Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2025 номер 7

Рассмотрено влияние изменения угла наклона оптической оси на параметры области селективного отражения в геликоидальных фотонных структурах. Винтовая симметрия тензора диэлектрической проницаемости приводит к брэгговскому отражению на длинах волн, близких к шагу винта (геликоида), для круговой поляризации света. Для геликоидальной фотонной структуры обнаружена и объяснена устойчивость коротковолновой границы области селективного отражения к наклону оптической оси в сторону оси геликоида (нормали к плоскости слоев). Показано, что для конической геликоидальной структуры длинноволновая граница области отражения меняется сильнее, чем для структуры с нормальным раствором конуса, когда оптическая ось ориентирована перпендикулярно оси геликоида. В то же время длина волны для краевой моды на коротковолновой границе точно сохраняется при произвольных искажениях. Результаты, полученные численным моделированием при помощи анизотропной матрицы переноса и матрицы переноса Берремана, согласуются между собой и подтверждаются аналитическими выводами. Результаты важны при изучении распространения электромагнитных волн в геликоидальных фотонных структурах, а также в ионосфере Земли.

Изучение поглощающих свойств водяного пара, самого мощного парникового газа, имеет первостепенное значение для построения климатических моделей на нашей планете. При изменении температуры и давления в атмосфере особенное значение приобретают параметры уширения спектральных линий водяного пара. В работе измерены коэффициенты уширения и сдвига линий Н₂O давлением N₂O и воздуха при комнатной температуре для 11 колебательно-вращательных переходов (для 6 из них впервые) в полосе 2ν₁ + ν₂ + ν₃, вращательное квантовое число J меняется от 0 до 6. Измерения проведены на CRDS-спектрометре высокой чувствительности (6,5 × 10^-11 см^-1), аппаратная функция которого на порядки уже ширины исследуемых линий. Вычислены коэффициенты уширения и сдвига линий с использованием модификации полуклассического подхода, при которой в расчетную схему включен корректирующий фактор. Проведено сравнение полученных нами параметров с опубликованными данными. Результаты работы могут применяться для уточнения спектроскопической информации в системе HITRAN.

Молекулярный кислород является важным газом как в атмосфере Земли, так и в атмосферах Марса и Венеры. Для определения его концентрации необходимо знать точные значения параметров линий поглощения. С этой целью в диапазоне 7800-7990 см^-1 с помощью Фурье-спектрометра Bruker IFS 125HR были зарегистрированы спектры поглощения О₂. Регистрация спектров выполнена с разрешением 0,01 см^-1 при комнатной температуре и длине оптического пути 2880 см для пяти значений давления кислорода. Определены интенсивности, коэффициенты уширения, сдвига и параметры, характеризующие зависимость уширения от скорости сталкивающихся молекул, 55 линий поглощения О₂, уширенных собственным давлением. Наблюдается хорошее согласие между полученными значениями интенсивностей и высокоточными измерениями из других работ. Коэффициенты самосдвига получены впервые.

По заключению Международной группы экспертов по изменению климата ООН (IPCC), для определения основных причин глобального потепления, обусловленного увеличением содержания парниковых газов, требуется точная оценка их выбросов и стоков, так как все еще сохраняется значительная неопределенность в оценке их баланса. Для уточнения баланса в настоящей работе исследуются неоднородности в распределении потоков и стоков парниковых газов на мезомасштабном уровне. С учетом того, что в процессах газового обмена значительную роль играет почва, такой подход представляется весьма перспективным. В работе используются данные ежечасных измерений газового состава воздуха с трех постов комплексного мониторинга состава воздуха: TOR-станции, обсерватории «Фоновая» и Базового экспериментального комплекса ИОА СО РАН. Показано, что различия средних многолетних (2013-2017 гг.) концентраций между станциями лежат в пределах 116-195 мкг/м³ для СО; 3,3-8,3 млн^-1 для СО₂; 0,4-0,8 мкг/м³ для NO; 4,6-15,5 мкг/м³ для NO₂; 8,1-14,3 мкг/м³ для O₃ и 2,3-6,9 мкг/м³ для SO₂. Впервые выявлено, что у разницы концентраций имеются годовые и суточные вариации. Полученные результаты расширяют знания о динамике парниковых и окисляющих газов в атмосфере и могут быть полезны при выработке требований к точности их измерений.

Турбулентные процессы пограничного слоя атмосферы пока недостаточно полно изучены. Наиболее эффективным инструментом для их исследования является импульсный когерентный доплеровский лидар (ИКДЛ). В работе приведены результаты тестирования второй версии оптико-электронного блока лидара данного типа, созданного в Лаборатории распространения волн ИОА СО РАН (лидар ЛРВ-2). Тестирование проводилось при работе лидара в режиме с «коротким» зондирующим импульсом. В сравнительном эксперименте с использованием лидара Stream Line проведен анализ корректности оценок радиальной скорости ветра (РС) лидаром ЛРВ-2. Показана возможность использовать оценки РС, получаемые ЛРВ-2 при вертикальном зондировании, для определения скорости диссипации кинетической энергии ветровой турбулентности методом спектральной плотности вертикальной скорости ветра. Полученные результаты могут представлять интерес при разработке методик тестирования ИКДЛ.

В настоящей работе с помощью модели SCIATRAN и расчетов потоков солнечного излучения в спектральной области 1-4 мкм анализируется молекулярное поглощение солнечного излучения основными антропогенными парниковыми газами CO₂ и СН₄ в атмосфере в прошлом, настоящем и будущем. Расчеты проводились для трех широтных зон (тропики, средние широты и субарктика) и двух сезонов - зима и лето. Согласно расчетам максимальное молекулярное поглощение солнечного излучения в области 1-4 мкм парниковыми газами приходится на тропики и достигает 153-168 Вт/м² в течение всего года. В 1750-2100 гг. молекулярное поглощение солнечного излучения газами CO₂ и СН₄ увеличивается, его изменение может составить 0,8-1,2 Вт/м². Прогнозируемое увеличение молекулярного поглощения солнечного излучения к концу XXI в. близко к современным оценкам изменения радиационного баланса Земли, которые составляют 0,5-1,0 Вт/м². Среднее глобальное увеличение молекулярного поглощения уходящего теплового излучения Земли больше, чем увеличение молекулярного поглощения солнечного излучения примерно в три-четыре раза. Изменения поглощения солнечного и уходящего излучения Земли с ростом содержания парниковых газов увеличивают имбаланс энергии и приводят к изменению средней температуры планеты. Результаты исследования вносят вклад в изучение возможного влияния молекулярного поглощения приходящего солнечного излучения на будущее изменение радиационного баланса Земли.

В связи с постоянным ростом содержания парниковых газов в атмосфере в обсерватории «Фоновая» (Томская область) в приземном слое ведется многолетний непрерывный мониторинг атмосферных параметров. Для исследования биофизических процессов в деятельном слое почвы был запущен в эксплуатацию комплекс для измерения почвенной температуры. Проведен анализ данных четырехлетних наблюдений за температурным режимом почвы на измерительной площадке с естественным покровом в слое 0-320 см. Установлено, что с мая по октябрь до глубины 320 см наблюдаются положительные температуры. Максимальная глубина сезонного промерзания не превышала 60 см. Стандартное отклонение температуры почвы на всех глубинах зимой в два-четыре раза меньше стандартного отклонения температуры летом. Суточный ход температуры почвы с апреля по октябрь ярко выражен до глубины 10 см, ниже амплитуда суточного хода затухает. С ноября по март амплитуда суточного хода минимальная (0,02 °С). Полученные результаты могут быть использованы для исследования биофизических процессов в деятельном слое почвы и газообмена на границе почва - атмосфера.

Восстановление оптических характеристик атмосферного аэрозоля при ограниченном объеме данных является важной задачей для оценки радиационного воздействия и климатических расчетов в высоких широтах. Впервые апробирован подход к моделированию оптических характеристик аэрозоля по ограниченному числу измеряемых входных параметров, основанный на статистически обеспеченном ансамбле решений. Численный эксперимент представляет собой сопоставление оптических характеристик летней фоновой дымки, рассчитанных по усредненным измеренным параметрам, условно принятым за «эталонные». При формировании ансамбля решений в отдельной реализации для каждого измеряемого входного параметра моделировалось случайное отклонение от его «истинного» значения в пределах инструментальной неопределенности и осуществлялся расчет оптических характеристик. Показано, что в выбранном модельном эксперименте достаточно использовать 200 решений для точности восстановления оптических характеристик в 2%. Полученные результаты могут применяться для оценки радиационно значимых свойств атмосферы на основе измерений с самолетов-лабораторий и судов, а также для верификации спутниковых данных и климатических моделей. Методика может быть использована в задачах регионального мониторинга аэрозольного загрязнения.

В условиях наблюдаемого ускоренного потепления в Арктике особый интерес представляет исследование изменений характеристик зоны многолетней мерзлоты. В настоящей работе анализируются современные и ожидаемые в будущем изменения климатических величин (температура почвы в приповерхностном слое, температура приземного воздуха, количество атмосферных осадков и высота снежного покрова) в арктической части Западной Сибири по данным реанализа ERA5 и модели CESM2 из проекта CMIP6. Для трех климатических сценариев (Historical, SSP2-4.5, SSP5-8.5) получены оценки вклада рассматриваемых величин в изменчивость температуры почвы на глубине. Установлено, что к концу XXI в. приземная температура воздуха, температура почвы на глубинах до 42 м, количество осадков во все сезоны года вырастут, а высота снежного покрова уменьшится. Указанные тенденции приведут к увеличению площади и глубины сезонного оттаивания. По сценарию SSP5-8.5 среднегодовая нулевая изотерма температуры почвы будет находиться на глубине до ~ 6 м на широте 70° с.ш. от Обской губы до Нижнеенисейской возвышенности. В современный период влияние климатических величин на изменение температуры почвы в приповерхностном слое сильнее всего в летние (за счет преобладающего влияния температуры воздуха) и осенние месяцы (из-за влияния снежного покрова) с максимумом в октябре (до 60% на глубине 1 м). К концу XXI в. по сценарию SSP5-8.5 ожидается уменьшение вклада климатических величин в изменчивость характеристик зоны мерзлоты летом и его увеличение во второй половине осени, при этом преимущественный вклад будут вносить летние осадки. Полученные результаты могут быть использованы при исследовании и моделировании изменения характеристик зоны многолетней мерзлоты.

Для эффективной работы лидарных систем требуется высококогерентное излучение с возможностью плавной перестройки длины волны в заданном спектральном диапазоне. В работе экспериментально исследовано формирование когерентного излучения лазера на александрите в составном дисперсионном резонаторе с различными спектральными и пространственными селекторами, расположенными во внешнем и основном резонаторах соответственно. Изучена модовая структура выходного излучения в зависимости от селективных свойств используемого резонатора. Рассмотрены условия работы составного резонатора, необходимые для формирования узкополосного перестраиваемого излучения в режиме самоинжекции. Улучшенные характеристики выходного излучения александритового лазера позволят обеспечить эффективное преобразование излучения в высшие гармоники и тем самым расширить область применения таких лазеров в лидарных системах.

Требования к элементам и эффективность применения систем адаптивной оптики (АО) во многом связаны с атмосферными условиями в местах их расположения. Первоочередной задачей при разработке АО-систем остается обеспечение потока фотонов от натриевой лазерной опорной звезды (ЛОЗ), достаточного для работы датчика волнового фронта. Одним из способов увеличения потока фотонов является формирование ЛОЗ лазерным излучением с круговой поляризацией, что связано с влиянием магнитного поля Земли на энергетические уровни атома натрия. Особенностями обсерваторий Сибири являются величина геомагнитного поля 56-58 нТл, что значительно выше, чем на любой известной зарубежной обсерватории, а также низкая (порядка 2 × 10¹³ атомов/м²) плотность содержания атомов натрия в мезосфере летом. Представлены результаты численного моделирования обратного потока фотонов от натриевой ЛОЗ для атмосферных условий Сибири. Рассмотрены подходы к увеличению яркости ЛОЗ. Полученные в работе результаты могут быть использованы при разработке АО-систем наземных телескопов для наблюдения космических объектов естественного и искусственного происхождения.

Настоящая работа посвящена развитию метода измерений вертикальных профилей интенсивности атмосферной оптической турбулентности по лучу зрения телескопа. Предложена новая калибровочная функция, позволяющая оценивать вертикальные профили структурной характеристики турбулентных флуктуаций показателя преломления воздуха C_n² по ковариационным функциям дифференциальных дрожаний фрагментов солнечных субизображений, детектируемых с помощью датчика Шака-Гартмана. На основе данных, получаемых на Большом солнечном вакуумном телескопе (БСВТ) Байкальской астрофизической обсерватории, измерен характерный вертикальный профиль C_n² и для сравнения на основе средних метеорологических атмосферных характеристик выполнен его расчет. Данные моделирования и измерений указывают на существование атмосферных слоев с высокой интенсивностью турбулентности, формируемых на разных высотах над БСВТ. Результаты работы могут быть использованы для оптимизации систем адаптивной оптики, а также разработки профилометров оптической турбулентности.