Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2023 номер 5

Теория возмущений применена для вычисления колебательных уровней энергии изотопозамещенных молекул. В рамках приближения Борна-Оппенгеймера получено представление изотопических сдвигов энергетических уровней в виде рядов по степеням малых параметров - относительного изменения масс замещаемых атомов. Коэффициенты рядов являются функциями молекулярных констант только одной модификации изотопического семейства молекулы. Это позволяет, определив эти коэффициенты либо расчетом, либо на основе полуэмпирического подхода из экспериментальных данных, вычислить изотопические сдвиги для любых изотопологов, в том числе и короткоживущих. В качестве примера рассчитаны изотопические сдвиги уровней нестабильных изотопологов воды Н₂^ХО, Х = 13-15, 19-24, имеющих время полураспада более 1 мс. Полученные значения уровней сравниваются с результатами вариационных вычислений с высокоточной функцией внутримолекулярной потенциальной энергии. Отработана методика оценки уровней энергии для различных изотопологов воды с использованием изотопического ряда, которая в дальнейшем может быть использована для других молекул, особенно в тех случаях, когда отсутствуют вариационные расчеты.

Спектр поглощения водяного пара с высоким содержанием ¹⁷O (более 80%) зарегистрирован на Фурье-спектрометре Bruker IFS 125M в диапазоне 7900-9500 см^-1 при комнатной температуре. В зарегистрированном спектре найдено около 6300 линий с минимальной интенсивностью 5,0 × 10^-27 см/молек. 4835 линий спектра отнесены к 5185 переходам пяти изотопологов молекулы воды (H₂¹⁶O, H₂¹⁷O, H₂¹⁸O, HD¹⁶O и HD¹⁷O). Линии H₂¹⁷O отнесены к 14 колебательным полосам, из них большая часть к ν₂ + 2ν₃, 3ν₂ + ν₃, ν₁ + ν₂ + ν₃, ν₁ + 3ν₂ и 2ν₁ + ν₂. Впервые идентифицированы линии горячих полос ν₁ + 2ν₂ + ν₃ - ν₂, 2ν₁ + ν₃ - ν₂ и 2ν₁ + 2ν₂ - ν₂. Идентификация позволила определить более 153 новых колебательно-вращательных уровней энергии девяти колебательных состояний молекулы H₂¹⁷O и 22 уровня энергии двух состояний молекулы HD¹⁷O. Проведены сравнения полученных данных с результатами предыдущих исследований, спектроскопической базой HITRAN2020 и списком W2020.

С помощью численного FDTD-моделирования исследована динамика поглощения ближнего инфракрасного излучения сферической микрокапсулой в окружении твердых золей с наночастицами различных оптических свойств (металл, биосовместимый диэлектрик). Подобная модельная частица является аналогом микроконтейнера, используемого в современных био- и медицинских технологиях для адресной доставки нанодоз терапевтических веществ в целевую область биологического организма. Установлено, что вследствие дифракции света на наночастицах возникает суперлокализация оптического поля с появлением «горячих областей» на поверхности микрокапсулы. Поглощение света увеличивается до трех раз при добавлении наночастиц.

Важную роль в региональном мониторинге содержания О₃ играют наземные микроволновые спектрометры, измеряющие нисходящее тепловое излучение в различных линиях поглощения озона. В работе с помощью численного моделирования изучены информативность типичных наземных измерений нисходящего микроволнового теплового излучения в линии поглощения озона при 110,836 ГГц, погрешности определения вертикальных профилей содержания озона на высотах 20-60 км, а также влияние на них используемой априорной информации о профиле и типе обратного оператора в регрессионной методике решения обратной задачи.

Представлены результаты наблюдения аэрозольных слоев в стратосфере на лидарных станциях Росгидромета в Санкт-Петербурге (59,9° с.ш.), Обнинске (55,1° с.ш.) и Знаменске (48,6° с.ш.) через несколько месяцев после извержения в январе 2022 г. подводного вулкана Хунга-Тонга (21° ю.ш., 175° з.д.). В апреле, мае и октябре наблюдались аэрозольные слои на высотах от 20 до 24 км с отношением обратного рассеяния от 1,2 до 1,4. Степень деполяризации на длине волны 532 нм и отношение коэффициентов обратного аэрозольного рассеяния на длинах волн 355 и 532 нм показывают, что аэрозоль представлен сферическими субмикронными частицами. Проведено сопоставление результатов наблюдений с известными литературными данными по распространению аэрозоля вулкана Хунга-Тонга.

В августе 2022 г. с помощью акустической метеостанции АМК-03 были проведены измерения уровня турбулентности и средней скорости ветра на протяженной атмосферной трассе. Показано, что метеостанция АМК-03 обеспечивает достоверные данные по уровню турбулентности и скорости ветра. Результаты измерений уровня турбулентности в различных точках вдоль неоднородной атмосферной трассы корректно пересчитываются в значения радиуса когерентности (параметр Фрида) для оптической волны произвольной длины и расходимости по формулам теории распространения волн. Это позволяет сравнивать данные локальных акустических и оптических трассовых измерений уровня турбулентности.

На основе данных реанализа ERA5 за последние десятилетия (1979-2021 гг.) получены количественные оценки сезонных и региональных особенностей и изменений циклонической активности в атмосфере Северного полушария; определен вклад внетропических циклонов в формирование соответствующих особенностей и изменений режима осадков. Получено, что вклад внетропических циклонов в формирование общего количества осадков в целом превышает 60%, а для регионов с высокой повторяемостью циклонов достигает 75% зимой и 65% летом. При этом наибольший вклад вносят интенсивные циклоны - около 60% зимой и около 35% летом.

На примере оз. Байкал методами численного моделирования исследуется совместное влияние ветра и морфологических характеристик водоема на его термическое состояние и особенность развития осеннего термобара. Установлено, что при метеорологических условиях с 1 по 30 ноября 2015 г. поведение термобара в начальной стадии его развития на разрезе р. Болдакова - прол. Малое Море более чувствительно к ветровому воздействию, чем на разрезе прот. Средняя (дельта р. Селенги) - р. Бугульдейка. Однако распространение фронта термобара и охлаждение вод в Селенгинском мелководье происходит более быстрыми темпами.

Точность расчета радиационных характеристик в задачах прогноза климата зависит от качества используемой спектроскопической информации. Современные спектроскопические базы данных по параметрам линий атмосферных газов и модели континуального поглощения периодически обновляются, поэтому необходимо проводить оценки, насколько существенны эти обновления при решении задач переноса излучения в атмосфере Земли и потребуют ли эти обновления модернизации радиационных блоков климатических моделей.В работе проведены массовые расчеты нисходящих и восходящих ИК-потоков для метеорологических условий, наблюдаемых в летние месяцы в Нижнем Поволжье и зимние месяцы в Новосибирске, а также для среднезональных метеомоделей. Выполнено сравнение потоков и скоростей радиационного выхолаживания на различных уровнях в атмосфере, вычисленных с новыми версиями спектроскопических баз HITRAN и GEISA и предыдущими версиями. Показано, что различие в параметрах линий поглощения в спектроскопических базах данных приводит к погрешности менее 0,7 Вт/м² (0,3%) при моделировании интегральных ИК-потоков в диапазоне 0-3000 см^-1, при этом относительные различия в спектральных потоках, вычисленных с умеренным разрешением (20 см^-1), составляют до 10%. Выявлены атмосферные газы и спектральные интервалы, дающие наибольший вклад в погрешности моделирования ИК-потоков за счет неопределенностей исходной спектроскопической информации.

Представлены сезонные и суточные вариации коэффициента ослабления оптического излучения за счет гнуса в июне, июле, августе и сентябре 2018 г. в Западной Сибири. Средние значения коэффициентов ослабления излучения гнусом в видимой и инфракрасной областях спектра составили: ~ 0,06 км^-1 в июне, ~ 0,05 км^-1 в июле, ~ 0,04 км^-1 в августе и 0,02 км^-1 в сентябре. Суточный ход в эти месяцы имеет два максимума: первый приходится на 09:00; второй более выражен и наблюдается в 17:00. Минимальные значения коэффициентов наблюдаются в ночные часы (01:00-05:00) и в 12:00. Некоторые дни сентября характеризуются дополнительным типом суточного хода с одним максимумом в дневные часы и минимумом в темное время суток.

Представлена математическая модель процесса лазерно-индуцированной флуоресценции молекул оксида фосфора (PO), на основе которой получены зависимости интенсивности флуоресценции молекул PO от энергетических и временных параметров возбуждающего лазерного излучения. Установлено, что зависимость величины сигнала флуоресценции PO от плотности энергии возбуждающего излучения имеет вид кривой насыщения; зависимость от длительности импульсов в условиях реальной атмосферы имеет локальный максимум. Показано, что с уменьшением плотности энергии возбуждающего излучения происходит уменьшение оптимальной длительности импульсов.

Разработан и введен в эксплуатацию мобильный озоновый лидар на длинах волн зондирования 299 и 341 нм. Лидар способен охватить высоты от 0,1 до 12 км с пространственным разрешение лидарных сигналов от 1,5 до 150 м. Приведены техническое описание мобильного лидара и результаты натурного эксперимента по лазерному зондированию атмосферы в Томске. Полученные эхосигналы и восстановленные профили озона подтверждают информативность измерений в тропосфере. Выполнено сопоставление лидарных и спутниковых (MetOp) измерений.

Приводится сравнение основных характеристик арктического полярного вихря, полученных по данным GSFC NASA (средняя скорость зонального ветра на 60° с.ш., средняя температура в области 60-90° с.ш.) и методом оконтуривания вихрей с помощью геопотенциала (средняя скорость ветра по границе вихря, средняя температура внутри вихря), на примере трех крупнейших арктических озоновых аномалий и в среднем за 1979-2021 гг. Средняя скорость ветра по границе вихря согласно методу оконтуривания в среднем в два раза выше средней скорости зонального ветра на 60° с.ш. и составляет в январе 37,3 ± 5,6 и 58,9 ± 13,1 м/с на уровнях 50 и 10 гПа соответственно. Средняя температура внутри вихря, согласно методу оконтуривания, в целом на 5 °С ниже средней температуры в области 60-90° с.ш. в нижней стратосфере. Полученные количественные характеристики расширяют представление о динамике арктического полярного вихря в нижней стратосфере.