Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2015 номер 2

Рассмотрено распространение ультракороткого лазерного импульса в атмосфере с учетом дифракции и дисперсионных свойств атмосферы. Представлены результаты численного моделирования распространения импульсов длительностью от единиц до десятков фемтосекунд в воздухе при комнатной температуре. Продемонстрировано быстрое расплывание таких импульсов при скорректированной гауссовой форме временной огибающей. Рассчитано распространение импульса с отрицательным начальным чирпом в сухом и влажном воздухе, позволяющим частично скомпенсировать эффекты дисперсии и дифракции. Получена зависимость расстояния, на котором длительность импульса становится минимальной, от влажности воздуха.

Дано описание аэрозольного лидара для исследования эффекта усиления обратного атмосферного рассеяния с двумя приемными каналами. Один из каналов совмещен с передающим и реализует моностатическую схему приема, во втором (бистатическом) канале рассеянное излучение принимается под углом к оси зондирующего пучка. Отношение мощностей эхосигналов, регистрируемых в этих каналах, определяет величину эффекта усиления обратного атмосферного рассеяния. Результаты атмосферных экспериментов с лидаром показывают, что, как правило, мощность эхосигнала в моностатическом приемном канале превышает мощность сигнала в бистатическом.

Проведено моделирование когерентных структур (трехмерных топологических солитонов) путем численного решения уравнений гидродинамики (уравнений Навье–Стокса) в закрытых помещениях, без обмена веществом среды через границы. Приведены результаты решения восьми краевых задач: павильон спектрографа и подкупольное помещение крупных астрономических телескопов: Большого солнечного вакуумного телескопа и Большого телескопа альт-азимутального (БСВТ и БТА), кубическое помещение, плоская квадратная кювета, труба квадратного сечения, пристеночная турбулентность (термики), купол (полусфера с вязкой средой), открытое пространство над одним нагретым пятном. Показано, что внутри помещений наблюдаются уединенные крупные вихри (когерентные структуры или топологические солитоны). В случае одинаковых краевых условий картины движений, полученные численным моделированием и независимо зарегистрированные авторами ранее экспериментально (в воздухе помещений БСВТ и БТА), практически совпадают. Совпадают также картины движения сред внутри других закрытых объемов, полученные нами численным моделированием и экспериментально зарегистрированные ранее в работах других авторов. Численные расчеты подтверждают сформулированный ранее нами экспериментальный вывод, что смешивание многих когерентных структур с разными близкими размерами (и с близкими частотами главных вихрей) дает некогерентную колмогоровскую турбулентность. Кроме того, достаточно протяженные инерционные интервалы спектра с колмогоровским 5/3–степенным убыванием наблюдаются в средах с большой вязкостью.

Изучена роль коэффициентов аккомодации энергии, тангенциального и нормального импульсов в явлении термофореза сферической аэрозольной частицы при свободномолекулярном (кнудсеновском) режиме. Особенность данной работы состоит в том, что в ней не используются какие-либо предположения относительно функции распределения отраженных от поверхности частицы молекул газа. Коэффициенты аккомодации вводятся в уравнения непосредственно через потоки импульса и энергии. Получены выражения для силы и скорости термофореза, а также для тепловой поляризации частицы (разность температур в диаметрально противоположных точках поверхности частицы в направлении набегающего потока газа). Показано, что в кнудсеновском режиме сила и скорость термофореза зависят только от коэффициентов аккомодации импульса и не зависят от коэффициента аккомодации энергии. Величина тепловой поляризации, напротив, прямо пропорциональна коэффициенту аккомодации энергии и не зависит от коэффициентов аккомодации импульса.

Выполнены расчеты коэффициентов диффузии леннард–джонсовского газа в широком диапазоне плотности и температуры. Найдена универсальная зависимость коэффициентов диффузии от плотности для однородных систем. Обнаружено отклонение от этой зависимости в условиях фазового перехода «пар — жидкость». Проанализировано и дано объяснение двух этапов релаксации автокорреляционной функции скорости системы в условиях фазового перехода.

Изучены геохимический и интегральный индексы загрязнения почв Таджикистана и проб пылевой мглы тяжелыми металлами. Обнаружено крайне высокое значение индексов загрязнения проб пылевого аэрозоля и почв Таджикистана тяжелыми металлами — висмутом, мышьяком и медью. Причиной обогащения почвы Таджикистана, особенно юго–центральной части, висмутом, мышьяком и медью является трансграничный перенос загрязнения пыльными бурями (пылевой мглой) из сопредельных государств. Изучение элементного состава поверхностного слоя почвы позволяет установить, что северная часть Таджикистана, по-видимому, подвергается мощному воздействию со стороны промышленных предприятий данного региона.

Показано, что в спектральных измерениях солнечного излучения может содержаться информация об экстремально высоких приземных концентрациях паров соляной кислоты, что приводит к невозможности оценки ее общего содержания на основе использования фоновой априорной информации. Предложено альтернативное задание априорной информации, которое позволяет увеличить на 10% количество полученных значений содержания паров соляной кислоты. Наличие высоких приземных концентраций газа подтверждается результатами обработки спектральных данных. Показано хорошее согласие полученных с использованием предложенной априорной информации оценок стратосферного содержания газа с независимыми спутниковыми данными: средняя разность значений найденных двумя методами величин составила 4,4%, среднеквадратичное отклонение разности 5,7%, коэффициент корреляции 0,85.

Предложен метод поиска нескольких скрытых точечных источников примесей в атмосфере, имеющих различные мощности и расположенных в различных точках пространства. Метод основан на использовании сопряженного уравнения турбулентной диффузии. Выполнен анализ влияния количества используемых контрольных точек измерения концентрации примесей и неизбежных ошибок измерения концентрации на точность искомых параметров источников. Приводятся результаты тестовых расчетов.

Проведены комплексные измерения уровня атмосферной турбулентности с помощью дифференциального измерителя турбулентности, датчика волнового фронта, а также ультразвуковыми метеостанциями. Суточные измерения структурной постоянной показателя преломления осуществлялись на горизонтальных оптических трассах на Базовом экспериментальном комплексе Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН. Приводится сравнительный анализ полученных результатов.

Анализируется погрешность определения скорости приводного ветра с помощью оптических сканеров, обусловленная многообразием физических факторов, формирующих топографическую структуру морской поверхности. Показано, что данную погрешность можно разделить на две составляющие. Первая вызвана стохастическим характером связи скорости ветра и энергии коротких поверхностных волн, она не зависит от средней скорости ветра и составляет 0,2 м/с. Вторая составляющая обусловлена отклонениями распределения уклонов от распределения Гаусса, она растет с усилением ветра, меняясь от 0,1 м/с при скорости ветра 1,5 до 0,4 м/с при скорости ветра 15 м/с.

Для изучения геодинамических процессов в Байкальском регионе создана непрерывно действующая GPS–сеть из семи постоянных пунктов наблюдения. Результаты обработки первичных GPS–измерений дают непрерывные атмосферные данные в виде полной тропосферной зенитной задержки, которые могут быть использованы для метеорологических и климатологических исследований. Полная задержка является суммой «сухой», или гидростатической, и «влажной» компонент. Влажная компонента определяет количество суммарного водяного пара и количество осаждаемой воды над пунктом измерений. Таким образом, GPS–измерения дают возможность получения исходных данных для создания новых численных моделей тропосферной зенитной задержки и суммарного осаждаемого водяного пара для задач метеорологии.

Представлены результаты годовых наблюдений приземной концентрации озона и других малых газовых составляющих атмосферы в Карадагском природном заповеднике в Крыму. Концентрации первичных загрязнителей воздуха (оксидов углерода, азота и серы) в течение всего года в десятки раз ниже российских предельно допустимых уровней. Изменчивость концентрации озона близка к изменчивости в сельской местности южных стран Западной Европы. Суточный максимум концентрации озона наблюдается через 2–5 ч после полудня. В сезонном ходе концентрации озона присутствуют два максимума: основной в конце июля — начале августа и более слабый — в апреле. В жаркие периоды имели место эпизоды, когда в течение ряда дней регистрировались превышения предельно допустимой разовой концентрации озона, установленной национальными санитарными нормами, но не более чем на 10%. В соответствии с критериями Всемирной организации здравоохранения качество воздуха на территории заповедника, и по-видимому, всего Черноморского побережья Крыма определяется исключительно концентрацией озона.

Полагается, что внешнее вынуждающее воздействие синхронизирует природно-климатические процессы и проявляется в сходстве их существенных признаков. Вводятся ортогональные составляющие процессов, отличающиеся совпадением и несовпадением существенных признаков. Отношения между составляющими можно интерпретировать как приток энергии от Солнца и как сток энергии. Для вычисления составляющих разработаны алгоритмы на основе преобразования Фурье в базисе тригонометрических функций. Теория применена для декомпозиции рядов чисел Вольфа и температуры с 818 метеостанций Северного полушария Земли в интервале с 1955 по 2010 г. Новый подход характеризует проявления вынуждающей силы и соответствует известным представлениям о природно-климатических процессах, поэтому является информативным, непротиворечивым и пригодным для анализа рядов наблюдений.

Рассматривается быстрая адаптивная система для компенсации атмосферной турбулентности, частота ee работы достигает 200 Гц. Для построения системы было использовано деформируемое зеркало с 97 пьезоприводами и датчик Шака–Гартмана, быстродействие которого около 2 кГц. Также приводится зависимость остаточной ошибки коррекции синусоидального сигнала от скорости реакции системы.