Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2025 номер 12

Представлены результаты исследования задачи о режимах распространения узких (миллиметровых) лазерных пучков в керровско-нелинейной турбулентной среде, которая является моделью эволюции световых неоднородностей, возникающих при множественной филаментации мощных лазерных импульсов в соответствующих средах. Для теоретического исследования применены методы дифракционно-лучевых трубок и дифракционных лучей. Установлено, что для лазерных пучков с определенными параметрами в турбулентной среде существуют три режима распространения: режим самофокусировки с образованием нелинейного фокуса - коллапса пучка; режим самоканалирования на ограниченной дистанции; режим турбулентного распространения. Получено аналитическое соотношение для квадрата эффективного радиуса пучка, что представляет интерес для практических задач нелинейной атмосферной оптики.

Данная работа посвящена поиску и экспериментальной проверке эффективных методов компенсации динамических атмосферных искажений лазерного пучка при его распространении через турбулентную среду. В работе представлены результаты лабораторного эксперимента по коррекции искажений волнового фронта лазерного излучения, прошедшего турбулентную павильонную трассу. Турбулентность моделировалась с помощью тепловентилятора, осуществляющего подачу теплого воздуха перпендикулярно распространению пучка. Компенсация искажений проводилась с помощью адаптивной оптической системы, включающей в себя корректор наклонов волнового фронта и биморфное деформируемое зеркало. Эффективность работы системы оценивалась путем анализа распределения интенсивности излучения в дальней зоне. Показано, что созданные турбулентные искажения по своему спектральному характеру близки к колмогоровской турбулентности с шириной полосы около 30 Гц. Установлено, что для эффективной компенсации аберраций волнового фронта частота работы адаптивной оптической системы должна в 20-30 раз превышать ширину полосы турбулентности. При частоте работы системы 1 кГц расходимость пучка была снижена до 1,4 от дифракционного предела, а при повышении частоты до 2 кГц с помощью программируемой пользователем вентильной матрицы может быть достигнута точность стабилизации положения пучка на уровне 5 мкрад. Результаты работы могут быть использованы при проектировании высокоэффективных систем, связанных с распространением лазерного излучения в турбулентной среде.

Определение изотопического сдвига колебательных уровней энергии молекул представляет актуальную задачу молекулярной спектроскопии. Детальная информация о колебательно-вращательном энергетическом спектре необходима, например, для лазерного разделения изотопов. В настоящей работе предложен расчетный метод, основанный на теории возмущений высоких порядков и суммировании рядов методом квадратичных аппроксимантов Паде-Эрмита. Метод применяется для определения изотопических сдвигов колебательных уровней энергии всех стабильных изотопологов сероводорода. Вычисления проведены на основе ab initio внутримолекулярной потенциальной функции в рамках простой модели квартичного силового поля. Для уточнения результатов введены поправки, учитывающие ошибку ab initio данных. Результаты суммирования рядов теории возмущений совпадают с точностью 10^-10-10^-2 см^-1 с уровнями, определенными вариационным методом. Учет поправок уменьшает среднеквадратичную ошибку воспроизведения имеющихся экспериментальных значений уровней до 3,5 см^-1 (0,3%). Результаты расчетов можно использовать для решения различных задач атмосферной спектроскопии, астрофизики, геохимии и в других областях науки, связанных с анализом спектров изотопозамещенных молекул.

Представлена усовершенствованная интернет-доступная экспертная система СЛОН для анализа молекулярных спектров высокого разрешения, разработанная в лаборатории молекулярной спектроскопии Института оптики атмосферы СО РАН. Экспертная система основана на использовании модели нейронной сети, способной самостоятельно принимать решения при анализе комбинационных разностей, образованных группами переходов молекул с различных вращательных подуровней основного состояния на одно и то же возбужденное колебательно-вращательное состояние. Усовершенствован набор признаков, по которым нейронная сеть отличает правильный вариант комбинационной разности от случайных реализаций. Сняты ограничения на размер анализируемого спектра. Формат используемых баз данных теперь универсален и позволяет расширить класс исследуемых молекул. Современный многоплатформенный (multy-platform) пользовательский интерфейс позволяет собирать данную программу для систем Windows и Linux. Описаны принципы работы, опыт эксплуатации и очерчены перспективы развития созданной экспертной системы.

В последнее время проблема аэрозольного загрязнения атмосферы и связанных с ним климатических изменений становится все более актуальной. Особый интерес представляет изучение физико-химических свойств и структуры атмосферных аэрозолей. Являясь важной компонентой загрязненного воздуха, аэрозоли влияют на различные атмосферные процессы, окружающую среду и здоровье человека. Анализ морфологии и состава аэрозольных частиц позволяет выявить особенности их поведения в атмосфере и установить происхождение. В настоящей работе представлены результаты исследования состава и морфологии частиц приземного атмосферного аэрозоля на станции круглогодичного мониторинга (г. Иркутск) в разные сезоны 2024 г., полученные методом сканирующей электронной микроскопии и рентгеноспектрального анализа. Определены основные типы аэрозольных частиц (сажа, летучая зола, минеральные, биогенные частицы), показаны их форма и размеры. Установлено, что в составе приземного атмосферного аэрозоля г. Иркутска в теплый период доминируют минеральные и биогенные частицы, в холодный - частицы летучей золы и сажи. Впервые в составе приземного аэрозоля урбанизированной станции Иркутск обнаружены брохосомы - фуллереноподобные структуры биологических углеродсодержащих частиц. Результаты настоящего исследования расширяют сведения о морфологических свойствах и составе отдельных частиц приземного атмосферного аэрозоля урбанизированной территории Южного Прибайкалья.

Атмосферные ионы играют важную роль в процессах образования аэрозольных частиц и влияют на здоровье населения. Однако данных об их концентрации на территории России крайне мало. Для восполнения этого пробела в обсерватории «Фоновая» с июля 2019 г. был начат мониторинг содержания ионов. Проведенный анализ показал, что с июля 2019 г. по май 2024 г. концентрации отрицательных и положительных аэроионов находились в пределах 220-720 см^-3. У отрицательных ионов имеется тренд +7%/год, а у положительных -1,2%/год. У ионов обоих знаков наблюдается достаточно четкий годовой ход с максимумом в летнее время и минимумом в зимнее. Средний многолетний суточный ход свидетельствует, что концентрации ионов обоих знаков изменяются синхронно: минимум наблюдается в утренние часы, максимум - в послеполуденное время. Полученные данные позволяют уточнить роль ионов в атмосферных процессах.

Снеговой покров в умеренных и северных широтах Евразии накапливает атмосферные выпадения в течение зимы. Анализ микроэлементного состава снегового покрова позволяет оценить уровень аэрозольного загрязнения атмосферы. Обычно оценки проводятся относительно средних фоновых концентраций элементов. Однако в малоизученном регионе можно ошибиться в выборе фоновых точек. В работе предлагается в качестве точки отсчета использовать верхний предел геохимического фона (upper limit of geochemical baseline variation - ULBL), который учитывает естественное и контролируемое антропогенное поступление элемента и определяется как сумма 75-квантиля распределения концентраций элемента и разницы между 75- и 25-квантилями, умноженной на 1,5. С помощью предложенного подхода в г. Тобольске выявлено загрязнение микроэлементами Ag, Sn, Hg мест, которые априори рассматривались как фоновые; на расстоянии 9-26 км от промышленной площадки обнаружена зона загрязнения тяжелыми металлами; определены условно «чистые» точки с содержанием микроэлементов, не превышающим ULBL. Использование ULBL в качестве нормы позволяет объективно оценить загрязнение территории по результатам разовой снегомерной съемки.

Представлены результаты лидарных измерений вертикального распределения оптических характеристик пылевого аэрозоля из пустыни Гоби в свободной и нижней тропосфере г. Владивостока. В качестве инструмента исследования использован аэрозольно-рамановский лидар с кроссполяризационным каналом, позволяющий получать вертикальные профили набора (3β + 2α + δ). Высокие значения аэрозольного деполяризационного отношения (δ_а = 0,13÷0,24), характерные для пылевых аэрозольных частиц субмикронного размера, отмечены в интервале высот 3,00-4,25 км. Этому интервалу соответствовали и низкие значения параметра Ангстрема (Å = 0,5), и высокие значения альбедо однократного рассеяния ω = 0,98÷0,99. Комплексный показатель преломления ( m = m_r + i × m_i ) в пылевом слое имел характерные для пылевых частиц значения m_r = 1,48÷1,56; m_i = 0,001. Эффективный радиус варьировался в пределах 0,2-0,4 мкм с максимальным значением на высоте 3,8 км. Функция распределения объемов частиц по размерам в пылевом слое имеет хорошо выраженную двумодальную структуру с незначительным превышением грубодисперсной моды над мелкодисперсной. Модальный радиус грубодисперсной фракции равнялся 0,8 мкм, а мелкодисперсной - 0,18 мкм.

Стратосферный аэрозоль, главным компонентом которого являются вулканические выбросы - один из основных факторов, влияющих на климатообразование планеты. Роль аэрозоля, образовавшегося при лесных пожарах и проникшего в стратосферу, явно недооценена. Учет влияния такого аэрозоля в климатических моделях приводит к большим неопределенностям и подчеркивает необходимость более глубокого изучения этого явления. В работе представлены результаты лидарного мониторинга динамики стратосферного аэрозоля над Томском в 2025 г. с акцентом на исследование возмущений аэрозольного компонента стратосферы, вызванных лесными пожарами. Методом наземного лидарного зондирования в июне 2025 г. были обнаружены аэрозольные слои в стратосфере над Томском на высоте 10-17 км. С помощью траекторного анализа и спутниковой информации о пожарах показано, что вероятным источником наблюдаемых слоев могли быть продукты горения, в том числе сажа, которая была занесена в стратосферу пирокумулятивными облаками, образовавшимися в конце мая - начале июня 2025 г. в области мощных лесных пожаров, охватывающей части территории Канады и США. Полученные результаты представляют интерес для исследования климатических изменений региона Западной Сибири.

В связи с проблемой глобального потепления, вызванной ростом концентрации парниковых газов в атмосфере, актуальной является задача оценки потенциала различных экосистем для секвестрации атмосферного СО₂ как в региональном, так и в глобальном масштабах. В работе рассмотрен баланс природных потоков углекислого газа на всей территории Свердловской области. Впервые получена интегральная оценка нетто-поглощенного из атмосферы СО₂ региональными экосистемами за 2020-2022 гг. с помощью оригинальной модели машинного обучения NorthFlux, где в качестве входных данных выступают спектры подстилающей поверхности, регистрируемые спутниковым сенсором MODIS, метеоданные ретроспективного климатического анализа и спутниковые данные по классификации растительности подстилающей поверхности. Информация о величине антропогенной эмиссии СО₂ взята из кадастра выбросов парниковых газов в Свердловской области. Для оценки трансграничного переноса углекислого газа использовалось балансное уравнение для потоков СО₂ в атмосферном столбе и данные по среднегодовой скорости роста концентрации СО₂ в атмосфере региона, полученные при наземном зондировании ИК-Фурье-спектрометром высокого разрешения Bruker IFS 125M в Коуровской астрономической обсерватории в 2012-2024 гг. Установлено, что секвестрация атмосферного СО₂ экосистемами Свердловской области составляет от 10,9 до 15,2%, а его перенос за границы области в соседние регионы (трансграничный перенос) - от 72,5 до 76,7% от количества ежегодных промышленных выбросов СО₂ на территории области. Модель машинного обучения NorthFlux может быть полезна для оценки секвестрационного потенциала экосистем других регионов планеты.

Большинство численных моделей переноса загрязняющих веществ, в частности радионуклидов, используют в качестве внешних параметров результаты гидродинамических моделей. В настоящей работе предлагается методика анализа качества полей ветра, прогнозируемых гидродинамической моделью, для конкретной транспортной модели и данных измерений в трассерном эксперименте «Кинкейд». Суть методики состоит в том, что в поля ветра вносятся нормированные случайные возмущения и анализируются предельные величины модуля скорости и направления ветра, позволяющие получать прогнозы переноса примесей, удовлетворяющие критериям качества. Эталоном для оценки качества расчетов концентраций атмосферных загрязнений служат данные измерений на специализированной частой сети станций эксперимента «Кинкейд». Результаты работы могут быть полезны при испытаниях любой транспортной модели, использующей результаты расчета ветра гидродинамическими моделями.

Для визуализации в видимом спектре процессов в прозрачных только для ИК-излучения средах необходимы активные преобразователи излучения ИК-спектра в видимое. В настоящей работе представлены результаты математического моделирования преобразования ИК-излучения в видимое, основанного на конкуренции между переходами в активных средах на парах марганца. В основе используемого подхода лежит пространственно-временная кинетическая модель активной среды. Проведена оценка коэффициента преобразования в непрерывном и импульсном режимах входного ИК-сигнала для широкого спектра его мощности, а также различных частот следования импульсов (от 2 до 20 кГц). Показано, что оптимальными для такого преобразования являются импульсный режим и частота следования импульсов меньше, чем оптимальная с точки зрения мощности усиленного спонтанного излучения. Измеримый коэффициент преобразования составляет более 10 для газоразрядной трубки среднего размера. Результаты свидетельствуют о возможности использования бистатической схемы лазерного монитора с активными средами на парах марганца для получения негативного изображения в видимом диапазоне процессов в среде, прозрачной для ИК-излучения, т.е. для создания импульсного узкополосного преобразователя ИК-сигнала в видимый.

Основная проблема при наблюдении малоразмерных (малозаметных) космических объектов наземными оптическими телескопами связана с влиянием атмосферы при прохождении через нее излучения от таких объектов. В работе рассмотрены особенности наблюдения при длинной экспозиции малоразмерных космических объектов путем регистрации короткоэкспозиционных изображений лазерной опорной звезды и последующего их суммирования в фокальной плоскости телескопа. На основе корреляционного анализа исследована связь между случайными смещениями изображения наблюдаемой лазерной опорной звезды и прогнозируемым положением малоразмерного космического объекта. Показано, что достаточным условием нахождения их взаимного положения является отношение модулей энергетических центров тяжести изображений как двух коррелированных гауссовых случайных величин, которое имеет распределение плотности вероятности Коши. Приведены результаты расчетов для моностатической и бистатической схем формирования лазерной опорной звезды.