Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2024 номер 5

В 2024 г. наша страна отмечает знаменательную историческую дату - трехсотлетие Российской академии наук. Созданная Петром Первым Российская академия наук вместе с государством за три века прошла долгий и яркий путь. Она всегда объединяла исследователей - искателей истины, которые помогали стране развиваться, изучали ее природные богатства, совершали прорывные открытия и создавали научные школы. Наши предшественники сформировали значимые для научного сообщества традиции - в том числе открытое, публичное обсуждение результатов, свободу дискуссий. Отечественные ученые заложили прочную основу для развития математики, физики, химии, информатики, геологии, биологии, многих других направлений научной мысли. Они внесли огромный вклад в изучение истории и роли человека в мире, способствовали сохранению богатейшего исторического и культурного наследия. Фундаментальные труды и яркие научные результаты исследователей стимулировали развитие медицины и сельского хозяйства, создание передовых технологий, необходимых для решения глобальных проблем. Несмотря на драматические и переломные исторические события, Академия наук сохранила преемственность, сквозь поколения пронесла уважение к великим учителям и ученикам. Полвека назад в журнале «Физика атмосферы и океана» (М.: Наука, Т. 10, № 5. С. 451-454) отмечалось: «В 1974 году Академия наук СССР празднует свой 250-летний юбилей - четверть тысячелетия огромного, плодотворного и глубокого исследования, охватывающего очень широкий круг наук, в том числе изучение физических процессов в атмосфере и океане. С самого ее возникновения объекты интересов Академии - планета Земля, ее гидросфера и атмосфера. В ноябре 1724 г. впервые в России (Петербург) Томасом Консеттом начаты систематические метеорологические наблюдения - первый опыт описания в числах климата и погоды страны, не имеющей равных по обширности и природному разнообразию. С 1731 г. за организацию наблюдений и в других городах от Казани до Якутска взялась Великая Северная экспедиция. В этом же году в Москву пришел в поисках образования девятнадцатилетний юноша М.В. Ломоносов, которому привелось стать первым российским академиком-энциклопедистом и основателем отечественной метеорологии. Принеся с собой с привычного к парусному мореходству Севера деятельный интерес к явлениям погоды и пользованию компасом, М.В. Ломоносов много занимался конструированием метеорологических приборов - барометров, анемометров, приборов для регистрации температуры атмосферы и изучения атмосферного электричества. Он стал автором и первых трактатов об атмосфере на русском языке - „Слова о явлениях воздушных” (1753 г.) и „Рассуждения о большой точности морского пути” (1759 г.). Сами термины „атмосфера”, „барометр”, „метеорология” были введены им в русский язык впервые”. Академическая наука в Томске началась с успешной деятельности лаборатории инфракрасных излучений (ЛИКИ) Сибирского физико-технического института при Томском государственном университете, руководимой будущим академиком Владимиром Евсеевичем Зуевым. Лаборатория занималась, в частности, решением важной правительственной задачи - изучением эффективности работы теплопеленгаторов, приборов ночного видения, оптических приборов при различных условиях в атмосфере. Создание в 1960 г. первого лазера открыло широкие возможности для решения еще более амбициозных задач атмосферной оптики. В 1966 г. численность ЛИКИ превысила 100 человек, и в 1969 г. был создан Институт оптики атмосферы Сибирского отделения Академии наук СССР, 14 октября доктор физико-математических наук В.Е. Зуев назначен его директором. В наши дни Институт активно ведет фундаментальные, поисковые и прикладные научные исследования в области оптики атмосферы и океана, спектроскопии, лазерной физики, нелинейной оптики, физики и химии атмосферы, разрабатывает оптико-электронные системы и технологии исследования окружающей среды. В ИОА СО РАН созданы и функционируют лазеры и лидары, газоанализаторы и спектрофотометры, акустические локаторы и нефелометры, ряд экспериментальных установок мирового уровня. Сибирская лидарная станция и самолет-лаборатория Ту-134 «Оптик» зарегистрированы Минобрнауки России как уникальные научные установки. Лидарная станция, единственная в азиатской части России, обеспечивает регулярное зондирование атмосферы с целью измерения температуры и влажности воздуха, определения характеристик аэрозоля, облачности, озона. Станция, самолет-лаборатория и ряд крупномасштабных модельных установок составляют основу Центра коллективного пользования «Атмосфера». В ИОА СО РАН успешно действуют две научные школы, получившие мировое признание. Учеными научной школы по оптике атмосферы, основанной академиком В.Е. Зуевым, выполнен цикл фундаментальных исследований по распространению лазерного излучения в земной атмосфере, разработаны новые методы решения задач самовоздействия лазерных пучков. Результаты этих исследований представлены в серии из 11 монографий «Современные проблемы атмосферной оптики», изданных на русском и английском языках. Достижениями научной школы по спектроскопии, основанной членом-корреспондентом РАН С.Д. Твороговым (1936-2008 гг.), являются развитие экспериментальных и теоретических методов спектроскопии высокого разрешения, создание теории спектральных проявлений межмолекулярных взаимодействий в газах, методов расчета радиационных потоков в молекулярной атмосфере. Постановлением Президиума Академии наук СССР от 15 сентября 1987 г. № 859 основан научный журнал «Оптика атмосферы и океана». Уникальность его состоит в тематике, которая охватывает широкий круг вопросов, связанных с оптическими методами и средствами исследования атмосферы и океана, развитием соответствующего инструментария, изучением окружающей среды и климата Земли. Издание широко известно в вузах, академических центрах и библиотеках нашей страны, дальнего и ближнего зарубежья, включено Высшей аттестационной комиссией при Министерстве образования и науки Российской Федерации в Перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук. В год трехсотлетия Российской академии наук желаю всем авторам и читателям нашего журнала новых ярких научных идей и творческих успехов.

Проведена экспертная оценка погрешностей для интенсивностей колебательно-вращательных переходов водяного пара в базе данных HITRAN2020 в спектральном диапазоне 2500-6500 см^-1. Из сравнения с экспериментальными данными ( Loos J., Birk M., Wagner G. Measurement of positions, intensities and self-broadening line shape parameters of H₂O lines in the spectral ranges 1850-2280 cm^-1 and 2390-4000 cm^-1 // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2017. V. 203. P. 119-132) определены нормировочные коэффициенты вариационного расчета. Для полос поглощения (001)-(000), (020)-(000), (011)-(000) и (110)-(000) они составили 1,010; 1,007; 1,015 и 1,030 соответственно. С использованием вариационных расчетов и моделирования по методу эффективного гамильтониана проведена экспертиза экспериментальных данных из базы данных HITRAN2020, выявлены менее точные значения. На основе полученных результатов построен откорректированный список линий поглощения H₂¹⁶O в области 2500-6500 см^-1, который может быть полезен при проведении натурных экспериментов.

Исследовано влияние двух факторов на контур линии поглощения молекулы водяного пара в смеси с гелием, аргоном, криптоном и ксеноном: зависимости коэффициентов уширения γ и сдвига центра линии δ от скорости ν_a поглощающей молекулы Н₂О (эффект ветра) и изменения скорости Н₂О при столкновении с указанными атомами. Для исследования выбраны три линии поглощения молекулы Н₂О из полосы n₁ + n₂ + n₃ с различными вращательными квантовыми числами начального квантового состояния. Показано, что наиболее сильно эффект ветра проявляется при взаимодействии молекулы Н₂О с атомами аргона, криптона и ксенона. Результаты работы могут быть использованы при анализе спектров поглощения водяного пара в смеси с одноатомными газами.

Для оценки влияния атмосферной турбулентности на качество получаемых астрономических изображений требуются соответствующие исследования на территориях обсерваторий. Приведены результаты измерений характеристик турбулентности в Саянской солнечной обсерватории (ССО) летом 2023 г. Установлено, что причиной появления преобладающего направления возникающих на территории ССО местных ветров является температурный горно-долинный градиент между горами Саяны севернее обсерватории ССО и долиной южнее. Показано, что в ССО сохраняется меньший уровень средней интенсивности атмосферной турбулентности по сравнению с турбулентностью над ровной местностью в средних широтах. Подтверждено наличие на территории ССО когерентной турбулентности, в условиях которой улучшается качество получаемых оптическими приборами изображений. Получены новые данные для используемых в теории подобия Монина-Обухова турбулентных масштабов температуры и скорости ветра в зависимости от стратификации атмосферы. Результаты будут полезны специалистам по астроклимату и теории атмосферной турбулентности.

Исследуется влияние мелкодисперсных частиц в городской атмосфере на частоту госпитализаций граждан с заболеваниями органов дыхания. Для анализа использовались данные TOR-станции о содержании мелкодисперсных частиц в атмосфере г. Томска диаметром менее 2,5 мкм, данные из реестра вызовов скорой медицинской помощи за 2010-2022 гг. о количестве госпитализаций в Томске по причинам заболеваний органов дыхания, а также коронавирусной инфекцией (коды МКБ-10 J00-J99, U07.1, U07.2). Показано, что при отсутствии в воздухе инфекционных агентов, вызывающих повышенное количество госпитализаций по причинам болезней органов дыхания, уровень загрязнения мелкодисперсным аэрозолем в Томске, а также продолжительность загрязненных периодов практически не увеличивают количество госпитализаций. Однако при наличии инфекционных агентов в воздухе (включая SARS-CoV-2) мелкодисперсный аэрозоль способствует более быстрому их переносу. В такие эпизоды, даже в условиях достаточно чистого воздуха города, такого как Томск, сравнительно небольшие концентрации PM_2,5 (30-50 мкг/м³) способны увеличить число госпитализаций по указанным выше причинам, включая коронавирусную инфекцию, в несколько раз без учета увеличения количества госпитализаций за счет сезонной заболеваемости или эпидемии.

В задаче рассеяния света одиночной случайно ориентированной частицей пик обратного рассеяния для крупной частицы неправильной формы связан с известным пиком когерентного обратного рассеяния. Показано, что степень линейной поляризации вблизи направления рассеяния назад для одиночной частицы имеет всплеск, физической причиной появления которого является то же самое когерентное обратное рассеяние. В приближении физической оптики нами рассчитано обратное рассеяние света крупными хаотически ориентированными частицами неправильной формы. Показано, что знак всплеска поляризации для пар сопряженных пучков может быть как отрицательным, так и положительным в зависимости от формы траектории пучков света, которые вносят основной вклад в обратное рассеяние. Суммируя всплески, мы приходим к выводу, что общеизвестные явления отрицательной поляризации не обязательны для случая одиночной частицы, рассеивающей свет в окрестности направления рассеяния назад. Результаты работы будут полезны для интерпретации данных, получаемых российскими и международными лидарными сетями.

В свободной атмосфере в интервале высот 6-12 км наибольшую опасность для авиации представляет турбулентность ясного неба (ТЯН). Перемежаемость и случайная локализация ТЯН в спокойном окружающем воздушном потоке существенно ограничивают возможности ее прогнозирования. С учетом изменения климата и увеличения вероятности возникновения ТЯН создание систем дистанционного обнаружения турбулентных зон становится особенно актуальным. Приведены результаты зондирования турбулентности ультрафиолетовым лидаром УОР-5 с борта самолета-лаборатории Ту-134 «Оптик». Летный эксперимент проводился в сентябре 2022 г. в рамках программы исследования Арктики. Лидар регистрировал зоны умеренной турбулентности в нижней части тропосферы, где вероятность турбулентности максимальная; также были зафиксированы единичные случаи ТЯН на высоте 9 км. Турбулентный лидар может использоваться на практике для дистанционного обнаружения турбулентных зон на высотах, где осуществляется большинство коммерческих авиарейсов. Также показана перспектива наземного применения турбулентного лидара для решения задач авиационной безопасности при полетах в нижней тропосфере. Представлены результаты зондирования лидаром УОР-5 в зимнее время, когда было зарегистрировано повышение интенсивности турбулентности в слое 0,4-1,6 км при прохождении холодного фронта.

Термодинамическое состояние атмосферы, в том числе мезосферы, определяется ее волновой структурой. Серебристые облака являются хорошим индикатором данных волновых процессов. По фотографиям серебристых облаков в г. Якутске проанализированы некоторые характеристики распространения атмосферных волн. Впервые описан случай наблюдения так называемого мезосферного бора в серебристых облаках над Восточной Сибирью, зарегистрированного синхронно с двух однотипных фотокамер. Высота волнового фронта, определенная триангуляционным методом, составила 79 км. Изучен случай распространения нескольких волн различной длины с пересекающимися направлениями в серебристых облаках 25.07.2018 г. Анализ параметров двух волн, распространяющихся навстречу друг другу, показал, что первая имела длину в среднем 53,5 ± 6,2 км и двигалась на северо-восток со средней фазовой скоростью 98,4 ± 12 м/с. Вторая волна типа гребешков со средней длиной 14,8 ± 1,8 км распространялась на юго-запад со средней фазовой скоростью 61,5 ± 6 м/с. Скорость ветрового дрейфа всей облачности составляла 67 ± 5 м/с в западном направлении. Полученные результаты будут полезны для специалистов в области физики волновых процессов в верхней атмосфере.

Одной из важных проблем в теории атмосферного электричества является исследование влияния аэрозольных частиц на параметры токовой цепи в атмосфере, или на глобальную токовую цепь. Представлена теоретическая модель влияния аэрозольных частиц в областях хорошей погоды на глобальную электрическую цепь (ГЭЦ) в атмосфере. Аэрозоль в приземном слое атмосферы рассматривается как слагаемое, входящее в полное сопротивление столба атмосферы. При этом генераторы электрического поля, поддерживающие ГЭЦ, не учитываются, а входят через граничное условие на верхней границе ионосферы в виде задания величины потенциала ионосферы. Также представлены результаты экспериментальных наблюдений за электрическими характеристиками атмосферы и концентрацией аэрозольных частиц. Теоретические и экспериментальные исследования дают возможность оценить концентрацию аэрозольных частиц субмикронного диапазона.

Процессы разрушения (опрокидывания) планетарных волн Россби (ОВР) вносят значительную изменчивость в стратосферную циркуляцию. Используя метод идентификации ОВР, адаптированный к условиям циркуляции в стратосфере, анализируются климатология и долговременная изменчивость ОВР в средней стратосфере. В основе метода лежит анализ геометрии контуров потенциальной завихренности (PV - potential vorticity) на уровне 850 К по данным ERA5 для диапазона завихренности 0-400 PVU (единицы PV), выделенного на основании климатологии поля PV. Показано, что ОВР имеет внутрисезонные особенности. Наиболее часто волны разрушаются в северных частях Восточной Азии и Тихого океана с октября по декабрь, а также в апреле и марте; в январе и феврале не выявлено областей с преобладанием процессов ОВР. Мы получили статистически значимое увеличение количества ОВР в начале зимы (октябрь-декабрь) и в конце (март-апрель). Для середины зимы (январь-февраль) были получены незначимые отрицательные тренды. Результаты настоящей работы могут быть использованы при анализе долговременной изменчивости стратосферной циркуляции, в том числе возникновения стратосферных аномалий, предшествующих внезапным стратосферным потеплениям.

Внезапные стратосферные потепления (ВСП) значительно влияют на погоду в тропосфере и на динамику верхних слоев атмосферы. Определение ВСП и их классификация сформулированы достаточно давно, однако о ранних (в ноябре - первой половине декабря) ВСП подробная информация отсутствует. В работе исследовано влияние ранних ВСП на стратосферный полярный вихрь с использованием данных реанализа JRA-55 и MERRA2. ВСП определялись двумя способами: по среднезональным значениям температуры и зональной компоненте ветра с учетом и без климатической составляющей. Реакция полярного вихря на потепление представлена полем геопотенциальной высоты. По данным зондирования на полярных станциях разных континентов проанализирован временной ход приземных температуры и давления во время смещения и расщепления стратосферного полярного вихря при раннем ВСП.

Расширение грозопеленгационных сетей в последнее время привело к росту количества данных о грозах, которые могут использоваться для верификации прогнозов гроз и являются новым источником информации о состоянии атмосферы. Эта информация может быть учтена в численных моделях динамики атмосферы, но на данный момент применяется весьма редко. В работе предложена и реализована в виде кода в рамках модели WRF-ARWуниверсальная процедура учета данных о положении гроз. Процедура универсальна, так как не требует использования каких-либо процедур параметризации физических процессов, и благодаря этому она может быть введена в любую гидродинамическую модель. В процедуре по данным сетей грозопеленгации определяются ячейки расчетной сетки, в которых фиксировались молнии, в них итерационно добавляется влага до возникновения термодинамической неустойчивости, а значит конвекции. Исследована эффективность этой процедуры в прогнозе осадков, температуры и влажности; проведено сравнение с другими способами учета данных о грозах. Усвоение данных грозопеленгаторов позволяет локально улучшить прогноз сильных осадков и температуры в областях, где наблюдались грозы; коэффициент прогноза интенсивных осадков Пирси-Обухова при использовании предложенного метода возрастает с 0,26 до 0,40.

В связи с актуальностью исследований стабильности климата результаты измерения температуры на метеорологических станциях Северного полушария и данные астрономической инсоляции упорядочиваются по возрастанию широты и подвергаются совместному анализу для различных выборок в интервале 1897-2010 гг. Подобные исследования развиваются в связи с расширением сети метеостанций и накоплением новых данных. С помощью пошаговой регрессии широтного хода средней многолетней температуры к полиному от астрономической инсоляции выделяются детерминируемый Солнцем широтный тренд температуры и флуктуирующие остатки регрессии, в которых проявляются индивидуальные особенности данных. Отсутствие взаимодействия этих составляющих достигается численно для любых выборок. Установлено, что в Северном полушарии для имеющихся выборок широтный тренд средней многолетней температуры полностью определяет потепление и вносит ~ 82% в общую дисперсию температуры. Границы областей, где температуры выше и ниже широтного тренда средней многолетней температуры, выделяют известные географические структуры и тем самым верифицируют тренд.