Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2018 номер 5

Создано программное обеспечение, позволяющее автоматически восстанавливать континуальное поглощение водяного пара из экспериментальных данных. Программа включает коррекцию базовой линии (при необходимости), автоматическую коррекцию экспериментального спектра по частоте, автоматическую «спектроскопическую» коррекцию величины измеренного давления, вычитание локального вклада спектральных линий, автоматический выбор микроокон прозрачности с наиболее достоверными результатами восстановления континуума и сглаживание полученных величин. В настоящее время программа ориентирована на обработку данных Фурье-измерений, но может быть адаптирована и для других экспериментальных методов.

Контур спектральной линии, следующий из асимптотической теории крыльев линий с параметрами, которые получены путем подгонки к эксперименту в области 8-12 мкм, и описывающий спектральное и температурное поведение коэффициента поглощения водяного пара в этом интервале, использован для расчета поглощения в длинноволновом крыле вращательной полосы Н₂О. Полученный в рамках этой теории коэффициент поглощения учитывает поглощение излучения в процессе столкновительного взаимодействия двух молекул воды, исключая поглощение стабильными димерами. Использование упомянутого контура в расчете коэффициента поглощения в области 14-200 см^-1 позволило выделить в континуальном поглощении, зафиксированном с помощью специального резонаторного спектрометра, долю, приходящуюся на поглощение стабильными димерами. Полученный спектр димерного поглощения соответствует спектрам димеров, рассчитанным квантово-механически и измеренным в других экспериментах.

На основе численного эксперимента исследуются законы распределения флуктуаций интенсивности лазерных пучков, распространяющихся в атмосфере. Выполнено сравнение функций плотности вероятностей интенсивности фундаментального гауссова пучка и пучка, обладающего орбитальным угловым моментом (вихревого пучка), в зависимости от положения точек наблюдения в поперечной плоскости. Предложена аналитическая модель плотности распределения вероятностей флуктуаций интенсивности, описывающая эту функцию для режимов сильных (когда дисперсия флуктуаций интенсивности принимает наибольшие значения) и насыщенных флуктуаций интенсивности.

Представлены результаты статистического анализа экспериментальных данных, полученных во время полигонных испытаний пассивного оптического измерителя скорости ветра. В испытаниях оценивалась возможность применения измерителя для внесения поправок при прицеливании для коррекции ветрового сноса пули. В ходе экспериментов регистрировались массивы координат точек попадания и значений поперечной к линии прицеливания компоненты интегральной вдоль трассы скорости ветра; взаимно однозначное соответствие элементов массивов не устанавливалось. Предложен метод определения коэффициента линейной взаимосвязи для подобных массивов. Продемонстрировано, что учет поправок, сформированных на основе измерений ветра пассивным оптическим измерителем, ведет к уменьшению разброса точек попадания до значений, соответствующих стрелковым нормативам для лучших снайперов в условиях отсутствия ветра.

Представлена теоретическая концепция нестационарной дифракционно-лучевой оптики мощных фемтосекундных лазерных импульсов, в рамках которой мощность пучка распространяется по специфическим световым структурам - дифракционно-лучевым трубкам. Данные трубки не пересекаются в пространстве, не обмениваются энергией, но изменения их формы и сечения при распространении отражают действие физических процессов, происходящих с излучением в среде. Нестационарная теория дополняется эволюционными уравнениями для усредненных по времени дифракционных лучей и эффективных квадратов радиусов дифракционных трубок.

Экспериментально и теоретически исследован процесс приземного распространения монохроматического акустического излучения с частотой 300, 1000, 2000 и 3150 Гц вдоль приземной трассы длиной до 100 м и для различных высот расположения источника и приемника звука. Эксперимент проводился на специально созданном стенде на полигоне ИМКЭС СО РАН. Проанализирована зависимость величины регистрируемого звукового давления от длины трассы распространения и начальной мощности сигнала. Теоретический анализ проведен методом Монте-Карло с использованием разработанного авторами алгоритма локальной оценки. Проведено сравнение экспериментальных и теоретических результатов, показано их удовлетворительное согласие, что свидетельствует об эффективности предложенного алгоритма и о возможности его использования для прогноза приземного распространения звука.

Создан новый аппаратно-программный ультразвуковой комплекс АМК-03-4 для измерения характеристик турбулентных метеополей. В отличие от подобных измерителей комплекс состоит из четырех идентичных ультразвуковых термоанемометров. Конструкция позволяет регистрировать не только характеристики турбулентности, но и статистические характеристики пространственных производных турбулентных пульсаций температуры и ортогональных компонент скорости ветра вдоль каждой из осей декартовой системы координат. Это делает возможным исследование пространственно-временной структуры турбулентных метеополей приземного слоя атмосферы для последующих применений в теории подобия. Улучшен применяемый в ультразвуковых термоанемометрах стандартный алгоритм вычисления структурных характеристик флуктуаций температуры и скорости ветра, что значительно снизило погрешности их измерения.

Настоящее исследование входит в цикл работ, посвященных изучению роли разных факторов, влияющих на наблюдаемую индикатрису яркости безоблачной атмосферы: вытянутости аэрозольной индикатрисы рассеяния, зенитного угла Солнца, оптической толщи и альбедо подстилающей поверхности. Анализируется ближняя ИК-область спектра. В вычислениях яркости неба в альмукантарате Солнца используется уравнение переноса излучения. Форма аэрозольной индикатрисы задается включением в атмосферную модель трех групп частиц: ультрамикроскопических, субмикронных и грубодисперсных, а также их смесей в разных пропорциях. Полученные данные для длины волны 1,02 мкм могут использоваться в оптике атмосферы в качестве дополнительной оценки асимметрии аэрозольной индикатрисы рассеяния и при проведении приближенных расчетов потоков рассеянного излучения, поступающих на земную поверхность.

Проанализированы результаты измерений комплекса микрофизических, химических и оптических характеристик аэрозоля в двух рейсах НИС «Академик Мстислав Келдыш», состоявшихся в 2016 г. Работы проходили в Карском море с 10 июля по 20 августа и в Баренцевом море с 25 августа по 10 октября 2016 г. Представлены средние значения характеристик аэрозоля: аэрозольной оптической толщи (АОТ) атмосферы, мелко- и грубодисперсной компоненты АОТ, счетной концентрации частиц в приводном слое атмосферы, массовых концентраций поглощающего вещества («сажи»), водорастворимых ионов (Na⁺, Mg²⁺, Cl^-, K⁺, Ca²⁺, NH₄⁺, NO₃^-, SO₄^2-), а также газообразных примесей (SO₂, HCl, HNO₃, NH₃). Для различных районов Карского и Баренцева морей приведены характерные функции распределения частиц по размерам. Показано, что в период двух рейсов уровни как аэрозольного замутнения столба атмосферы, так и концентраций аэрозоля и «сажи» в приводном слое атмосферы были близки средним многолетним данным в арктических широтах. Заметное влияние на замутнение атмосферы в период измерений оказали выносы дымов лесных пожаров с континента. Вклад дымового аэрозоля, например, в среднее значение АОТ на λ = 0,50 мкм, по судовым измерениям, составил около 44%.

Качество атмосферного воздуха определяется концентрациями некоторых газовых загрязнителей и массовой концентрацией аэрозольных частиц в различных размерных фракциях. Широкий спектр загрязнителей атмосферы как в газовой, так и в аэрозольной фазах изучался в июле 2009 г. в районе г. Геленджика одновременно в нескольких наземных точках, в акватории бухты и на высотах до 2200 м. Таких комплексных экспериментов в изучаемом регионе ранее не проводилось. Для аэрозольных частиц определялись: распределение по размерам частиц от 3 нм до 32 мкм, элементный состав частиц (23 элемента), концентрации полиароматических углеводородов (14 соединений), ненасыщенных углеводородов, суммарного белка, некоторых биотоксинов и жизнеспособных микроорганизмов. Построены поля концентраций различных загрязнителей воздуха и интегрального индекса загрязнения атмосферы с использованием математической модели распространения примесей в приземном слое атмосферы и данных о реальных гидрометеорологических условиях в период проведения экспериментов. Полученные данные позволили оценить присутствие различных загрязнителей в атмосфере и рассчитать интегральный индекс загрязнения атмосферы в районе г. Геленджика. Среднесуточные значения измеренных концентраций загрязнителей сравнивались с соответствующими предельно-допустимыми концентрациями. Практически все они оказались меньше предельно-допустимых концентраций; интегральный индекс загрязнения атмосферы в районе г. Геленджика не превосходил единицы. Следовательно, атмосфера города в период проведения экспериментов не содержала загрязнителей в существенных количествах.

Приведены экспериментальные данные по изменению показателя поглощения света желтым веществом в поверхностном слое оз. Телецкого (Горный Алтай), полученные летом 2017 г. в ходе экспедиционных гидрофизических исследований. Рассчитанные значения показателя поглощения света желтым веществом (при натуральном основании логарифма) в спектральном диапазоне 400-800 нм за исследуемый период находились в диапазоне 0,1-2,1 м^-1. Концентрация желтого вещества в оз. Телецком, определяемая оптическим методом по измеренному показателю поглощения света желтым веществом, варьировала в пределах 2,9-5,1 г/м³. Для оценки влияния поглощения света желтым веществом на суммарное ослабление рассчитан относительный спектральный вклад основных оптически активных компонент озерной воды (желтого вещества, взвеси, хлорофилла, чистой воды) в спектральный показатель ослабления по акватории исследуемого водоема. Выявлено, что во всех точках (всего 21 точка отбора проб) озера максимальный вклад вносит именно желтое вещество.