Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2024 номер 11

Статья посвящена проблеме автоматизации подгонки параметров линий в спектрах высокого разрешения, зарегистрированных на современных спектрометрах. При подгонке модельного контура, в силу наличия множества локальных минимумов у минимизируемого среднеквадратичного отклонения, требуется достаточно точное начальное приближение параметров контура линии. Предлагается метод нахождения достаточно точного начального приближения параметров контура линий, основанный на использовании нейронной сети Кохонена. Проведены тесты и сравнение других алгоритмов и сетей для решения данной задачи. Описанный метод может использоваться для обработки колебательно-вращательных спектров и получения баз данных, необходимых для решения задач атмосферного зондирования, молекулярной физики и технических задач.

Описана часть графиков коллекции «Континуальное поглощение молекулы диоксида углерода» информационной системы GrafOnto, извлеченных из публикаций 1991-2000 гг. Представлены термодинамические условия, при которых проведены измерения и расчеты, указаны физические величины и их размерности, а также исследованные спектральные и температурные интервалы. Кратко описан прогресс в решении задач континуального поглощения за указанный промежуток времени. Представлено расширение функциональности системы GrafOnto, связанное с детализацией структуры коллекции информационных ресурсов, содержащей множества (кластеры) примитивных графиков, относящихся к окнам прозрачности. В кластере, в свою очередь, выделяются семейства ближайших графиков с определенными свойствами. Выделение семейств позволяет использовать в анализе не только отдельные графики, но и их наборы, состав которых определяется спектральными или температурными величинами. В свойствах (метаданных) примитивных графиков добавилось семейство ближайших графиков. Созданная система научной графики GrafOnto предназначена для специалистов, занимающихся проблемами поглощения атмосферных газов.

Получена формула, связывающая структурную характеристику флуктуаций температуры со скоростью диссипации кинетической энергии турбулентности не через коэффициент турбулентной температуропроводности, а через вертикальные градиенты средней скорости ветра и температуры и турбулентное число Прандтля. Для оценки структурной характеристики температуры по этой формуле предложена модель, основанная на обобщении известных данных о турбулентном числе Прандтля как функции градиентного числа Ричардсона. Экспериментально показано, что временные ходы структурной характеристики температуры, рассчитанной по предложенной формуле и независимо найденной из спектров флуктуаций температуры по данным измерений скорости ветра и температуры акустическими анемометрами на двух высотных уровнях, согласуются между собой. Это подтверждает правильность теоретических построений, на обобщении результатов которых основана используемая в работе модель зависимости турбулентного числа Прандтля от градиентного числа Ричардсона, и открывает возможность дистанционного определения структурной характеристики температуры из измерений скорости ветра и температуры.

Загрязнение атмосферного воздуха представляет серьезную угрозу как здоровью населения, так и окружающей среде. Исследование изотопного состава углерода атмосферного аэрозоля в городах имеет большой потенциал для определения доминирующих источников возникновения аэрозольных частиц. В настоящей работе анализируются результаты непрерывного мониторинга изотопного состава общего углерода (d¹³С) в атмосферном аэрозоле (с разрешением 3 сут), полученные в течение зимне-весеннего сезона (ноябрь 2020 г. - май 2021 г.) в Томске. Величина d¹³С изменялась в пределах от -29,4 до -24,7‰, процентное содержание углерода от 1,3 до 35%. Для 67 образцов углеродсодержащего атмосферного аэрозоля среднее значение d¹³С = -26,2 ± 0,3‰; среднее значение d¹³С аэрозоля составило -25,9 ± 0,5‰ зимой и -26,5 ± 1‰ весной. Наибольший разброс значений d¹³С зафиксирован в весенний период, что подтверждает наличие различных источников формирования углеродсодержащих частиц аэрозоля. Эти источники были выявлены благодаря совместному анализу данных Глобальной карты ветров (earth.nullschool.net), обратных траекторий движения воздушных масс (HYSPLIT), розы ветров и данных изменчивости значений d¹³С. Зимой доминирующим источником углеродсодержащего аэрозоля была городская тепловая электростанция ГРЭС-2. Результаты данного исследования помогают раскрыть особенности происхождения и процессов трансформации атмосферных аэрозолей в Томске, а также могут служить входными параметрами моделирования переноса аэрозольных частиц на региональном уровне.

Весомая роль в эволюции облачных систем и формировании радиационного баланса Земли принадлежит жидкокапельным облакам. Определение их оптико-микрофизических характеристик относится к одной из важнейших задач оптики и физики атмосферы. Настоящая работа посвящена оценке применимости искусственной нейронной сети для обработки имитационных данных пассивных спутниковых измерений отраженного солнечного излучения низкого и среднего пространственного разрешения в видимой и коротковолновой инфракрасной областях спектра с целью одновременного восстановления оптической толщины и эффективного радиуса капель горизонтально неоднородной облачности. Обучение сети осуществляется с использованием рассчитанных методом Монте-Карло значений интенсивности излучения в морской слоисто-кучевой облачности, сгенерированной с помощью фрактальной модели. Благодаря построению нелинейной аппроксимации зависимости оптико-микрофизических параметров облаков от радиационных характеристик апробируемый алгоритм позволяет учесть эффекты горизонтального переноса излучения в отличие от классических схем IPA/NIPA (Independent Pixel Approximation/Nonlocal Independent Pixel Approximation). Показано, что погрешности решения обратной задачи могут быть уменьшены за счет усвоения данных в смежных пикселях, снижения пространственного разрешения, использования значений интенсивности излучения, полученных при малых зенитных углах Солнца. Достигнутые высокие коэффициенты корреляции между тестовыми и восстановленными значениями оптической толщины облаков и эффективного радиуса капель свидетельствуют о возможности применения нейросетевого подхода для интерпретации данных спутниковых измерений.

Рассмотрены методические особенности определения коэффициентов ослабления и обратного рассеяния по одновременным лидарным измерениям на длинах волн: 532 нм (упругое рассеяние, УР); 607 нм (колебательно-вращательное комбинационное рассеяние, КР); 530 нм (чисто вращательное КР). УР-сигнал выделяет область допустимых значений (ОДЗ) коэффициентов на основе априорного введения физически обоснованного лидарного отношения. КР-сигнал на λ = 607 нм, соответствующий одной линии спектра N₂, дает правдоподобную оценку коэффициентов в пограничном слое и части средней тропосферы. КР-сигнал на λ = 530 нм - набор линий спектра N₂ и O₂ - характеризуется меньшими погрешностями и обеспечивает количественное оценивание коэффициентов во всех основных слоях тропосферы. На длине волны 530 нм дифференциальное сечение обратного рассеяния зависит от высоты вследствие изменения температуры, что ведет к перераспределению интенсивности линий N₂ и O₂. Оценивание параметров по КР-сигналам считается правдоподобным, когда искомые коэффициенты количественно сопоставимы и расположены внутри их ОДЗ. Тестирование алгоритмов проводится по данным наземного зондирования на берегу Байкала в августе 2023 г.

Наблюдающиеся над территорией Сибири аномалии атмосферной температуры, связанные с внезапными стратосферными потеплениями (ВСП), требуют детального изучения. В Сибири мало инструментов, которые способны предоставить необходимую информацию о вертикальном распределении температуры атмосферы. Уникальное оборудование Сибирской лидарной станции (СЛС) Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН, разработанное для регулярных лидарных измерений атмосферных параметров, позволяет получить необходимые данные о вертикальной стратификации температуры атмосферы во время ВСП. Для определения характеристик температурных аномалий атмосферы в период ВСП зимой 2023 г. над Томском были проведены сравнения значений температуры атмосферы в отдельные ночи, полученных с помощью лидара СЛС, модели Whole Atmosphere Community Climate Model (WACCM), среднеширотной зимней стандартной модели и реанализа ERA5 (ECMWF - European Centre for Medium-Range Weather Forecasts) Reanalysis v5). Впервые показана возможность использования вертикальных профилей температуры атмосферы, полученных методом СКР, для изучения ВСП и, в том числе анализа изменения вертикальной структуры атмосферы в период ВСП.

На сегодняшний день вопрос связи концентрации диоксида серы (SO₂) с мелкомасштабной турбулентностью в пределах Южного Байкала почти не изучен. В настоящей работе приводятся результаты исследования струйных течений и атмосферной турбулентности, влияющих на приземное содержание SO₂ над ст. «Листвянка». Рассматриваются случаи, когда приземная концентрация SO₂ имеет тенденцию к увеличению при отрицательных вертикальных турбулентных удельных потоках тепла. Это происходит на фоне формирования струйных течений в пределах нижнего слоя атмосферы и больших вертикальных сдвигов скорости ветра ниже высоты формирования струи. Вертикальный турбулентный удельный поток тепла в приземном слое атмосферы может служить ключевым индикатором, определяющим возможность положительной связи между приземной концентрацией SO₂ и полной кинетической энергией турбулентности. В результате анализа выявлено, что концентрация SO₂ имеет тенденцию к увеличению при отрицательных вертикальных турбулентных потоках температуры на фоне развития струйных течений низкого уровня. В аналогичных ситуациях, но при положительных или близких к нулю значениях потоков температуры концентрации SO₂, как правило, остаются на уровне фоновых значений. Полученные результаты могут быть использованы для уточнения влияния атмосферных струйных течений, формируемых вблизи земной поверхности, и турбулентности на содержание примесей в приземном слое атмосферы, а также при разработке прогностических моделей.

Исследуется влияние дальних переносов континентального аэрозоля на загрязнение арктической атмосферы. На основе многолетних измерений характеристик аэрозоля в атмосфере Евразийского сектора Северного Ледовитого океана (СЛО) оценивается периодичность их синоптических вариаций. В периодограммах концентраций субмикронного аэрозоля и черного углерода ( V_f и еВС) проявились статистически значимые максимумы амплитудных функций в диапазоне от 3,5 до 18 сут. Более детально рассмотрены случаи аномально высоких концентраций еВС и V_f (5% данных), связанных с дальними переносами континентальных загрязнений. Показано, что средняя продолжительность «аномалий» еВС и V_f равна 1 сут, а максимальная - 112 ч. Временные интервалы между «аномалиями» составляют в среднем 6-16 сут, а максимальные - от 28 до 69 сут. Несмотря на малую продолжительность и редкость аномальных ситуаций, они увеличивают средние концентрации аэрозоля и еВС на 28-77%. Расчеты показали, что основной (79%) вклад в загрязнение атмосферы Карского и Баренцева морей принадлежит выносам антропогенных эмиссий, а в Восточном секторе СЛО - дымам лесных пожаров. Влияние продуктов сжигания попутного газа на предприятиях газонефтедобычи больше всего (до 51%) проявилось в атмосфере над научно-исследовательским стационаром «Ледовая база „Мыс Баранова“». Полученные результаты позволяют количественно оценить вклад различных типов аэрозольных загрязнений в природную среду Арктики.

Настоящая работа посвящена исследованию влияния суточной динамики турбулентных процессов в приземном слое атмосферы на суточную динамику напряженности электрического поля в этом слое. Согласно существующей практике моделирования электродного приземного слоя атмосферы при наличии турбулентных процессов коэффициент турбулентной диффузии в пределах электродного слоя является функцией высоты и имеет стационарный характер; задается такая зависимость исходя из гидродинамических представлений. Предложена математическая модель динамики напряженности электрического поля в приземном слое атмосферы в случае турбулентного электродного эффекта. Основным уравнением модели служит уравнение полного тока в приземном слое, полученное в приближении сильного турбулентного перемешивания и описывающее электродинамику этого слоя как результат действия совокупности локального и глобального токовых генераторов. Рассматривается нестационарный характер турбулентного обмена с целью подтверждения ранее выявленных авторами эффектов в суточной динамике напряженности электрического поля приземного слоя в условиях стационарной турбулентности. Для описания суточной динамики турбулентных процессов использованы данные градиентных измерений в высокогорных условиях Приэльбрусья. Получена зависимость коэффициента турбулентной диффузии от времени, с учетом которой в результате решения уравнения полного тока найдено уточненное выражение для суточной динамики напряженности поля. Установлено появление сдвига по времени суточных экстремумов, изменение их амплитуды и возникновение дополнительных экстремумов, зависящих от значений электрического поля. Все перечисленные эффекты сопоставимы с глобальной унитарной вариацией и увеличиваются с усилением напряженности электрического поля. Результаты исследований могут быть полезны для решения ряда прикладных задач геофизики, в частности мониторинга электрического поля атмосферы и анализа данных атмосферно-электрических измерений.

В технологии подготовки химического сырья или топлива из попутного нефтяного газа предусмотрено сжигание попутного газа в факелах низкого давления, при этом в атмосферу выбрасываются сажа (C), диоксид азота (N), оксид углерода (CO₂) и метан (CH₄). Для оценки состояния атмосферы в районе нефтегазодобычи предложен комплексный подход к моделированию полей рассеивания загрязняющих веществ в приземном слое воздуха от факельных установок на территории Мамонтовского месторождения Нефтеюганского района ХМАО. Этот подход включает моделирование концентраций С, NO₂, CO₂ и CH₄ с использованием программы «УПРЗА Эко-Центр» и наземных (определение содержания органических соединений в почвах) и спутниковых данных (AIRS) о концентрации парниковых газов. Данный подход позволяет проводить комплексные мониторинговые исследования состояния окружающей природной среды удаленных северных нефтегазодобывающих территорий на основе спутниковых и наземных данных.

В последние годы бурно развиваются лазерные источники, создаваемые в воздушной лазерной плазме мощными фемтосекундными импульсами излучения. В настоящей работе представлены результаты исследования генерации когерентного излучения на ионах молекулярного азота в лазерной плазме при использовании двухцветной накачки на длинах волн 950 и 475 нм. Показано, что добавление излучения второй гармоники, длина волны которой расположена ближе к линиям генерации на N₂⁺ по сравнению с первой гармоникой, повышает интенсивность и стабильность излучения суперконтинуума, выступающего в качестве затравочного излучения для генерации. Такая накачка позволяет получать генерацию на новых линиях и управлять интенсивностью и спектральным составом генерации. Результаты исследования могут быть полезны для установления механизма(-ов) создания инверсии населенности в лазерной плазме на ионах молекулярного азота.

Рассмотрено влияние вертикальных и горизонтальных турбулентных потоков тепла на величину дисперсии температуры воздуха в условиях температурных инверсий различной интенсивности. Показано, что неучет горизонтальных турбулентных потоков тепла в этих условиях может быть причиной существенной недооценки высоты слоя перемешивания существующими моделями.

С 1 по 5 июля 2024 г. в г. Санкт-Петербурге прошел XXX Юбилейный Международный симпозиум «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы». Его программа включала 320 научных докладов высокого уровня по приоритетным направлениям развития науки, технологий и техники Российской Федерации, из них 4 пленарных, 2 приглашенных, 81 устный, 81 стендовый и 152 заочных стендовых доклада. Проведение такого мероприятия на базе одного из научных центров РАН обеспечивает весомое представительство российских научных школ в мировом научном сообществе.