного распределения газового и аэрозольного составов арктической тропосферы. Показано, что в период эксперимента концентрация СО₂ в направлении с запада на восток росла в приводном и пограничном слоях и, наоборот, убывала в тропосфере. Содержание же метана в приводном слое в том же направлении уменьшалось. Концентрации СО, NO_X и SO₂ в Российском секторе Арктики были очень низкими, что характерно для удаленных фоновых районов. Все фракции аэрозоля также демонстрируют убывание содержания с запада на восток. Полученные результаты могут быть использованы при моделировании атмосферных процессов, происходящих в Арктике в условиях изменяющегося климата.

Представлены результаты экспериментов по определению параметров турбулентности стратифицированного пограничного слоя атмосферы средствами дистанционного зондирования. Полученные с использованием ветрового лидара и температурного радиометра высотно-временные распределения скорости диссипации кинетической энергии турбулентности и структурной характеристики турбулентных флуктуаций температуры сопоставляются с высотными изменениями параметров, характеризующих атмосферную стратификацию. Показано, что скорость диссипации, определяющая интенсивность ветровой турбулентности, убывает в пограничном слое с высотой при всех типах термической стратификации. В большей степени от вариаций термодинамической устойчивости в атмосфере зависит интенсивность турбулентных флуктуаций температуры. Более сильная, чем в нижележащем слое, термическая неустойчивость атмосферы на бóльших высотах может приводить не к убыванию, а к возрастанию структурной характеристики флуктуаций температуры с высотой. В соответствии с высотным ходом структурной характеристики температуры значения структурной характеристики турбулентных пульсаций показателя преломления также могут увеличиваться с высотой и отличаться от прогнозируемых на основе известных моделей.

Озон является одним из важнейших малых газовых составляющих атмосферы Земли. В данной работе анализируется наземный синергетический МКВ + ИК-метод измерения содержания озона с использованием функционирующих в Петергофе (СПбГУ) приборов: МКВ-озонометра и ИК-Фурье-спектрометра Bruker IFS 125HR. Вычислены погрешности дистанционных измерений озона, которые меняются от 5 до 20% и более. Вертикальное разрешение МКВ + ИК-метода варьируется от ~ 10 до ~ 12 км. Представленные оценки показывают потенциальные возможности определения содержания озона в Петергофе с помощью наземных комбинированных МКВ- и ИК-измерений.

Функционирование тепловых электростанций сопровождается выбросом в атмосферу различных загрязняющих веществ, включая окислы азота. В настоящей работе представлены результаты спектрометрических измерений атмосферного содержания NO₂, выполненных на кольцевых маршрутах, огибающих крупные городские ТЭЦ Санкт-Петербурга. Пространственная изменчивость тропосферного содержания NO₂ в окрестностях ТЭЦ, определяемая из экспериментальных данных методом DOAS (Differential Optical Absorption Spectroscopy), демонстрирует повышенные значения с подветренной стороны от дымовых труб. Пространственные распределения, наблюдаемые в данных мобильных DOAS-измерений, подтверждаются результатами численных расчетов поля содержания NO₂, выполненных с использованием модели HYSPLIT (HYbrid Single-Particle Lagrangian Integrated Trajectories) с учетом априорной информации об объемах эмиссии NO_x основными городскими ТЭЦ. Приближенные оценки эмиссии NO_x двумя крупнейшими ТЭЦ Санкт-Петербурга на основе расчетов суммарного потока молекул NO₂ через замкнутый контур маршрута DOAS-измерений составили ~ 2 ÷ 3 тыс. т в год. Полученные экспериментальные данные важны для определения доли ТЭЦ в антропогенном загрязнении атмосферы.

Представлены результаты анализа пространственно-временного распределения интенсивности свечения гидробионтов в Черном море на основе данных экспедиционных исследований, проведенных в июне 2013 г. и сентябре 2014 г. в рейсах НИС «Профессор Водяницкий». Сравнивается вертикальное распределение интенсивности биолюминесценции в северо-западной и северо-восточной частях Черного моря. Для объяснения причин пространственно-временных вариаций интенсивности свечения гидробионтов привлекаются спутниковые данные о приводном ветре и геострофических течениях. Показано, что в вертикальном распределении интенсивности биолюминесценции на большинстве станций наблюдался один максимум, который находился в верхней части сезонного термоклина. На глубоководных станциях в северо-западной части моря, приуроченных к зоне слабых вертикальных движений, наблюдались два максимума. Верхний максимум обусловлен развитием теплолюбивых, а нижний - холодолюбивых комплексов гидробионтов. Максимальные величины интегральной интенсивности свечения гидробионтов наблюдались в зоне дивергенции течений в глубоководной части северо-восточной акватории моря, что объясняется более активным обогащением вод биогенными веществами за счет более интенсивных восходящих движений. Полученные результаты могут быть использованы для уточнения оценки биопродуктивности деятельного слоя вод Черного моря на основе спутниковых данных.

В работе сравниваются основные характеристики стратосферного полярного вихря (площадь, средняя скорость ветра на границе, средняя температура внутри вихря) за 2022/23 г., которые получены методами оконтуривания с помощью потенциальной завихренности (ПЗ) и геопотенциала. Оба метода используют данные реанализа ERA5. Сравнение оценок в среднем проводилось с ноября по март в Арктике и с мая по сентябрь в Антарктике на изоэнтропических поверхностях на уровнях 475, 530 и 600 К. Площадь арктического вихря по геопотенциалу в среднем в 1,30 раза больше площади, полученной с помощью ПЗ, а антарктического - в 1,14 раз. Средние скорости ветра по двум методам очень близки: в Арктике ее значения по ПЗ в среднем на 5% больше, чем по геопотенциалу, а в Антарктике - на 3%. Средняя температура внутри вихря по ПЗ в среднем на 1% ниже, чем по геопотенциалу, и в Арктике, и в Антарктике. Наибольшее различие оценок площадей в Арктике достигло 25,52 млн км² 23.11.2022 г. на поверхности 600 К, а в Антарктике - 23,78 млн км² 14.12.2022 г. на поверхности 475 К. При этом в среднем различие оценок растет с высотой: с 4,23 млн км² на 475 К до 10,24 млн км² на 600 К в Арктике, с 4,91 млн км² на 475 К до 6,17 млн км² на 600 К в Антарктике. Значимая разница площадей говорит о необходимости тщательного выбора метода оконтуривания при исследовании полярных вихрей.

В настоящее время на территории Западной Сибири происходит увеличение частоты и интенсивности опасных погодных явлений. Модель атмосферы Weather Research and Forecasting (WRF) позволяет исследовать такие явления, в частности для предупреждения о возможности их возникновения. В данной статье определен набор схем параметризаций WRF, предоставляющих полноценную возможность изучать причины возникновения опасных метеорологических явлений и их развитие. Подробно рассмотрены две погодные ситуации на территории Западной Сибири 29-30.04.2019 г. и 25-26.12.2020 г., сопровождавшиеся такими опасными явлениями, как очень сильный ветер, сильный ливень, продолжительный сильный дождь, аномально холодная погода. Выбранный набор схем обеспечивает корректную работу модели WRF в условиях, соответствующих опасным метеорологическим явлениям.

Решение задачи рассеяния света на атмосферных ледяных кристаллах крайне необходимо для интерпретации данных лазерного зондирования атмосферы. С целью ее решения рассчитаны матрицы обратного рассеяния света для ледяных атмосферных кристаллов произвольной формы с количеством граней 15, 20 и 40 в диапазоне размеров от 10 до 300 мкм в рамках приближения физической оптики. Расчеты проводились для случая хаотической пространственной ориентации частиц в рамках однократного рассеяния света на длинах волн излучения 0,532 и 1,064 мкм. Результаты статистического анализа демонстрируют незначительные отклонения в оптических характеристиках кристаллов произвольной формы с разным количеством граней. Показано, что оптические характеристики эталонной частицы, взятой из банка данных ИОА СО РАН, укладываются в вышеописанное распределение. Таким образом, работа подтверждает обоснованность использования рассчитанного банка данных для случая широкого набора частиц с количеством граней от 15 до 40. Полученные результаты необходимы для построения алгоритмов интерпретации лидарных данных зондирования перистых облаков.

История создания турбулентного лидара в ИОА СО РАН началась 11 лет назад, когда с помощью громоздкой лабораторной установки впервые экспериментально удалось зарегистрировать эффект увеличения обратного рассеяния (УОР) в турбулентной атмосфере. Впоследствии для усовершенствования лидара был предложен ряд конструкторских решений, которые позволили уменьшить габариты и повысить надежность. Основными особенностями конструкции лидара являются: совмещение оптических осей передатчика и приемника, наличие дополнительного приемного канала, работа в режиме счета фотонов с накоплением эхосигналов. В работе изложена методика проведения эксперимента с помощью турбулентного лидара - нового типа лазерного локатора; дан алгоритм определения профиля структурной характеристики турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха из отношения эхосигналов; выполнены экспериментальная проверка методики и сопоставление данных лидара с показаниями солнечного радиометра и сцинциллометра. В перспективе развитие технологии турбулентного лидара позволит с земли дистанционно контролировать интенсивность турбулентности в пограничном слое атмосферы, например на глиссаде в аэропортах; заблаговременно обнаруживать турбулентность в ясном небе с борта воздушного судна и др.

Малые газовые составляющие (МГС) являются оптически активными элементами атмосферы. МГС оказывают большое влияние на протекание атмосферных процессов (трансформацию солнечного излучения, погодообразование, загрязнение воздушного бассейна индустриальными выбросами, распространение оптических волн). Озон занимает особое место в ряде газов МГС. Озоновый слой играет роль естественной защиты планеты от коротковолнового солнечного излучения. Поэтому контроль озоносферы наземными и спутниковыми средствами измерений позволяет получить наиболее достоверную картину состояния атмосферы и в особенности озонового слоя. Решение этой актуальной задачи возможно только при постоянном улучшении аппаратной базы и совершенствовании методологических подходов научного исследования атмосферы. В настоящей работе проведен ряд измерений мобильным озоновым лидаром на длинах волн зондирования 299/341 нм в высотном диапазоне 0,1-12 км на Сибирской лидарной станции (СЛС). Выполнено сопоставление восстановленных вертикальных профилей озона по данным лидара и метеорологического спутника MetOp Европейского космического агентства, полученным в 2023 г. Показано, что средняя относительная разность между профилями изменяется от -65,6 до 15,3% на высотах от 0,1 до 12 км. Результаты сопоставления подтверждают хорошие перспективы использования длин волн зондирования озона в ранее неохваченном на СЛС высотном диапазоне 0,1-5 км. Представленные результаты будут задействованы в формировании модели вертикального распределения концентрации озона, в оценке экологического состояния атмосферы на территории Томской области.

В адаптивных оптических системах (АОС), применяемых в астрофизике, широко используются разновидности корреляционного алгоритма NCC (Normalized Cross Correlation), как правило, в блоках слежения и стабилизации, а также для измерения оптических параметров АОС, например локальных наклонов в датчиках волнового фронта (ДВФ). Ввиду тенденции увеличения апертур современных телескопов и роста разрешения цифровых видеокамер не теряет актуальности задача повышения быстродействия алгоритма NCC для вычислений в реальном масштабе времени. В настоящей работе предложена модификация NCC для измерения смещения изображений протяженных объектов статичной сцены в приложениях адаптивной атмосферной оптики. Эта разновидность алгоритма может использоваться в следящих системах для устранения дрожания всего изображения, а также для измерений фазы волнового фронта в ДВФ. Благодаря упрощению процедуры нормировки опорного кадра скорость алгоритма увеличивается и появляется возможность его применения в АОС крупноапертурных солнечных телескопов.