Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2022 номер 10

Рассматривается модель атмосферного канала оптической связи на рассеянном излучении между земной поверхностью и беспилотным летательным аппаратом (БПЛА). Методом Монте-Карло оценивается, как меняются ослабление полезного сигнала, минимальная энергия в импульсе источника, обеспечивающая устойчивую связь, и максимальная скорость передачи информации в зависимости от оптико-геометрических условий формирования канала связи. На основе полученных результатов сформулированы рекомендации для выбора оптимальных конфигураций систем оптической связи на рассеянном излучении с БПЛА.

Малые газовые составляющие (МГС) атмосферы, эмитируемые водной поверхностью Земли, оказывают существенное влияние на химические процессы в атмосфере, погодообразование и глобальные изменения климата. В обзоре представлен анализ основных МГС, эмитируемых поверхностью морских акваторий, а также заболоченных территорий Земли. Также рассмотрена техника локального/дистанционного газоанализа небольшого числа МГС, включая спектроскопию внутрирезонаторного ослабления сигнала во времени, оптико-акустическую спектроскопию. Рассмотрены подходы к приборной реализации средств абсорбционной лазерной спектроскопии для контроля большого количества МГС атмосферы с использованием параметрических генераторов света в качестве источников перестраиваемого по частоте лазерного излучения.

Представлены результаты экспериментальных исследований спектров флуктуаций интенсивности распространяющегося в приземной атмосфере пучка лазерного излучения, рассеянного в дожде, мороси, дымке и тумане. Излучение лазерного пучка фокусировалось в конце трассы длиной 130 м. Флуктуации интенсивности измерялись на расстоянии 10 мм от фокального пятна в области излучения, рассеянного на частицах в атмосфере. Форма спектра флуктуаций рассеянного излучения U ( ƒ ) = ƒW ( ƒ )/∫ W ( ƒ ) dƒ в дожде, мороси и дымке характеризуется четырьмя параметрами: частота максимума ƒ _max, наклон низкочастотного участка спектра 1 > γ_н > 0 при ƒ < ƒ _max и два наклона высокочастотного участка γ_в = -2,5…-5/3 и γ_в1 = -3…-5 при ƒ > ƒ _max, а в слабом тумане - в основном двумя отрицательными наклонами γ_в = -0,5 и γ_в1 = -4…5. Частота максимума спектра флуктуаций рассеянного поля определяется взаимодействием вихревого поля флуктуаций скорости ветра и поля распределения частиц по размерам и массе и коэффициентом их увлечения вихревым полем.

Приводятся результаты статистического обобщения данных о микрофизических характеристиках и ионном составе аэрозоля в атмосфере Белого моря, полученных в экспедициях 2003-2021 гг. На основе перерасчета результатов измерений с помощью единообразного алгоритма фильтрации данных рассматриваются общая счетная концентрация частиц радиусом 0,2-5 мкм, объемы частиц мелко- и грубодисперсной фракций приводного аэрозоля (радиусом меньше и больше 0,5 мкм), функция распределения частиц по объемам. Оцениваются массовые концентрации в составе аэрозоля восьми водорастворимых ионов Сa²⁺, Mg²⁺, Na⁺, K⁺, NH₄⁺, NO₃^-, Cl^-, SO₄^2-. Анализируются пространственные неоднородности и причины аномально высоких концентраций и ионного состава аэрозоля.

Импульсный когерентный доплеровский лидар (ИКДЛ) ЛРВ, созданный в Лаборатории распространения волн ИОА СО РАН, тестировался в двух экспериментах, проведенных в 2021 г. на Базовом экспериментальном комплексе ИОА СО РАН и на побережье оз. Байкал. В экспериментах также был задействован ИКДЛ Stream Line серийного производства фирмы HALO Photonics (Великобритания). Сравнительный анализ оценок средних горизонтальной и вертикальной скоростей ветра, полученных на основе данных измерений лидарами Stream Line и ЛРВ, показал хорошее согласие результатов (коэффициент корреляции оценок равен 0,98 при 30-минутном усреднении данных).

В работе исследованы возможности компенсации ухода пучка от заданного направления по смещению энергетического центра тяжести оптического изображения, формируемого пучком рассеивающего объема. Атмосферные эксперименты проводились с коллимированным и сфокусированным пучками. Изображение лазерного пятна на рассеивающем атмосферном слое регистрировалось матричным приемником, установленным в плоскости резкого изображения телескопа. Управление направлением распространения лазерного пучка осуществлялось при помощи поворотного зеркала. Показано, что уход может быть скомпенсирован с точностью до нескольких микрорадиан.

По данным наземных измерений в обсерватории «Фоновая» в 2021 г. проведен анализ изменчивости солнечной радиации в диапазонах длин волн λ = 0,285 ÷ 2,8; 0,280 ÷ 0,400; 0,280 ÷ 0,315 мкм. Приводятся результаты расчета радиационного баланса и альбедо подстилающей поверхности. Показано, что с ноября по март при устойчивом снежном покрове суточный радиационный баланс составляет 1,20 ± 1,18 МДж/м², а при отсутствии снега с мая по сентябрь - 8,83 ± 4,49 МДж/м². Сделаны оценки суточного поглощения солнечной радиации земной поверхностью. В период устойчивого снежного покрова с декабря по март суточное поглощение солнечной радиации земной поверхностью не превышало 2 МДж/м², а в летний период изменялось от 10 до 25 МДж/м².

По измерениям концентраций озона (O₃) и оксидов азота (NO, NO₂) на высотной мачте ZOTTO (Zotino Tall Tower Observatory) в Центральной Сибири проведены оценки скоростей генерации ( P ) и разрушения ( L ) озона, а также содержания пероксидных радикалов (OX) с использованием фотостационарного приближения. Максимумы суточного хода рассматриваемых величин приходятся на период с 11:00 до 15:00 местного времени и составляют ~ 6 млрд^-1/ч ( P ), 1,4 млрд^-1/ч ( L ) и 115 трлн^-1 ([OX]). В диапазоне измеренных концентраций NO_x от 0,2 до 0,8 млрд^-1 имеет место линейная зависимость P от [NO_x], соответствующая NO_x-лимитирующему производству озона, с коэффициентом пропорциональности P (O₃)/[NO_x] ~ ~ 13 (млрд^-1/ч)/млрд^-1. Высокое содержание пероксидных радикалов наряду с условием P >> L свидетельствует о процессах интенсивного окисления биогенных летучих органических соединений и фотохимической генерации озона. Приземный слой воздуха может выступать в качестве источника озона для атмосферного пограничного слоя над удаленными районами Сибири при концентрациях NO_x, отвечающих условиям как регионально фонового, так и слабо загрязненного воздуха. Полученные оценки свидетельствуют о значимой роли региональных эмиссий NO_x в балансе приземного озона и необходимости учета данного фактора при прогнозировании экологических рисков в регионах Сибири, традиционно относящихся к экологически чистым.

Проведен анализ данных измерений аэрозольных параметров в приземном слое с помощью комплектов оптических сенсоров Panasonic PM_2,5 и во всем атмосферном столбе фотометрическим методом в городском и фоновом пунктах наблюдений на Среднем Урале за 2016-2019 гг. Выполнено сравнение особенностей внутригодового и суточного ходов параметров аэрозоля в приземном слое и во всем атмосферном столбе, а также поиск взаимосвязи концентрации частиц PM_2,5 с АОТ и метеорологическими параметрами в двух районах. Для Среднего Урала впервые были построены статистические модели для оценки концентрации аэрозольных частиц РМ_2,5.Многофакторные регрессионные модели оценки логарифма концентрации частиц РМ_2,5 имеют существенно более высокое качество по сравнению с однофакторными моделями. В качестве значимых предикторов были установлены: высота пограничного слоя (blh, м), ln AOT нормализованный относительный индекс растительности (NDVI), относительная влажность воздуха (Hu, %), давление ( P , Па).

Приведены результаты анализа данных по спектральной изменчивости коэффициента асимметрии индикатрисы рассеяния света в водах оз. Байкал, полученных в работе Б.А. Таращанского с соавторами «Методы и результаты мониторинга оптических характеристик водной среды байкальского нейтринного телескопа, осуществляемого стационарным глубоководным прибором АSР-15». Показано, что эти данные противоречат общеизвестным теоретическим и экспериментальным результатам. Выполнен модельный расчет спектральной изменчивости коэффициента асимметрии индикатрисы рассеяния света в водах оз. Байкал.

Работа посвящена применению техники лазерных опорных звезд (ЛОЗ) для адаптивной оптической системы наземного телескопа. Представлены результаты исследования возможностей коррекции общего наклона волнового фронта при использовании ЛОЗ. Сравниваются методы полихроматической ЛОЗ, в которой сигнал для коррекции представляет собой результат разностной случайной рефракции, обусловленной атмосферой для различных длин волн оптического излучения, и традиционной монохроматической ЛОЗ, где ЛОЗ рассматривается как точечный источник со случайным центром. Расчеты выполнены в приближении метода Гюйгенса-Френеля. Показано, что в этом приближении уровень сигнала от моностатической монохроматической ЛОЗ, который используется для коррекции общего наклона волнового фронта, оказывается сравнимым с уровнем сигнала от полихроматической ЛОЗ. Представлены оценки сезонного изменения концентрации и высоты мезосферного слоя натрия для обсерваторий РФ, определяющих характеристики натриевых ЛОЗ.

С использованием образцов нелинейного кристалла LBO размером 30 × 30 × 10 мм³ методом терагерцовой спектроскопии с временным разрешением получены спектрально-температурные зависимости главных компонент показателя преломления в диапазоне 0,05-0,5 ТГц при нагреве от 20 до 200 °C. Обнаружено пересечение показателей преломления n_x и n_y при температуре ~ 84 °C. Полученные данные могут быть использованы для управления типами и условиями фазового синхронизма для реализуемых преобразований частоты в длинноволновую часть ТГц-диапазона, перспективную для создания систем мониторинга газового состава атмосферы из-за слабой чувствительности к влиянию аэрозолей.