Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2024 номер 8

Предложена аналитическая модель δ(sur) для расчета коэффициентов сдвига δ центров линий молекулы водяного пара давлением азота и кислорода в видимом диапазоне. Она зависит от подгоночных параметров и линейно зависит от коэффициента уширения линии. Модель δ(sur) восстанавливает 496 коэффициентов δ для линий из диапазона 13550-22590 см^-1 со среднеквадратичным отклонением 6,0 × 10^-3 см^-1/атм в случае сдвигов центров линий давлением азота и 265 коэффициентов δ для линий из диапазона 13550-14000 см^-1 со среднеквадратичным отклонением 2,5 × 10^-3 см^-1/атм в случае сдвигов центров линий давлением кислорода. Модель может использоваться для расчетов коэффициентов уширения и сдвига центров линий поглощения молекулы Н₂О давлением азота, кислорода и воздуха в видимом диапазоне.

Метан относится к важным парниковым газам, концентрация которых увеличивается в последние десятилетия, что приводит росту температуры поверхности Земли. Для мониторинга содержания метана в атмосфере необходимы точные знания спектра поглощения молекулы СН₄. В настоящей работе в спектральной области 4345-4360 см^-1 представлены параметры линий поглощения метана, уширенных давлением атмосферного воздуха. Данные получены из спектров, зарегистрированных на Фурье-спектрометре Bruker IFS 125HR при комнатной температуре со спектральным разрешением 0,005-0,01 см^-1 для пяти значений давления буферного газа. Проведено моделирование атмосферного пропускания с использованием наших результатов и параметров линий, представленных в спектроскопических базах данных HITRAN и GEISA. Сравнение с измеренными атмосферными солнечными спектрами показало, что определенные в настоящей работе параметры линий поглощения СН₄ дают лучший результат по среднеквадратичному отклонению. Полученные данные могут быть использованы для мониторинга содержания метана в атмосфере Земли.

Исследуется влияние отклонений от модели Колмогорова-Обухова в спектрах флуктуаций показателя преломления в сверхзвуковом воздушном потоке на просвечивающее оптическое излучение. Представлены аналитические оценки статистических моментов поля и результаты численного моделирования распространения лазерного излучения через скоростной воздушный поток, формирующийся при обтекании летательного аппарата. Проводится сопоставление оценок радиуса когерентности и относительной дисперсии флуктуаций интенсивности оптической волны. Продемонстрировано, что учет отклонений от модели развитой турбулентности может приводить к существенным (в несколько раз) изменениям характеристик лазерного пучка на удалении уже в несколько сотен метров. Полученные результаты могут быть использованы для определения искажений излучения, обусловленных влиянием турбулентности в оптически активном слое вблизи поверхности сверхзвукового летательного аппарата, на локационных и связных трассах.

Приводятся результаты экспериментальных исследований по изучению механизмов трансформации спектра фемтосекундного лазерного импульса, возникающего при его распространении в атмосфере и в чистом молекулярном азоте в режиме филаментации. При этом спектральное уширение излучения накачки является результатом совместного действия стоксового вынужденного комбинационного рассеяния на вращательных переходах молекул азота воздуха, когерентного антистоксова рассеяния света и параметрического четырехволнового смешения. Уширение происходит в широком диапазоне: от 350 до 1100 нм. Исследование таких процессов в перспективе позволит создавать высокоэффективные источники белого света для атмосферной спектроскопии и дистанционного зондирования.

Санкт-Петербург - второй по численности населения город Российской Федерации и четвертый в Европе. Согласно официальной статистике в городе постоянно проживают ~ 5,6 млн человек. С целью получения экспериментальных оценок выбросов парниковых газов с территории Санкт-Петербургской агломерации был разработан оригинальный комплексный подход, реализованный в рамках измерительных кампаний EMME (Emission Monitoring Mobile Experiment) 2019 и 2020 гг. Проведено обобщение результатов мобильных экспериментов 2019 и 2020 гг. Показано, что период «март - начало мая», выбранный для проведения кампаний ЕММЕ, является оптимальным для оценок выбросов СО₂. Средние значения антропогенных добавок, обусловленных выбросами с территории Санкт-Петербурга, для средних концентраций CO₂ и CH₄ в толще атмосферы составили ~ 1,07 ppmv и ~ 6,61 ppbv соответственно. Экспериментальные оценки удельных потоков парниковых газов на территории Санкт-Петербургской агломерации - 72 кт × км^-2 × год^-1 СО₂ и 198 т × км^-2 × год^-1 СН₄ по результатам шестидневной кампании 2020 г.; 80 кт × км^-2 × год^-1 CO₂ и 161 т × км^-2 × год^-1 CH₄ для 15 дней кампаний 2019 и 2020 гг. Эмиссионные соотношения СH₄/CO₂ и CO/CO₂ для Санкт-Петербурга в марте - начале мая 2020 г. составили в среднем 6,4 и 5,7 ppbv/ppmv соответственно. Карантинные ограничения (COVID-19) повлияли на структуру выбросов Санкт-Петербурга: резкое снижение транспортной активности привело к значительному уменьшению выбросов СО от автотранспорта.

При лазерном дистанционном зондировании кристаллических облаков возникает проблема учета многократного рассеяния излучения, влияющего на достоверность интерпретации результатов измерений. Представлены оценки вклада многократного рассеяния излучения в эхосигнал космического лидара. Решение нестационарной задачи распространения лазерного излучения в сплошной перистой облачности с разделением по кратностям взаимодействия получено методом Монте-Карло при разных значениях оптико-микроструктурных характеристик облаков (оптическая толщина, форма и размер ледяных частиц) и параметров лидара (удаленность от объекта зондирования, расходимость излучения, угол поля зрения приемника). Численные эксперименты проведены с учетом допустимого диапазона значений параметров эксплуатируемых либо перспективных космических лидарных систем. Обсуждаются особенности формирования обратного сигнала при вводе в модель атмосферы аэрозольных и рэлеевских частиц, а также нижележащего облачного слоя. Результаты моделирования свидетельствуют о высокой чувствительности части эхосигнала, обусловленной многократно рассеянным излучением, к варьируемым параметрам, что необходимо учитывать при постановке и решении обратных задач.

Исследования поля общего содержания озона (ОСО) - одна из важных проблем атмосферной оптики. В работе на основе данных прибора Ozone Monitoring Instrument (OMI), установленного на борту космической платформы Aura, анализируется пространственно распределение ОСО над территорией России. Результаты наблюдений для отдельных областей (пунктов) представлены в виде временных рядов ОСО, которые охватывают период наблюдений с января 2005 г. по декабрь 2022 г. Выявлены интегральные (без учета сезонных вариаций) широтно-долготные особенности распределения ОСО на исследуемой территории; вычислены коэффициенты корреляции между рядами для разных пунктов; исследована их взаимосвязь в зависимости от расстояния между пунктами; сформирована пространственная автокорреляционная функция и оценены размеры пространственных неоднородностей поля ОСО. Проанализировано пространственное рассогласование данных с помощью параметра, представляющего собой меру стандартного отклонения от среднего рассогласования. Результаты работы дают представление о масштабах пространственной взаимосвязи поля ОСО и могут быть использованы для уточнения оптически активной компоненты атмосферы (ОСО) при разработке прогностических моделей погоды и изменения климата.

Электрическое поле атмосферы наряду с электропроводностью и ионизацией воздуха является основной характеристикой атмосферного электричества - совокупности электрических явлений, происходящих в атмосфере, в том числе в облаках и осадках. Существует тесная связь между напряженностью (или градиентом потенциала) электрического поля атмосферы и рельефом, ландшафтом местности, метеорологическими величинами. Возмущение нормального электрического поля, характерного для условий «хорошей погоды», происходит при образовании и развитии облачности, выпадении осадков, грозовой деятельности и др. Изменчивость электрического поля обусловлена целым рядом отдельных или совокупностью как глобальных, так и региональных (локальных) факторов. Поэтому изучение и понимание функционирования глобальной электрической цепи и ее локальной изменчивости представляется актуальной научной проблемой, особенно в условиях современных климатических изменений. В работе представлены результаты анализа изменчивости градиента потенциала электрического поля и метеорологических величин на основе данных многолетних наблюдений на территории крупного городского населенного пункта (г. Томска). Они показывают, что в условиях «хорошей погоды» наблюдается ярко выраженная, особенно в зимнее время, зависимость градиента потенциала от направления ветра, связанная, как мы полагаем, с переносом аэрозоля. Также установлено, что изменчивость приземного электрического поля, включая сезонные и суточные вариации, в совокупности всех метеорологических условий значительно отличается от таковой в условиях исключительно «хорошей погоды». Полученные результаты хорошо согласуются с подобными исследованиями в других точках наблюдений, расположенных вблизи крупных населенных пунктов, и представляют интерес для моделирования состояния и изменчивости глобальной электрической цепи в зависимости от различных физико-географических и метеорологических условий.

Озон в тропосфере в высоких концентрациях является сильнодействующим ядом и мощным окислителем, крайне негативно воздействующим на биологические объекты и объекты окружающей среды. Поэтому весьма актуально исследование динамики его концентрации во всех регионах планеты. По данным мониторинга рассматривается распределение тропосферного озона на территории России в 2023 г. в приземном слое воздуха, а также его вертикальное распределение по результатам самолетного зондирования. Показано, что во всех пунктах измерений превышались предельно допустимые среднесуточные концентрации, установленные отечественным гигиеническим нормативом: максимальные разовые, среднесуточные и среднегодовые. В связи со сложившейся ситуацией необходимы широкое информирование населения о результатах мониторинга и разработка природоохранных мероприятий по снижению уровня концентрации озона и его прекурсоров в приземном слое воздуха. Результаты работы могут быть полезны специалистам в области физики атмосферы, климатологии, охраны окружающей среды, а также административным органам разных уровней.

Проблема расширения функциональных возможностей лазеров в целом, и на парах металлов в частности, остается актуальной. Ее решение связано как с исследованием кинетики процессов в лазерных средах, так и с разработкой новых систем возбуждения. Представлены результаты создания и применения системы возбуждения активных сред на парах металлов, которая состоит из трех источников накачки, системы синхронизации и программного обеспечения. Высоковольтные импульсы формируются тремя независимыми инверторами, коммутация осуществляется с помощью тиратронов. Рассмотрены основные возможности системы и перспективы ее использования для реализации нетипичных режимов генерации. Экспериментально удалось установить, что в смеси CuBr + Ne + HBr генерация сохраняется при временах релаксации порядка 5000 мкс.

Техника лазерных опорных звезд (ЛОЗ) является неотъемлемой частью современных адаптивных оптических систем наземных телескопов. Требования к энергетическим, спектральным и пространственно-временным характеристикам лазерного излучателя для создания натриевых ЛОЗ, как и к адаптивной оптической системе в целом, во многом связаны с атмосферными параметрами места расположения телескопа. Одним из аспектов оптимизации яркости натриевой ЛОЗ является выбор ширины линии лазерного излучения. На основе численного моделирования взаимодействия поляризованного лазерного излучения с круговой поляризацией с мезосферными атомами натрия в условиях среднеширотной атмосферы РФ оценено влияние ширины спектральной линии (от 10 МГц до 3,5 ГГц) лазерного излучения на величину обратного потока фотонов от натриевой лазерной опорной звезды. Эти исследования необходимы для определения требований к параметрам излучателя при создании ЛОЗ. Показано, что использование широкоплосных лазерных источников приводит к уменьшению числа фотонов от ЛОЗ. Эти результаты могут быть использованы при разработке адаптивных оптических систем, работающих по сигналу лазерной опорной звезды.

Представлены результаты исследования влияния морфологии и состава тонких пленок, образующих структуру диэлектрических зеркал оптических резонаторов когерентных источников для лидаров, на порог оптического пробоя. В программном обеспечении Optilayer проведено моделирование диэлектрических зеркал с использованием двух пар материалов TiO₂/SiO₂ и ZnS/YbF₃. С помощью электронной и атомно-силовой микроскопии определены их морфологические особенности. Методом ионно-лучевого распыления нанесена рассчитанная структура интерференционного покрытия на подложку из кварца марки КИ. Определен порог лазерно-индуцированного пробоя диэлектрических зеркал излучением Nd:YAG-лазера на длине волны 1064 нм, который составил 4 Дж/см² для зеркала TiO₂/SiO₂ и 3,2 Дж/см² для зеркала ZnS/YbF₃. Результаты работы могут быть полезны при изготовлении диэлектрических зеркал с высоким порогом оптической прочности для лидарных систем и комплексов, как в источниках, так и в приемных системах.