Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2020 номер 5

Получены общие формулы для коэффициента затухания лазерного излучения в атмосфере, учитывающие нелинейные эффекты и существенно отличающиеся от результатов, следующих из линейной оптики. Конкретные вычисления проведены для атмосферы Титана. Показано, что учет реальной зависимости концентрации атмосферных газов от высоты приводит к заметному отличию высотной зависимости коэффициента затухания от результатов, получаемых с помощью барометрической формулы. Также приведены оценки коэффициента затухания в атмосфере Тритона.

Проведено вычисление уширения линий поглощения молекул Н₂О, СО и СО₂, находящихся в нанопорах аэрогеля и ксерогеля сферической и цилиндрической формы диаметром от 20 до 90 нм при давлении от 0,9 до 50 мбар при комнатной температуре. Рассмотрена модель, в которой уширение линий молекулы обусловлено упругими столкновениями свободных молекул со стенками ячейки и неупругими столкновениями с молекулами, физически адсорбированными на стенках ячейки. Сделана оценка поверхностной концентрации центров адсорбции в порах аэрогеля. Проведено сравнение с имеющимися экспериментальными данными.

Получен подробный высокоточный список линий поглощения молекулы ³²S¹⁶O₂ в важном для атмосферных приложений спектральном диапазоне 2000-3000 см^-1 на основе объединения высокоточных данных по экспериментальным уровням энергии и вариационных расчетов интенсивностей колебательно-вращательных переходов. Экспертный список содержит 70565 линий поглощения с отсечкой по величине интенсивности 1,0Е-27 см/мол. Проведено сравнение полученных результатов с литературными данными.

Выполнено численное моделирование функционирования оптической системы передачи данных по открытому атмосферному каналу, с кодированием информации величиной орбитального углового момента (ОУМ), нормированного на мощность пучка. Рассмотрено два метода регистрации ОУМ, основанных на разложении комплексной амплитуды поля лазерного пучка, прошедшего через слой турбулентной атмосферы, по вихревым азимутальным модам (оптическим вихрям). Выполнен статистический анализ зависимости частоты приема ошибочно зарегистрированных значений ОУМ от параметров турбулентности. Анализ проводился для выборки из 5000 случайных реализаций комплексной амплитуды поля при распространении излучения на атмосферной трассе при фиксированных турбулентных параметрах. Обсуждаются варианты и потенциальные возможности аппаратной реализации методов. Проведено сравнение предложенных методов.

Летом 2018 г. на маршруте 71-го рейса НИС «Академик Мстислав Келдыш» в Северной Атлантике проведены измерения таких характеристик атмосферного аэрозоля, как аэрозольная оптическая толща, приземные концентрации аэрозоля и сажи, содержание в аэрозольных пробах химических элементов, органического и элементного углерода, а также изотопный состав сажевого углерода. Показано, что при переходе от Балтийского моря в Северную Атлантику (57-60° с.ш.) и затем в Норвежское море средние значения большинства характеристик уменьшаются в несколько раз. Например, средняя концентрация сажи уменьшилась от 83 до 29 нг/м³. Эпизодическое воздействие континентального аэрозоля отмечено даже в удаленных районах океана. Сильнее всего на характеристики аэрозоля повлиял вынос в район измерений (южнее Гренландии) дымов лесных пожаров с севера Канады. Средние концентрации химических элементов в составе аэрозоля над Северной Атлантикой в несколько раз больше, чем в арктическом районе, и меньше, чем в фоновом районе Сибири.

Проанализированы результаты экспериментальных исследований по оценке влияния ионов коронного разряда на образование новых аэрозольных частиц. Отмечен тот факт, что и в контролируемом пространстве (аэрозольных камерах), независимо от его объема, и в условиях естественной атмосферы генерация коронного разряда сопровождается появлением новых аэрозольных частиц нанометрового размера, концентрация которых более чем на порядок превышает фоновую. Дана интерпретация полученных результатов на основе теоретических представлений о влиянии электрического заряда ионов на конденсацию различных примесей. На основе теории коагуляции и модели непрерывного роста рассчитано увеличение радиуса аэрозольных частиц в зависимости от времени.

Пространственное разрешение обычной оптики, необходимое для неразрушающего захвата микрообъектов, ограничено дифракцией до величины, равной половине длины волны излучения. Несмотря на это ограничение, использование оптических методов является одним из основных направлений в биологических и биомедицинских исследованиях, так как только эти методы оказывают минимальное воздействие на живые организмы. Быстрый прогресс в этой области во многом связан с развитием новых оптических технологий, а значительный прогресс в мезоразмерной фотонике позволил исследователям получить методы управления структурированными пучками для оптических ловушек. В настоящей работе мы рассмотрели некоторые последние тенденции в области оптического манипулирования на основе мезомасштабных диэлектрических частиц.

Представлены исследования поглощающей способности полой сферической микрочастицы - микрокапсулы, в оболочку которой добавлены сильно поглощающие золотые наночастицы сферической и цилиндрической пространственных форм. С помощью численного моделирования получены спектры поглощения легированной наночастицами микрокапсулы в видимой и ближней ИК-областях спектра. Установлено, что эффективность поглощения света капсулой зависит от морфологии нановключений. В частности, происходит заметное усиление поглощения капсулы в областях резонансного возбуждения поверхностных плазмонных мод наночастиц. Дисперсия поглощения уменьшается с увеличением объемного содержания наночастиц в микрокапсуле, а также при смешивании нановключений различных форм (сферы + стержни). В этом случае становится возможно получить близкий к равномерному спектр поглощения капсулы в рассматриваемом диапазоне длин волн.

На основе данных многочастотного зондирования исследованы аэрозольные слои с различными рассеивающими и поглощающими свойствами. Проанализировано влияние адвекции воздуха на оптические и микрофизические параметры аэрозоля в нижней и средней тропосфере. Выяснено, что при северном направлении переноса наблюдаются низкие значения коэффициентов ослабления и обратного рассеяния, а также мнимой части показателя преломления и среднегеометрического радиуса мелких аэрозольных частиц; при южном направлении - высокие значения тех же параметров. Лидарное отношение и вклад мелкодисперсной фракции в суммарную концентрацию частиц, напротив, убывают при изменении направления переноса с севера на юг.

Описан лидарный комплекс малой станции высотного зондирования атмосферы Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН (МСВЗА). Лидар создан на основе телескопа системы Ньютона с зеркалом диаметром 1 м и предназначен для мониторинга вертикальной стратификации аэрозоля и распределения температуры и плотности воздуха в средней атмосфере. Приведены его блок-схема и технические характеристики. Дано описание как аппаратной части, так и программных систем управления, регистрации и обработки результатов измерений. Для иллюстрации работы лидара и демонстрации его возможностей приведены профили вертикального распределения аэрозоля, температуры и плотности воздуха в диапазоне высот 10-70 км.

Проведен анализ данных измерений массовых концентраций PM1, PM2.5 и PM10 с помощью аэрозольного спектрометра GRIMM вблизи Санкт-Петербурга за 2016-2018 гг. Средние значения PM1, PM2.5 и PM10 за весь период измерений составляют 4,5; 4,8 и 4,9 мкг/м³ соответственно. Выполнено сравнение среднечасовых измерений концентраций PM10 со значениями аэрозольной оптической толщи (АОТ) на длине волны 500 нм для разных сезонов. Выявлено, что наилучшая корреляция между концентрацией РМ10 и АОТ достигается осенью. Согласно распределению по направлениям ветра максимальные концентрации PM10 соответствуют восточному направлению (со стороны Санкт-Петербурга). Проанализирована сезонная зависимость суточного хода массовой концентрации РМ10 от относительной влажности и высоты пограничного слоя атмосферы. Наиболее высокие концентрации РМ10 (в среднем около 8 мкг/м³) и максимальная амплитуда суточного хода наблюдаются в зимнее время.

Устойчивость стратосферного полярного вихря в зимне-весенний период является одним из ключевых факторов, определяющих продолжительность и масштабы разрушения стратосферного озона в полярной области. Максимум скорости арктического полярного вихря наблюдается зимой, а антарктический вихрь, как правило, усиливается в начале весны. В результате над Антарктикой ежегодно с августа по ноябрь наблюдается масштабное разрушение озона, а над Арктикой с января по март - лишь небольшие эпизодические аномалии. В работе рассмотрена причина высокой силы и устойчивости антарктического полярного вихря в зимне-весенний период. На основе данных реанализа ERA-Interim показана высокая согласованность между внутригодовыми изменениями температуры нижней субтропической стратосферы и скорости зонального ветра в субполярной и полярной нижней стратосфере в Южном полушарии. Результаты численного моделирования с использованием модели PlaSim-ICMMG-1.0 демонстрируют усиление зонального ветра в субполярной области при повышении температуры субтропической стратосферы. Показано, что зимне-весеннее усиление антарктического полярного вихря происходит благодаря увеличению стратосферного меридионального температурного градиента в результате сезонного повышения температуры нижней субтропической стратосферы в этот период.