Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2024 номер 7

Впервые с помощью Фурье-спектрометра Bruker IFS-125M с разрешением 0,0056 см^-1 зарегистрирован спектр молекулы ¹⁴N¹⁷O в области 5200-5550 см^-1. Анализ спектра позволил обнаружить 83 колебательно-вращательные линии полосы 3-0 для основных переходов в электронном состоянии Х ²P молекулы ¹⁴N¹⁷O. Для 29 Λ-дублетов определены положения и относительные интенсивности каждой из компонент. Найдены параметры Λ-удвоения. Для оставшихся неразрешенных 25 дублетов также определены положения и относительные интенсивности центра дублета. Максимальное значение вращательного квантового числа J равно 24,5. Найденные экспериментальные положения линий в полосе 3-0 подтвердили корректность рассчитанных положений линий, приведенных в базе данных ExoMol. Проведена обработка частот зарегистрированных переходов, взвешенных в соответствии с экспериментальными погрешностями, и определены спектроскопические постоянные для колебательного состояния v = 3. С найденными постоянными выполнены предсказательные расчеты волновых чисел вращательных уровней колебательного состояния v = 3 до J = 30,5 и частот переходов в колебательной полосе 3-0 для электронных состояний ²Π_1/2 и ²Π_3/2. Расчеты показали согласие с данными, приведенными в базе данных ExoMol, в пределах указанной погрешности.

Точные измерения концентрации закиси азота, мощного парникового газа, в атмосфере Земли важны для моделирования радиационного баланса нашей планеты. Представлены измеренные коэффициенты уширения и сдвига линий N₂O давлением воздуха при комнатной температуре для 82 колебательно-вращательных переходов в полосе (00⁰2) ← (00⁰0), вращательное квантовое число m меняется от 3 до 54. Измерения проведены на Фурье-спектрометре IFS-125M со спектральным разрешением 0,0056 см^-1. Вычисленные коэффициенты уширения и сдвига линий получены полуклассическим методом, модифицированным включением в расчетную схему корректирующего фактора. Определенные нами параметры сравнивались с представленными в литературе и в современных базах спектроскопических данных. Выявлена колебательная зависимость полуширин линий для валентного колебания ν₃.

Для пяти изотопологов молекулы SO₂: ³²S¹⁶O₂, ³⁴S¹⁶O₂, ³³S¹⁶O₂, ³²S¹⁸O₂, ³²S¹⁶O¹⁸O, получены параметры эффективного колебательного гамильтониана из подгонки к имеющимся экспериментальным данным, а также с использованием основных соотношений теории изотопозамещения. Экспериментальные колебательные уровни энергии восстанавливаются с полученными параметрами с точностью не хуже 0,025 см^-1 для симметричных изотопологов. Проведено сравнение найденных колебательных уровней энергии с данными вариационного расчета, при этом исправлены квантовые числа для 93 колебательных состояний. Полученные данные могут быть полезны при идентификации и моделировании инфракрасных спектров, образованных переходами на высоковозбужденные колебательные состояния изотопологов диоксида серы, а также при анализе «горячих» спектров.

Для оперативного определения типа атмосферной турбулентности (колмогоровской, когерентной и др.) разработана новая методика на основе алгоритма спектрального анализа последовательных перекрывающихся выборок из постоянно пополняемой совокупности данных метеоизмерений. Выборки формируются методом скользящего временного окна. Критерием смены типов турбулентности выступает величина наклона инерционного интервала спектра флуктуаций температуры вблизи максимума, равная «-5/3» в колмогоровской турбулентности и «-8/3» в когерентной. Наклон вычисляется из уравнения линейной регрессии на начальном участке спектра, протяженность которого устанавливается по уровню уменьшения на один порядок от максимума. Показано, что такие наклоны спектров для зарегистрированных метеоситуаций в городских условиях распределены логнормально. Обнаружено, что доля неколмогоровской турбулентности в более чем пяти миллионах рассчитанных спектров значительно больше ожидаемой и составляет 75-97% в зависимости от строгости оценки. Последовательности спектров с одинаковым наклоном соответствуют областям турбулентности одного типа. Границы областей определяются с точностью шага сдвига скользящего окна. Размеры областей оцениваются на основании информации о скорости ветра и продолжительности регистрации. Показано, что протяженность областей может значительно превышать размеры области для обычной единичной выборки при сравнимых условиях. Для ускорения постобработки больших массивов в алгоритме использован программный интерфейс передачи сообщений MPI для вычислительного кластера с произвольным числом узлов. Областью применения методики в астрономической практике является оценка и регистрация вдоль оптической трассы размеров пространственных областей «сильной» и «слабой» турбулентности, в которых интенсивность турбулентности находится в фиксированных интервалах, а также размеров областей с фиксированной температурной стратификацией.

Представлены результаты апробации метода восстановления недостающих данных по спутниковым изображениям на основе результатов трехмерного гидродинамического моделирования. Метод протестирован на четырех основных биооптических параметрах: концентрация хлорофилла-а и феопигментов (TChl), показатель поглощения света пигментами фитопланктона ( a _ph(678)) и неживым органическим веществом ( a _CDM(438)), показатель обратного рассеяния света ( b _bp(438)). Результаты, полученные на основе объединенного продукта, сравнивались с наблюдениями in situ , выполненными в апреле-мае 2019 г. на НИС «Профессор Водяницкий». Отклонение TChl по данным MODIS и моделирования относительно наблюдений in situ составило 1,8 и 2,2 мг × м^-3 соответственно. Анализ среднесуточных значений биооптических параметров, полученных при регулярном усвоении данных MODIS в гидродинамическую модель, позволил отследить их сезонные изменения в центральной части бассейна Азовского моря. Среди исследуемых биооптических параметров выделяется четкая сезонная изменчивость TChl при среднегодовом значении 2,98 ± 1,22 мг × м^-3. Изменения a _CDM(438) и b _bp(438) характеризуются двумя периодами наибольших значений: весенним (с марта по май) и осенним (с августа по октябрь), с соответствующими среднегодовыми 0,42 ± 0,15 и 0,10 ± 0,03 м^-1. Максимумы изменений a _ph(678) отмечаются с июля по октябрь при среднегодовом 0,04 ± 0,03 м^-1. Предложенный метод использует преимущества данных дистанционного зондирования, расширяющих возможности оперативного океанологического мониторинга, и моделирования, позволяющих заполнить информационные пропуски. Полученные результаты обеспечивают полные непрерывные наборы данных о распределении основных биооптических показателей, имеющие решающее значение при прогнозировании экологического состояния морских бассейнов.

Сопоставление данных спутниковых измерений с результатами измерений с помощью других средств - важнейшая и необходимая составляющая валидации спутниковых данных. В настоящей работе сопоставлены результаты спектрометрических измерений содержания NO₂ в атмосфере с помощью спутникового прибора OMI (Ozone Monitoring Instrument) в 2004-2020 гг. с данными наземных сумеречных зенитных измерений на 14 станциях сети по обнаружению изменений состава атмосферы (Network for the Detection of Atmospheric Composition Change - NDACC). Получены широтные распределения содержания NO₂ и характеристик сопоставления: разности содержаний, коэффициентов корреляции и линейной регрессии между спутниковыми и наземными данными. Предложены критерии поверки межгодовых и долговременных изменений содержания NO₂ по данным OMI на основе результатов наземных измерений. Выявлены широтные - полушарные и региональные - особенности соответствия между спутниковыми и наземными данными. Получена существенно новая информация о зависимости характеристик сопоставления от уровня загрязнения нижней тропосферы окислами азота, а также временного масштаба вариаций NO₂: межсуточного, сезонного и межгодового. Результаты будут полезны при анализе изменчивости NO₂ по данным OMI.

Представлены результаты анализа изменчивости содержания оксида углерода (СО) в атмосфере над нефтезагрязненной территорией в ХМАО по данным спутникового зондирования (Terra/MOPITT). Изучена суточная и сезонная динамика интегрального содержания и приземной концентрации CO. Среднее содержание СО (интегральное и приземное) в нефтезагрязненном районе превышает аналогичные значения в фоновом районе как в целом для теплого периода года, так и для большинства месяцев. Результаты исследования указывают на достаточную чувствительность прибора MOPPIT для определения концентрации оксида углерода в условиях антропогенной деятельности.

Согласно отчету по изменениям климата IPCC-2021 концентрация углекислого газа и метана в атмосфере за последние 50 лет выросла примерно на четверть. Проведены расчеты радиационного возмущающего воздействия (далее - радиационный форсинг) СО₂ и СН₄ за счет роста их концентрации для умеренных широт. Вертикальные профили температуры и влажности были взяты согласно данным аэрологического и спутникового зондирования атмосферы. Статистическими методами исследовано влияние перекрывания полос поглощения Н₂О с полосами CО₂ и CH₄ на результаты расчета радиационного форсинга этих газов в тропосфере и стратосфере умеренных широт при различном содержании водяного пара. Показано, что радиационный форсинг CO₂ в тропосфере с ростом влагосодержания возрастает по абсолютной величине, тогда как радиационный форсинг СН₄ не зависит от общего влагосодержания в вертикальном столбе атмосферы. Полученные результаты могут представлять интерес для специалистов, изучающих процессы динамики паров воды в атмосфере и их взаимосвязи с ростом концентрации парниковых газов.

Представлены результаты дистанционного зондирования дымового шлейфа над модельным очагом природного пожара с использованием специализированного лидара, принцип работы которого основан на эффекте увеличения обратного рассеяния, регистрирующего оптическую турбулентность. Расстояние до очага горения составляло 1600 м, площадь модельного пожара варьировалась: 1, 9 и 25 м². Установлено, что во время горения лидар фиксировал повышение эхосигнала в основном приемном канале, регистрирующем аэрозольное рассеяние и турбулентную компоненту, относительно эхосигнала в дополнительном приемном канале, регистрирующем только аэрозоль. Ширина дымового шлейфа не превышала 20 м, повышение основного эхосигнала наблюдалось сразу за шлейфом в интервале расстояний от 0 до 600 м. В данном эксперименте шлейф теплого дыма действовал как фазовый экран, который изменял когерентную структуру лазерного пучка. После завершения интенсивного горения температура внутри шлейфа быстро понижалась и лидар фиксировал только содержание аэрозоля. Появление аэрозольной и турбулентной составляющей в эхосигнале, отражающих повышение концентрации аэрозоля и интенсивности турбулентности, однозначно указывает на очаг горения. Проведено сравнение лидарной оценки значений структурной характеристики показателя преломления C_n² на высоте 10 м над очагом горения с данными ультразвуковой метеостанции АМК-03 на высоте 3 м и результатами моделирования низового природного пожара, опубликованными ранее. Применение турбулентного лидара является перспективным способом обнаружения малых очагов горения, в том числе бездымного или с низким выбросом конденсированных продуктов горения.

Метод лазерной фрагментации/лазерно-индуцированной флуоресценции (ЛФ/ЛИФ) хорошо известен своей эффективностью для обнаружения сложных химических соединений по сигналам флуоресценции их характеристических фрагментов. Этот метод применяют, например, для измерения локального содержания азотистой кислоты и гидроксильных радикалов в атмосфере, визуализации промежуточных стадий процессов горения, дистанционного обнаружения веществ в газообразном состоянии в атмосфере и конденсированном состоянии на поверхностях и др. Впервые представлены результаты экспериментального исследования возможности дистанционного возбуждения ЛИФ характеристических фотофрагментов вещества в аэрозольном состоянии в атмосфере. Исследуемое вещество - фосфорорганическое соединение триэтилфосфат (ТЭФ). Показано, что синхронизированное двухимпульсное лазерное воздействие на аэрозольные частицы ТЭФ и их PO-фрагменты (молекулы оксида фосфора) позволяет примерно в семь раз повысить эффективность ЛФ/ЛИФ по сравнению с одноимпульсным лазерным воздействием. Установлено, что образование PO-фрагментов ТЭФ в аэрозольном состоянии под действием лазерного излучения с длиной волны 266 нм имеет спадающий экспоненциальный характер с постоянной времени 192,6 ± 20,2 нс. По характеру временной зависимости образования фотофрагментов полученные результаты принципиально отличаются от подобных измерений для других соединений в газообразном и конденсированном состояниях.

Для мониторинга объектов техногенного происхождения рассмотрены вопросы уменьшения погрешности наведения оптико-электронной системы (ОЭС) обзора космического пространства на объект. Эта погрешность возникает вследствие воздействия механических факторов на конструкцию опорно-поворотного устройства. Для уменьшения этих погрешностей применяются калибровка оптических датчиков ОЭС по звездам, математические методы обработки измерений, повышающие их точность, или интерполяционные методы для определения промежуточных значений между измеренными калибровочными точками. С помощью сплайн-аппроксимации найдены поправки к показаниям оптических датчиков азимутальной и угломестной оси. Полученные результаты могут использоваться в комплексах ОЭС, следящих за космическими объектами, и позволят повысить точность их наведения.

Вулкан Эребус является самым южным действующим вулканом на Земле, в состав выбросов которого входят соединения, играющие существенную роль в каталитических циклах разрушения стратосферного озона. Высокие циклоны способствуют подъему газовых выбросов вулкана Эребус (включая HСl и SO₂) из тропосферы в высотный диапазон формирования озоновой дыры от 14 до 22 км. Рассмотрено интегральное содержание HCl и ClONO₂ за 1992-2023 гг. над разными станциями, а также проведен анализ изменчивости частоты появления высоких циклонов над вулканом Эребус за 1980-2022 гг. по данным реанализа ERA5. Выявлено, что максимальная частота появления высоких циклонов над вулканом Эребус, как правило, наблюдается в июле. Анализ интегрального содержания HCl на разных станциях показал, что значения над Антарктикой значительно превышают таковые над Арктикой, а также почти в два раза выше, чем на станциях, расположенных в средних широтах. Показан предполагаемый эффект накопления HCl в стратосфере: коэффициент корреляции между пятилетними средними значениями частоты появления высоких циклонов и площади озоновой дыры с временным сдвигом ряда на четыре года вперед относительно ряда частоты появления высоких циклонов, рассчитанный с 1980 по 2022 г., составил 0,78. Полученные результаты могут быть использованы для более точного прогнозирования и моделирования изменений в атмосфере, связанных с деятельностью вулканов.