Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2025 номер 5

Количественный анализ спектров поглощения газовых смесей затруднен из-за влияния шума. Для стандартных фильтров осуществляются выбор параметров газовых смесей во всем анализируемом спектральном диапазоне; параметры, оптимальные для сильных линий поглощения, не являются оптимальными для слабых линий, и наоборот. Нами предложен и на примере фильтра Савицкого-Голея реализован подход к созданию адаптивного фильтра, объединяющий оконную версию стандартного фильтра с методом независимых компонент для подавления шумов в экспериментальных спектрах. Численно смоделирована фильтрация модельных спектров поглощения приземной атмосферы, соответствующих лету средних широт, в диапазоне 100-1000 ГГц с использованием адаптивного варианта фильтра. Сравнивалась эффективность адаптивного и стандартного фильтров Савицкого-Голея с использованием количественного критерия близости двух спектральных кривых. Экспериментально оценена эффективность предложенного варианта фильтра: а) для комнатного воздуха с содержанием водяного пара 10000 ppm и б) смеси SO₂ с концентрацией 200 ppm с азотом. Измерены спектры поглощения этих образцов в области 500-700 ГГц, вычислена их сумма и оценена концентрация SO₂ методом разрешения многомерных кривых. Показано, что относительная погрешность восстановления концентрации SO₂ после подавления шума с помощью адаптивного фильтра Савицкого-Голея была в 3,7 раза меньше по сравнению с использованием стандартного фильтра. Предложенный вариант адаптивного фильтра Савицкого-Голея позволяет повысить эффективность подавления шумов в экспериментальных спектральных данных.

Представлены результаты расчета десяти нижних колебательных уровней энергии 24 стабильных изотопологов диоксида серы. Вычисления проведены на основе ab initio функции потенциальной энергии основного изотополога ³²S¹⁶O₂, теории возмущений Рэлея-Шредингера высоких порядков и суммирования рядов методом Паде-Эрмита. Проведен численный анализ рядов теории возмущений, который показал, что они монотонно сходятся, но для получения энергетических уровней некоторых колебательных состояний с погрешностью менее 1 см^-1 необходимо учитывать поправки 3-6-го порядков. Квадратичные аппроксиманты Паде-Эрмита дают уровни энергии, совпадающие с высокой точностью с результатами численной диагонализации матрицы гамильтониана. Предложена поправка для вычисления изотопических сдвигов, дающая среднеквадратичное совпадение с экспериментальными и расчетными данными других авторов 1,1 см^-1. Результаты расчетов можно использовать для решения различных задач атмосферной спектроскопии, астрофизики, геохимии и других областей науки, связанных с анализом спектров изотопозамещенных молекул.

Атмосферная турбулентность относится к числу наиболее значимых факторов, влияющих на распространение волн различной природы и работу приборов на основе их использования. Представлены результаты экспериментальных исследований воздействия кратковременных ливневых осадков на последующие изменения метеорологического и турбулентного состояний приземного слоя атмосферы на основе обработанных синхронных данных акустических и оптических измерений атмосферных параметров. Выполнена оценка влияния выпадения интенсивных осадков на основные турбулентные характеристики приземной атмосферы, такие как энергия температурных и ветровых флуктуаций, вертикальные потоки тепла и импульса. Показано, что ливневые осадки в значительной степени изменяют эти характеристики. Полученные результаты могут быть использованы при интерпретации данных измерений оптических и акустических приборов, применяемых для исследований атмосферы.

Наблюдения за состоянием мезосферы Венеры с космических аппаратов пока не выявили транзиентных световых явлений, аналогичных транзиентам, наблюдаемым в атмосфере Земли. В данной работе возможность формирования таких явлений доказывается в лабораторных условиях. Для этого проведен эксперимент по формированию апокампов в углекислом газе при различном давлении. Полученные данные экспериментально подтверждают гипотезу о том, что условия на высотах, соответствующих верхнему краю облачности в атмосфере Венеры, благоприятны для формирования аналогов транзиентов мезосферы Земли. На основе этого выработаны рекомендации по проектированию систем детектирования таких явлений с орбитальных спутников или аэростатов.

Изучение формирования ВСП и их сложных взаимосвязей с тропосферными и стратосферными процессами имеет фундаментальное значение для углубления понимания динамики атмосферной циркуляции. Это особенно важно в условиях глобальных климатических изменений, которые не только усиливают частоту, но и увеличивают интенсивность аномальных атмосферных явлений. На основании разработанного метода идентификации опрокидываний волн Россби (ОВР), адаптированного к особенностям циркуляции в стратосфере, проанализированы условия возникновения главных внезапных стратосферных потеплений (ВСП) в Северном полушарии. Метод основан на изучении геометрии контуров потенциальной завихренности в стратосфере на уровне 850 К с использованием данных реанализа ERA5. Показано, что аномальное количество ОВР в ноябре и декабре играют ключевую роль в подготовке к возникновению ВСП. Большинство анализируемых событий ВСП связано с увеличением количества ОВР в Азиатско-Тихоокеанском (АТ) регионе в ноябре и декабре, а иногда и январе. В случаях, когда начало ВСП связано с опрокидываниями волн над Атлантикой и Европой, ему также предшествуют аномалии ОВР над АТ-регионом. Для выявленных типов опрокидываний в стратосфере характерны атмосферные блокировки в тропосфере, сопровождающиеся отрицательными аномалиями приземной температуры над Евразией и/или Северной Америкой. Увеличение частоты главных событий ВСП в первой половине зимы согласуется с ранее обнаруженной тенденцией усиления отрицательного температурного отклика на атмосферное блокирование в Северном полушарии. Результаты работы могут быть использованы для улучшения прогнозирования ВСП и связанных с ними экстремальных погодных явлений, а также в климатическом моделировании для учета влияния ОВР на стратосферные процессы.

Развитие проекта глубоководного нейтринного телескопа BAIKAL-GVD предусматривает создание аппаратуры для регулярного долговременного мониторинга первичных гидрооптических характеристик (ПГХ) водной среды в пределах эффективного объема установки. Регулярный мониторинг ПГХ не только позволяет повысить точность восстановления энергии и траектории движения нейтрино, но и предоставляет уникальные данные для лимнологических исследований. В настоящей работе описан разработанный для решения этой задачи прибор BAIKAL-5D, а также рассмотрены используемые в нем методы и алгоритмы мониторинга in situ ПГХ. Исследованы источники приборной погрешности измерения показателей поглощения и рассеяния света в воде и определены необходимые поправочные величины. Приводятся некоторые результаты измерения ПГХ глубинных вод оз. Байкал приборами BAIKAL-5D.

Впервые показана возможность возбуждения антистоксовой флуоресценции PO-фрагментов органофосфатов. На примере капельно-жидких следов триэтилфосфата на бумажной поверхности определено, что относительная населенность колебательных уровней v'' = 1 и v'' = 2 соответствует колебательной температуре фрагментов около 780 К. Выявлены признаки, указывающие на значительное нарушение равновесного распределения фрагментов по вращательным состояниям. Определено, что способ возбуждения антистоксовой флуоресценции PO-фрагментов триэтилфосфата с первого колебательного уровня основного состояния X ²Π ( v '' = 1) на нулевой колебательный уровень электронно-возбужденного состояния A ²Σ⁺ ( v ' = 0) обеспечивает наибольшую помехозащищенность ЛФ/ЛИФ-метода обнаружения органофосфатов. Полученные результаты могут быть использованы при выборе оптимального способа возбуждения флуоресценции PO-фрагментов при реализации ЛФ/ЛИФ-метода дистанционного обнаружения следов органофосфатов.

Работа посвящена исследованию состава выходного сигнала лазерных активных оптических систем на парах металлов в различных условиях работы. Выполнена экспериментальная оценка влияния временных характеристик лазерных активных оптических систем на выходную мощность излучения. Предложен метод определения вклада усиленного спонтанного изучения (ASE) в выходной сигнал самосопряженной схемы и схемы с независимым источником подсветки. На основании экспериментальных данных установлен оптимальный момент времени поступления входного сигнала в активную среду усилителя для обеспечения максимального значения «сигнал/шум» на выходе. Для схемы с независимым источником подсветки при временной задержке (-4,3; +25,8) нс на осциллограммах наблюдается полное подавление ASE в выходном сигнале. Для самосопряженной схемы достигнуть полного подавления не представляется возможным. Минимальное значение ASE в самосопряженной схеме составило 80 мВт (≈ 2% от мощности выходного сигнала). Результаты работы могут быть полезны при исследовании усилительных характеристик активных оптических систем на парах металлов, а также при визуально-оптической диагностике в схемах лазерного монитора, реализованных на их основе.

Рассматривается проблема классификации изображений облачности, представляющих собой сложные текстурные структуры с неоднородными характеристиками. Традиционные методы анализа изображений не всегда справляются с классификацией таких изображений, а современные технологии глубокого обучения требуют больших объемов данных и вычислительных ресурсов. Исследование фокусируется на оценке возможности разработки гибридного метода, сочетающего традиционные статистические подходы к описанию текстур и современные технологии глубокого обучения. Предполагалось, что высокоуровневые признаки, которые нейронная сеть выделяет при обучении, могут быть недостаточно чувствительны к тонким локальным различиям облачных образований. Был реализован и проанализирован гибридный подход: перед анализом нейросетью из изображений извлекались низкоуровневые текстурные характеристики. Однако результаты тестирования показали, что такая методика не только не улучшила качество классификации, но и оказалась менее эффективной по точности в сравнении с использованием необработанных изображений. Результаты работы могут быть интересны специалистам в области анализа данных дистанционного зондирования Земли, метеорологии и при разработке новых методов анализа текстурных изображений.

На основе экспериментальных данных, полученных в приземном слое атмосферы в двух различных по структуре подстилающей поверхности пунктах наблюдения, рассмотрены оценки масштаба Монина-Обухова при различных типах температурной стратификации. Проведено сопоставление этого масштаба (в первую очередь его знака) с текущим профилем температуры в приземном слое. Показано, что далеко не всегда знак масштаба соответствует фактической температурной стратификации, как это подразумевается в существующей теории. Полученные результаты могут послужить базой для уточнения применяемых моделей приземного слоя атмосферы, основанных на теории подобия Монина-Обухова.

Углекислый газ (CO₂) является одним из основных парниковых газов, изучение влияния которого на атмосферу в глобальном и региональном масштабах носит актуальный характер. Развитие технических средств дистанционного газоанализа атмосферы связано с разработкой новых и модернизацией существующих лидарных технологий зондирования. В настоящей работе представлены результаты разработки импульсной лидарной системы дифференциального поглощения для зондирования СO₂ в ближней ИК-области спектра (~ 2 мкм) на горизонтальных трассах в атмосфере. Описаны комплектация и техническое исполнение составных частей лидара, характеристики лидарной системы. Приведены данные лидарных измерений временного хода концентрации СO₂ в г. Томске в зимний период на выбранной трассе зондирования с использованием топографической мишени (лесополоса). Восстановлены концентрации СO₂ в диапазоне 435,2-445,1 ppm, соответствующие фоновому состоянию атмосферы. Для подтверждения корректности лидарных данных проведены синхронные измерения концентрации СO₂ с использованием мобильного газоанализатора; погрешность лидарных измерений составляет 1,3%. Результаты работы могут быть полезны при проектировании, изготовлении и модернизации импульсных лидарных систем ИК-диапазона для дистанционного зондирования СO₂, а также других атмосферных газов.