Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2022 номер 12

Обсуждаются результаты высокочувствительной регистрации спектра поглощения молекулы озона для системы полос Вульфа в ближнем инфракрасном диапазоне 9350-10000 см^-1, соответствующих переходам с основного на возбужденное триплетное электронное состояние. Впервые спектр в этом диапазоне выше основного порога диссоциации молекулы зарегистрирован методом лазерной спектроскопии внутрирезонаторного затухания с непрерывными узкополосными лазерами (cw-CRDS), обеспечивающими высокую чувствительность по коэффициенту поглощения порядка 1 × 10^-10 см^-1. Описаны методика измерений, схема генерации и контроля концентрации озона. Проведено сравнение с рассчитанными ранее теоретическими спектрами синглет-триплетных полос ³A₂(000) ← X¹A₁(000), ³A₂(010) ← X¹A₁(000) и ³A₂(010) ← X¹A₁(010).

Основываясь на известных выражениях, применяемых к дифракционно-ограниченным оптическим системам, приведены оценки и предложен способ определения погрешности измерения продольных координат частиц по изображениям, восстановленным из цифровых голограмм. Определен поправочный коэффициент для визуальной фокусировки при различных удалениях регистрируемой частицы от плоскости КМОП-матрицы. Приведены экспериментальные результаты апробации способа. Показано, что погрешность автоматической цифровой фокусировки может быть уменьшена путем одновременного применения фокусировочных кривых для нескольких показателей качества и оптимизации области изображения для их построения.

Анализируются данные долговременных измерений ореольной индикатрисы рассеяния для углов φ = 1,2° и φ = 20° ( I_1,2 и I₂₀), которые были получены с помощью ореольного фотометра закрытого типа на аэрозольной станции ИАО СО РАН в 2010-2021 гг. Анализ временной изменчивости параметров проведен для межгодовых, годовых данных и суточного хода часовых измерений. Среднесуточные значения параметров I_1,2, I₂₀ рассчитывались из часовых данных, среднемесячные - из среднесуточных, среднегодовые - из среднемесячных. Слабый, но значимый (по уровню р = 0,05) временной тренд обнаружен только для межгодовых значений I_1,2 - 1,14% в год. В годовом ходе I_1,2 отчетливо наблюдается монотонный рост значений от зимних месяцев к летним, а в годовом ходе I₂₀ - наоборот уменьшение. Дымы удаленных лесных пожаров в 2012, 2016 гг. и частично 2018, 2019 гг. нарушают эту картину повышенными значениями I₂₀ с июля по сентябрь. Годовые вариации суточного хода среднемесячных значений I_1,2, I₂₀ и отношения I₂₀ / I_1,2 характерны для континентального приземного аэрозоля. Дымы удаленных лесных пожаров приводят к высоким значениям I₂₀ в ночное, утреннее и вечернее время, а уменьшение I₂₀ в дневное время не достоверно с вероятностью 0,95 из-за высоких СКО.

Экспериментально и теоретически исследуется распространение мощного фемтосекундного лазерного излучения (МФЛИ) через аэрозоль. В ходе экспериментальных исследований показано влияние аэрозоля на характеристики области филаментации излучения. На основе экспериментальных данных найдена временная зависимость степени неоднородности поля МФЛИ, обусловленная расплыванием аэрозольного облака. Предложена теоретическая модель, позволяющая воспроизвести экспериментальные закономерности не только качественно, но и количественно. Для моделирования распространения МФЛИ используются плоские фазовые экраны, имитирующие рассеяние излучения на частицах аэрозоля, с эффективными оптическими параметрами, соответствующими разным значениям интенсивности излучения. Модель может быть полезна для исследования распространения МФЛИ на атмосферных трассах.

Продемонстрировано применение оригинального метода решения обратной задачи гиперспектрального спутникового зондирования атмосферы для определения вертикального профиля отношения HDO/H₂O в атмосфере Земли с одновременным использованием спектров теплового и ближнего ИК-диапазонов. Впервые данным методом восстановлен вертикальный профиль относительного содержания изотополога HDO (δD) в атмосферном водяном паре по результатам измерений спутникового ИК-спектрометра TANSO-FTS/ /GOSAT-2 и выполнено сравнение восстановленных значений δD с данными наземного дистанционного зондирования на станции Карлсруэ (Германия), входящей в международную измерительную сеть TCCON. Показано, что одновременное использование спутниковых спектров уходящего излучения атмосферы в тепловом диапазоне и отраженного солнечного излучения в ближнем ИК-диапазоне дает более высокую корреляцию полученных спутниковых данных по среднемесячным значениям δD с данными наземного зондирования, чем использование одного из этих двух диапазонов.

Определены диапазоны изменения параметров ветровой и температурной (оптической) турбулентности, соответствующие четырехбалльной шкале интенсивности турбулентной «болтанки» самолетов. Показано, что оценивание дисперсии радиальной скорости, измеряемой когерентным лидаром в направлении полета, и определение структурной постоянной показателя преломления по лидарным измерениям интенсивности оптической турбулентности в этом направлении позволяют судить о потенциальной опасности «болтанки» самолета в зонах турбулентности ясного неба, находящихся впереди по курсу полета.

Представлены результаты анализа радиолокационных характеристик облаков, включая поляризационные, и данных о грозовой активности за 9 июня 2020 г. в районе Санкт-Петербурга, когда отмечалась интенсивная грозовая деятельность. Выполнено сравнение параметров грозовых облаков и облаков без молний. Приведены статистические данные об их различиях. С использованием нейронных сетей проведен регрессионный анализ зависимости частоты молний от радиолокационных характеристик облаков. Оценено влияние рассмотренных параметров на частоту молний. Получено математическое выражение для расчета частоты молний на основе данных о максимальной величине дифференциальной отражаемости облака и объеме его переохлажденной части с отражаемостью не менее 35 дБZ.

Проведен анализ производных по времени и пространственным координатам от компонентов вектора ветра и их произведений при разложении этих компонентов на детерминированные, мезо-гамма-масштабные и турбулентные составляющие. Использовались экспериментальные данные о компонентах вектора ветра, полученные в приземном слое атмосферы с помощью ультразвуковых анемометров-термометров. Сравнивались диапазоны изменения этих производных и производных, относящихся к «классическому» варианту (учет только детерминированных и турбулентных компонентов вектора ветра). Показано, что вариации компонентов ветра мезо-гамма-масштаба могут быть не менее важны, чем турбулентные составляющие, включенные в «классические» схемы решения задачи моделирования (прогноза) поля ветра с высоким пространственно-временным разрешением.

Исследуется динамика потоков парниковых газов, которые измерялись с 2017 по 2021 г. в обсерватории «Фоновая» ИОА СО РАН (п. Киреевск, Томская обл.). Показано, что среднегодовые потоки СО₂ в обсерватории изменялись от -283 (сток) до +31 мг × м^-2 × ч^-1 (эмиссия). Суточная минимальная эмиссия 1351 мг × м^-2 × ч^-1 фиксировалась в 2019 г., максимальная - 1789 мг × м^-2 × ч^-1 - в 2021 г. Наименьший за все время наблюдения сток был в 2017 г. и составлял 2099 мг × м^-2 × ч^-1. Наибольший, равный 2304 мг × м^-2 × ч^-1, зарегистрирован в 2018 г. Среднегодовые потоки метана находились в диапазоне от -0,032 в 2018 г. до -0,047 мг × м^-2 × ч^-1 в 2020 г. Суточная максимальная эмиссия метана фиксировалась в 2018 г. (0,915 мг × м^-2 × ч^-1), а минимальная в 2021 г. (0,095 мг × м^-2 × ч^-1). При этом максимальный сток варьировал от года к году в диапазоне: от -0,241 до -0,361 мг × м^-2 × ч^-1. Почва района измерений оказалась слабым источником N₂O и сильным СО₂ и СН₄. Среднегодовые потоки N₂O находились в пределах 0,007-0,011 мг × м^-2 × ч^-1. Мало менялись и межгодовые максимальные эмиссии (от 0,237 до 0,301 мг × м^-2 × ч^-1) и стоки (от -0,206 до -0,245 мг × м^-2 × ч^-1).

Оценено влияние континуального поглощения водяного пара в атмосфере на радиационный форсинг СО₂ на основе массовых расчетов потоков теплового излучения для летних месяцев 2021 г. в регионе Нижнего Поволжья. Для моделирования использовалась выборка, состоящая из 368 вертикальных профилей (четыре реализации за сутки на протяжении трех летних месяцев). Показано, что с ростом влажности вклад СО₂ в радиационное воздействие на поверхность Земли уменьшается, что приводит к меньшему нагреву поверхности, при этом нагрев атмосферы увеличивается. Таким образом, усиление парникового эффекта за счет увеличения концентрации CO₂ в условиях высокой влажности будет приводить к еще большему нагреву атмосферы. При этом доминирующую роль играет континуум водяного пара, а не селективное поглощение в полосах Н₂О.

В работе впервые для территории Западной Сибири (45-75° с.ш., 60-90° в.д.) проводится исследование пространственно-временной изменчивости характеристик влажности лесной подстилки (топлива) на основе индексов пожарной опасности Канады (CFFWIS) в 2016-2021 гг., а также оценивается ее влияние на природные пожары в регионе в теплый сезон (март - октябрь). Результаты приводятся для разных ландшафтных зон. Значимые оценки связи очагов возгораний с влажностью подстилки на глубине 18 см получены в центральной и южной частях Западной Сибири (коэффициент корреляции до 0,40). Значимые зависимости пожаров от влажности подстилки на глубине 7 см отмечаются лишь в отдельные весенние и летние месяцы на юге региона (коэффициент корреляции до 0,54). Максимальное влияние (до 0,60) влажности подстилки на возгорания отмечается на глубине 1,2 см в апреле в южных районах Западной Сибири. Таким образом, влажность топлива важна при описании условий возникновения и развития пожаров, однако ее влияние на поведение лесных пожаров еще не до конца изучено и требует дополнительных исследований с учетом данных о метеорологических и атмосферных условиях. Полученные результаты в будущем могут быть использованы при решении задач в области прогноза потенциальной пожарной опасности.

В настоящее время вклад источников аэрозолей в загрязнение Российского сектора Арктики сильно недооценен. В августе 2019 г. на о-ве Белом (Карское море), находящемся на пути переноса воздушных масс из индустриальных районов Западной Сибири в Арктику, установлена новая полярная аэрозольная станция МГУ. Непрерывные аэталометрические измерения короткоживущего климатического трассера - черного углерода (с августа по декабрь 2019 г. и с января по ноябрь 2020 г.), показали его сезонную изменчивость с высокими значениями в декабре - апреле (60 ÷ 92 нг/м³) и низкими в июне - сентябре (18 ÷ 72 нг/м³). Идентифицированы периоды загрязнений. Рассчитано региональное распределение источников сжигания различного природного топлива и биомасс методом отнесения траекторий переноса воздушных масс к измеряемым концентрациям черного углерода. Выяснено, что влияние факельного сжигания газа нефтегазодобывающих регионов Западной Сибири, Поволжья, Урала и Республики Коми наиболее значительно в холодный период года, а дымовых эмиссий пожаров - в теплый. Индикатор влияния сжигания биомасс, определенный по разнице измерений в широком спектре длин волн, указал на преобладающее влияние сжигания древесины в жилом секторе в холодный период и сельскохозяйственных и лесных пожаров в теплый.

Разработана методика расчета наземной оптико-электронной системы (ОЭС) и выполнен расчет облученности входного зрачка от космического объекта цилиндрической формы, подсвеченного Солнцем в ночное время суток. Представлены результаты расчета минимальной облученности и соответствующего ей блеска на входном зрачке ОЭС при отношении сигнал/шум на выходе фотоприемной матрицы по току, равном 7 в интервале длин волн 0,45 ÷ 0,85 мкм. Построена зависимость отношения сигнал/шум от дальности до космического объекта для трех его различных размеров. Разработана программа РОСН-1, представлена ее панель управления для расчета характеристик ОЭС в ночное время суток в диапазоне 0,45 ÷ 0,85 мкм и показаны возможности этой программы.

Рассмотрены особенности работы бистатической лазерной активной оптической системы (лазерный монитор) в задаче формирования мощных пучков и контрастных изображений микрообъектов. В разработанной системе усилитель яркости имеет больший объем активного элемента, чем источник подсветки, что позволяет получать контрастные изображения. Впервые установлено влияние временного сдвига между импульсом сверхизлучения усилителя и моментом поступления сигнала на его вход на контраст и мощность изображений, формируемых одним импульсом. Показано, что артефакты, являющиеся результатом паразитных отражений и рассеиваний излучения сверхсветимости от элементов оптической схемы, существенно снижают контраст и мощность выходных сигналов. Устранить данный эффект удается за счет поступления сигнала на вход усилителя до момента появления усиленного спонтанного излучения. Оптимальная задержка составляет 1 нс.