Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2017 номер 5

Сформулировано квазистационарное приближение для задачи вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) в воздухе как многомодовой акустической среде. В этом приближении реализовано численное решение уравнения для огибающей комплексной амплитуды светового поля. На основании проведенной серии численных экспериментов установлено, что при распространении в воздухе мощного лазерного излучения с длиной волны λ = 1,315 мкм эффект ВРМБ способен привести, при достаточной мощности, к ощутимому увеличению угловой расходимости лазерных пучков.

Рассматриваются результаты моделирования импульсной реакции канала атмосферной оптической связи на рассеянном излучении для длин волн 0,3; 0,5 и 0,9 мкм. Проведенный анализ показывает, что на базовых расстояниях 2-3 км и менее между источником и приемной системой максимальная мощность принимаемого информационного сигнала достигается при λ = 0,3 мкм, на больших базовых расстояниях и при низкой мутности атмосферы - при λ = 0,5 мкм. Наибольшая максимальная мощность наблюдается при λ = 0,5 мкм при высокой мутности атмосферы и базовых расстояниях 3-10 км. Однако если базовые расстояния больше 10 км, максимум мощности информационного сигнала достигается при λ = 0,9 мкм. Для частного примера лазерного источника и приемной системы, используя результаты расчетов импульсной реакции атмосферного канала связи при λ = 0,5 мкм, оценены предельное базовое расстояние между источником и приемником и предельная частота импульсов, которая не фильтруется каналом связи.

Анализируются возможности оценки среднего косинуса индикатрисы рассеяния света атмосферным аэрозолем по данным спектральных измерений ослабления и рассеяния света. Предложена эмпирическая формула, параметризующая средний косинус как функцию показателя Ангстрема и комплексного показателя преломления. Рассмотрено несколько подходов к определению среднего косинуса по данным интегрирующих нефелометров. Получено аналитическое выражение, связывающее средний косинус с измеряемым нефелометром отношением световых потоков, рассеянных в переднюю и заднюю полусферы. Рассчитаны значения среднего косинуса на трех длинах волн по данным натурных измерений в пригороде Санкт-Петербурга в 2015 г.

Теоретически исследованы особенности рассеяния и поглощения лазерного излучения ансамблем из двух идентичных микрокапсул, каждая из которых представляет собой двуслойную сферическую микронную частицу, состоящую из водного ядра и поглощающей излучение полимерной оболочки. Методом численной электродинамики показано, что внутренняя структура частиц, а также их взаимное расположение влияют на характер пространственного распределения и амплитудные характеристики поглощенной мощности. Установлено, что наиболее высокие значения плотности поглощенной мощности в модельных микрокапсулах реализуются, когда частицы смещены друг относительно друга на расстояние порядка их диаметра (сильно поглощающие частицы) либо если частицы находятся в геометрической тени друг друга (слабое поглощение).

Получены первые оценки вклада гнуса в ослабление оптического излучения для фоновых условий лета Западной Сибири. Коэффициент ослабления излучения гнусом, рассчитанный на основе экспериментальных данных, на длине волны 1,06 мкм изменялся от 0 до 0,14 км^-1. Оценка среднего значения коэффициента ослабления излучения гнусом в видимой и инфракрасной областях спектра составила ~ 0,07 км^-1. Показано, что относительный вклад гнуса в коэффициент ослабления оптического излучения в области спектра 0,5-16 мкм является существенным и в среднем варьируется от 26 до 63%.

На основе данных сети мониторинга парниковых газов JR-STATION, аномалий приземной температуры (AT) и критериев блокирования, предложенных Tibaldi S. и Molteni F. (TM), исследованы изменения концентрации метана в периоды атмосферного блокирования над Западной Сибирью. Проанализированы летние сезоны с 1 июня по 31 августа с 2005 по 2013 г. Каталог блокирований, полученный в работе, содержит 13 событий, отобранных на основании анализа изменчивости критерия TM, а также продолжительных АТ, рассчитанных на основании данных реанализа ECMWF Era-Interim. Для выделенных событий исследовались наличие очагов природных пожаров и предшествующие блокингу аномалии осадков. Все события разделены на две группы по пространственному охвату (граничные блокинги, захватывающие только часть Западной Сибири, и секторные, полностью охватывающие территорию Западной Сибири) и три группы по времени стационирования (5-6, 7-9 и >10 дней). Выяснено, что практически все события блокирования влияют на повышение концентрации метана, независимо от времени стационирования и пространственного охвата, но степень влияния зависит от характера блокинга и сопутствующих ему условий. Это позволило выделить четыре основные группы, характеризующие связь «блокинг - концентрация метана»: «масштабный-длительный блокинг / обширные пожары» (максимально влияние блокирований), «масштабный-длительный блокинг / аномальные осадки до блокинга / локальные пожары» (вторая по степени влияния), «короткий блокинг / без доп. условий» (третья), «секторный-длительный блокинг / локальные пожары» (минимальное влияние).

После мощных извержений тропических вулканов в стратосфере наблюдается значительное повышение температур относительно многолетних норм. Наблюдаемые температурные аномалии объясняются поглощением вулканогенным аэрозолем коротковолновой радиации Солнца и длинноволновой восходящей радиации Земли. С помощью спектральной модели общей циркуляции промежуточной сложности проанализирован отклик циркуляции атмосферы на изменения коэффициентов пропускания коротковолновой радиации в стратосфере в условиях вулканических выбросов углеродных аэрозолей, поглощающих радиацию. Результаты моделирования демонстрируют существенные различия между реакцией в Северном и Южном полушариях. Показано, что приземные температурные аномалии в южных полярных регионах могут наблюдаться в течение 10 лет после тропических извержений.

Проведен анализ связи широтной динамики влагосодержания атмосферы (W) с квазидвухлетними колебаниями (КДК) зонального ветра в экваториальной стратосфере и солнечной активностью над северо-востоком Евразии за период 1979-2015 гг. Использованы данные солнечных фотометров сети AERONET (ст. Якутск, ст. Томск, ст. Иркутск и ст. Даланзадгад) и ERA-Interim реанализа, который основан на регулярных метеорологических наблюдениях, аэрологической и спутниковой информации. Обнаружена достоверно значимая корреляционная связь среднегодовых значений W и КДК при его восточной фазе. В то же время в вариациях W в зависимости от географической широты наблюдается проявление фундаментальных циклов солнечной активности (Швабе, Хейла и Брюкнера).

На основе данных натурных исследований, проведенных в период 2014-2016 гг. на водоемах Алтайского края - оз. Лапа, Красиловское и Большое Островное, разработана полуэмпирическая модель для описания спектрального вклада основных компонентов природной воды, включая чистую воду, хлорофилл, желтое вещество, органо-минеральную взвесь, в спектральный показатель ослабления света на трех длинах волн - 430, 550 и 670 нм. Дана оценка прогнозных возможностей разработанной модели интегрального спектрального показателя ослабления света в многокомпонентной водной среде для решения задач комплексного водно-экологического мониторинга и рационального водопользования.

Анализируются возможности лазерных технологий для разработки сенсорных элементов подводных роботов и последние разработки в области подводной робототехники, в которых методы лазерной спектроскопии применяются для мониторинга подводных сред. Представлен погружной модуль лазерного спектрометра, предназначенного для исследования спектров комбинационного рассеяния и лазерной индуцированной флуоресценции (ЛИФ). Спектрометр разрабатывался как элемент сенсорики необитаемого телеуправляемого подводного аппарата, обеспечивающий возможности дистанционного обнаружения и измерения концентрации органических веществ, находящихся в морской воде и подводных объектах в различных формах. Описаны результаты натурных испытаний погружаемого спектрометра ЛИФ в различных морских акваториях, включая Арктику.

Анализируются основные источники погрешностей измерения континуального поглощения водяным паром излучения ближнего ИК-диапазона на спектрометрическом комплексе ИОА СО РАН. Проведены оценки совокупности инструментальных и методических погрешностей, включая погрешность определения базовой линии, и возможного влияния наноразмерных комплексов молекул водяного пара.

Приведено краткое описание работ по модернизации экспериментального комплекса на основе Фурье-спектрометра Bruker IFS-125 и 30-метровой многоходовой кюветы. Модернизация включает в себя оснащение кюветы системой автоматической перестройки числа проходов луча без ее разгерметизации, а также обеспечивает работу кюветы при повышенных температурах.

Разработана и испытана система сбора и подготовки выдыхаемого воздуха для медицинского лазерного оптико-акустического газоанализатора. Проведено сравнительное исследование различных типов осушителей воздуха. Предложено производить осушение проб воздуха непосредственно в пробоотборном пакете путем вымораживания влаги в морозильной камере, после чего переносить осушенную пробу в газоанализатор с помощью шприца. Экспериментально показано, что при выдержке пробоотборного пакета с воздухом в течение 10 мин при температуре -18 ^oС содержание паров воды в пробе снизилось в ~20 раз. Разработана схема газового тракта медицинского лазерного газоанализатора, которая позволяет производить стерилизацию внутренних поверхностей тракта с помощью озона.

На основании общего выражения для расчета отклика R фотоэлектрических счетчиков на аэрозольные частицы приводится формула для серийно выпускаемых счетчиков, с конкретной геометрией и спектральными характеристиками источника и приемника излучения. Для корректировки границ диапазонов размеров частиц у счетчиков получены таблицы с использованием теории Ми. Обращается внимание на разницу между комплексным показателем преломления калибровочных и исследуемых частиц, игнорирование которой может приводить к значительным ошибкам в определении размеров частиц. Акцентируется необходимость учета зависимости комплексного показателя преломления частиц от относительной влажности воздуха для разных диапазонов размеров частиц.