Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2025 номер 10

Для передачи информации в атмосфере активно используются лазерные пучки. Однако предельная длина открытых коммуникационных линий ограничена вследствие деградации лазерных пучков, распространяющихся в турбулентной атмосфере. В связи с этим представляет интерес оценка возможности детектирования датчиками волнового фронта топологического заряда вихревого пучка, возмущенного атмосферными флуктуациями. Рассмотрена задача измерения датчиком Шэка-Гартмана наклонов волнового фронта вихревого лазерного пучка, распространяющегося на трассе в турбулентной атмосфере. Получены оценки изменения углов локальных наклонов волнового фронта, связанного с соленоидальной составляющей вектора Пойнтинга и турбулентными флуктуациями показателя преломления атмосферы. На примере нескольких конкретных моделей датчика Шэка-Гартмана исследована возможность расчета значения топологического заряда вихревого лагерр-гауссова пучка по измеренным углам локальных наклонов волнового фронта. Результаты могут быть использованы для улучшения существующих технологий оптической коммуникации в открытой атмосфере.

На основе представления решения стохастического волнового уравнения Гельмгольца в виде интеграла по траекториям (Samelsohn G., Mazar R. Physical Review E. 1996. V. 54, N 5) получено выражение для функции пространственной когерентности сферической волны, распространяющейся в турбулентной атмосфере. Расчеты выполнены с использованием колмогоровской модели спектра флуктуаций диэлектрической проницаемости в предположении, что справедливо геометрооптическое приближение для случайного набега фазы волны в интеграле по траекториям. Найдены оценки поправок к этому приближению по порядку величины. Полученная формула не имеет ограничений на длину волны и угловой разнос точек наблюдения, возникающих при использовании параболического и марковского приближений. Рассчитана погрешность оценки радиуса пространственной когерентности в параболическом приближении, возникающая из-за сферичности волнового фронта при увеличении углового разноса точек наблюдения. Показано, что с увеличением длины волны погрешность растет и для миллиметровых и более длинных волн может приводить к завышению масштаба пространственной когерентности сферической волны в несколько раз.

Водяной пар является значимой компонентой атмосферы Земли. Оценка вклада водяного пара в радиационный баланс Земли на протяжении десятилетий остается актуальной задачей. В настоящей работе на основе результатов ранних Фурье-измерений поглощения излучения водяным паром при самоуширении и уширении воздухом в полосе поглощения с центром ~ 1600 см^-1 в температурном диапазоне 296-340 К впервые восстановлены спектры «self»- и «foreign»-континуума водяного пара при температурах 310, 325 и 340 К в исследуемой полосе поглощения. Обработка спектров произведена с использованием спектроскопической базы данных HITRAN2020. Восстановленные величины поглощения имеют характерные для «self»- и «foreign»-континуума спектральные и температурные зависимости. Проведено сравнение полученных нами данных с полуэмпирической моделью континуума MT_CKD и полуэмпирической моделью димеров воды ( Simonova A.A., Ptashnik I.V., Shine K.P. Semi-empirical water dimer model of the water vapour self-continuum within the IR absorption bands // J. Quant. Spectrosc. Radiat. Transfer. 2024. V. 329. P. 109198-1-19. DOI: 10.1016/j.jqsrt.2024.109198). Результаты работы важны как с фундаментальной точки зрения - в рамках молекулярной спектроскопии, так и с прикладной - в задачах атмосферного моделирования и дистанционного зондирования.

Эргодические теоремы имеют важное значение при сопоставлении результатов измерений с выводами теории. Для получения «статистического ансамбля» требуется множество опытов в аналогичных условиях, что практически не представляется возможным. Поэтому средние значения вынуждено определяются по данным измерений одного опыта. Для этого используется осреднение эмпирических данных по некоторому интервалу времени или области пространства. На вопрос, насколько такие эмпирические средние близки вероятностным средним, отвечают так называемые теоремы эргодичности. Для стационарных процессов такая теорема была доказана Дж. Тейлором в 1922 г. В настоящей работе доказана эргодическая теорема для нестационарных случайных процессов. Доказательство подтверждает представления О. Рейнольдса (1894 г.), согласно которым интервал временного осреднения должен быть велик по сравнению с характерными периодами пульсационного поля, но мал по сравнению с периодами осредненного поля. Показано, что для умеренных длин реализаций нестационарную турбулентность можно считать локально стационарной (локально однородной). Установлена причина «эволюции уровня» - явления дрейфа или ухода среднего значения, которое заключается в зависимости средних значений гидродинамических полей от длины интервала осреднения и значительно затрудняет определение эмпирических средних значений. Указана приближенная мера для количественных оценок эволюции уровня; показано, что существует такое время осреднения, при котором влияние этого явления минимально. Полученные результаты важны для исследований турбулентности в атмосфере, в которой все гидродинамические элементы нестационарны и имеют выраженный суточный и годовой ход.

Аэрозольное замутнение атмосферы над Антарктидой является самым низким на планете однако существуют региональные особенности его временной изменчивости. В работе на основе анализа результатов многолетних измерений аэрозольной оптической толщи атмосферы (АОТ) на станции «Мирный» выявлены основные закономерности ее межгодовых и сезонных колебаний. Показано, что в межгодовой изменчивости АОТ (0,5 мкм) выделяются колебания с периодом 5-6 лет и амплитудой 0,005 относительно среднего уровня 0,023. Годовой ход АОТ мелкодисперсного аэрозоля характеризуется весенним и летним максимумами (октябрь и февраль), а грубодисперсного - одним летним максимумом. Предложены аппроксимационные выражения, позволяющие вычислять среднемесячные величины спектральных АОТ в диапазоне 0,34-2,14 мкм. Полученные результаты могут быть полезны для оценок, в том числе прогностических, спектральной зависимости АОТ атмосферы Антарктиды в Индоокеанском секторе Южного океана, применения в региональных климатических моделях, а также совершенствования алгоритмов определения АОТ по спутниковым данным.

Проведен анализ биооптических параметров морей Дальневосточного региона, получаемых по данным радиометра MODIS/AQUA. Сравниваются результаты работы двух основных алгоритмов атмосферной коррекции, основанных на следующих предположениях: отсутствие восходящего от воды излучения в ближней инфракрасной области спектра (NIR) и стабильность формы спектра морской воды в этой области (MUMM). Верификация проводилась по данным японских и корейских станций AERONET-OC. Рассмотрен подход к улучшению результатов атмосферной коррекции MUMM - региональная модификация индексов цветности. MUMM-коррекция с модификацией не уступает коррекции NIR по точности расчета концентрации хлорофилла а . Обнаружено, что рекомендуемая NIR-коррекция приводит к отрицательным коэффициентам отражения Rrs на длине волны 412 нм, что соответствует акваториям с высокой трофностью в 10% случаев и завышает концентрации хлорофилла а в среднем в 1,8 раза. Предлагаемая коррекция индексов цветности не приводит к отрицательным значениям коэффициентов отражения Rrs; индексы цветности в синей области спектра имеют значительно меньшие погрешности, чем при NIR-коррекции. Предлагаемый подход позволяет получать более надежные оценки биооптических параметров моря по спутниковым данным.

Ветровые доплеровские лидары зарекомендовали себя как эффективное средство оценивания ветровой турбулентности в самолетных измерениях. Однако существующие методы зондирования с борта самолета предполагают наличие сложной сканирующей системы. В настоящей работе тестируется возможность оценивания параметров турбулентности и ветровых конвективных потоков с помощью второй версии лидара, созданного в лаборатории распространения волн ИОА СО РАН (ЛРВ-2), при зондировании в надир с борта летящего самолета. На основе анализа экспериментальных данных были получены высотные профили оценок дисперсии вертикальной скорости ветра (ВС) и скорости диссипации кинетической энергии турбулентности до высоты 1250-1600 м. При анализе данных зондирования вблизи облака удалось зафиксировать сдвиг ВС по одному спектру лидарного сигнала с двумя доплеровскими пиками. Результаты работы могут быть полезными при создании новых способов оценивания турбулентности и сдвига ветра.

Работа посвящена исследованию роли слияния облаков в формировании опасных явлений погоды. Рассмотрены характеристики конвективного облака, сформировавшего очень интенсивные осадки в г. Санкт-Петербурге и Ленинградской области 1.07.2023 г. Для анализа были использованы данные измерений радиолокатора ДМРЛ-С, весовых осадкомеров Pluvio² 200 и двух систем определения местоположения грозовых разрядов. Появление и развитие изучаемого кучево-дождевого облака были связаны со слиянием двух конвективных облаков, которые в своем развитии постепенно сближались, перемещаясь по направлению к Санкт-Петербургу с юго-запада. Измерения показали, что слияние привело к взрывному росту вершины объединенного облака, которая достигла высоты 13,4 км, значительному увеличению максимальной отражаемости от облака - до 69 дБZ, объемов его переохлажденной части, объемов облака с крупой и градом, интенсивности осадков до 140 мм/ч и частоты молний. Зафиксировано появление «облачного моста». Показано, что он состоял из частиц ледяной крупы и мокрого снега. Полученные результаты указывают на важность учета слияния облаков при наукастинге опасных явлений погоды.

Для корректной оценки потоков парниковых газов и глобального цикла углерода остро необходимы хорошо обеспеченные данные об источниках и стоках парниковых газов в системе «поверхность - атмосфера» на различных природных объектах. В статье впервые обобщены результаты судовых измерений концентрации углекислого газа в поверхностной воде по всей акватории озера Байкал, полученные в восьми весенних циклах. Именно весенний период представляет особый интерес для исследований, поскольку из-за большой географической протяженности озера с юга на север после вскрытия ледового покрова идет постепенный прогрев воды, что дает возможность за ограниченную по времени экспедицию провести измерения в условно разные «сезонные периоды». Показано, что на фоне межгодовой изменчивости пространственного распределения концентрации СО₂ в поверхностной воде в этот период она устойчиво снижается от Южной котловины озера к Северной и растет по мере удаления от прибрежной зоны (до глубин менее 200 м) к центральной части акватории. Результаты исследования представляют интерес для специалистов по проблемам климата, а также биологов, поскольку углекислый газ - один из неотъемлемых компонентов углеродного цикла в процессе фотосинтеза водного планктона в воде Байкала.

Работа посвящена исследованию влияния аэрозолей на различные процессы в атмосфере, в частности формирование конвективных облаков и их электризацию. Рассмотрены частные случаи гроз на территории Красноярского края в период лесных пожаров. Данный регион характеризуется наибольшим среди регионов России риском учащения лесных пожаров, связанным с изменением климата. Для выбора грозовых событий проведены анализ молниевой активности на выбранной территории с 2015 по 2022 г. и ее сопоставление с данными о лесных пожарах. Представлена серия численных экспериментов по моделированию гроз с помощью модели WRF с различными концентрациями аэрозольных частиц в атмосфере. На основе результатов моделирования рассчитаны электрические параметры облаков. Для поиска корреляций между плотностью молниевых разрядов и параметрами конвективных систем предложены методы оценки молниевой активности по объему грозовых ячеек с заданной радиолокационной отражаемостью и площади области с высоким электрическим потенциалом. Выявлено, что рост аэрозольной нагрузки в атмосфере приводит к увеличению времени развития конвекции. Показано существенное влияние концентрации аэрозолей на максимальное значение электрического потенциала при практически неизменной максимальной радиолокационной отражаемости. Полученные результаты могут быть использованы для развития фундаментальных представлений о связи молниевой активности и лесных пожаров, а также для решения прикладных задач социально-экономической сферы, в том числе для совершенствования методов прогнозирования молниевой активности.

Рассматривается задача идентификации источников атмосферных выбросов по данным дистанционного зондирования. Предложен алгоритм ее решения на основе трехмерной по пространству модели переноса примесей и нелинейной модели измерений, представляемой в виде «дифференцируемого черного ящика». Алгоритм основан на операторах чувствительности и ансамблях решений сопряженных уравнений. Выполнено тестирование алгоритма на реалистичном сценарии идентификации источников сажи для Байкальского региона по модельным данным, соответствующим спутниковым измерениям платформы Terra/MODIS, показавшее его применимость. Дополнительно предложена декомпозиция алгоритма по данным измерений, позволившая уменьшить относительную ошибку восстановления функции источника на 12% по сравнению с версией без декомпозиции. Результаты исследования могут быть использованы при создании систем обработки данных дистанционного зондирования.

В задачах дистанционного зондирования атмосферы, особенно при интерпретации лидарных сигналов от перистых облаков, ключевую роль играет точность моделирования рассеяния света на несферических хаотически ориентированных ледяных частицах. Приближение физической оптики, несмотря на свою вычислительную эффективность, не всегда обеспечивает достаточную точность, особенно в случаях, когда размеры частиц сопоставимы с длиной волны излучения. Это создает систематическую погрешность в базах данных матриц рассеяния, используемых для обратных задач. В нашей работе рассматривается применение метода дискретных диполей для верификации приближения физической оптики. Основное внимание уделено сравнению результатов, полученных на длинах волн 0,532 и 1,064 мкм на частицах различных форм и размеров от 2 до 8 длин волн. Применение приближения физической оптики в данном случае приводит к относительной погрешности до 20% в определении линейного деполяризационного отношения, а также к занижению интенсивности обратного рассеяния в два раза. Полученные результаты позволяют уточнить границы применимости приближения физической оптики и внести коррективы в существующие базы матриц рассеяния. Это, в свою очередь, повысит точность интерпретации лидарных измерений и, как следствие, качество восстановления микроструктуры облаков.

Высоконаправленный суперконтинуум (ВСК) является уникальным источником широкополосного когерентного излучения. Для создания такого источника необходима информация о параметрах и условиях его возникновения. В статье приводятся результаты экспериментального исследования условий формирования ВСК в газообразном азоте при накачке импульсом излучения на длине волны λ = 950 нм с длительностью 70 фс и энергией 3-6 мДж. Излучение накачки фокусировалось в газовую камеру сферическим зеркалом с фокусным расстоянием 75 см в условиях аберрации (угол падения излучения на зеркало - 15°). Показано, что существуют оптимальные энергия накачки 4,5 мДж и давление газа 3-4 атм. Спектральный состав ВСК охватывает диапазон от 350 до 1000 нм. Расходимость излучения ВСК является дифракционной, и наибольшая ее величина (диаметр белого пятна в дальней зоне) соответствует λ = 780 нм. Максимальная энергия - ВСК 17 мкДж. Результаты работы полезны для понимания физических механизмов, лежащих в основе возникновения ВСК, а также для разработки широкополосного источника когерентного излучения.