Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2026 номер 5

Статья посвящена проблеме идентификации линий в колебательно-вращательных спектрах высокого разрешения. Предлагается подход на основе эвристического поиска, применяемого в системах искусственного интеллекта для автоматического поиска набора проявленных в спектре уровней энергии молекулы. Такие системы решают задачу поиска последовательности операций по преобразованию входных данных (формул, знаний), приводящей данные в некоторое целевое или искомое состояние. Программой анализируются одновременно несколько присутствующих в спектре вращательных подуровней. Это позволяет, имея больше информации, получать более достоверную идентификацию соответствующих им спектральных линий. Результаты работы могут использоваться в оптическом зондировании атмосферы и в изучении физики молекул.

Современные базы данных, такие как HITRAN и GEISA, предоставляют спектральные параметры линий в основном для расчетов профиля Фойгта (VP). Однако моделирование поглощения этим профилем приводит к существенным погрешностям в сравнении с высокоточными экспериментальными спектрами. В настоящее время предложены более сложные модели, учитывающие не фойгтовские эффекты, такие как изменение скорости молекул из-за столкновений и зависимости коэффициентов уширения и сдвига от скорости при столкновениях. В настоящей работе представлены результаты высокоточных измерений и анализа спектров поглощения ¹²C¹⁶O в диапазоне давлений от 0,001 до 0,3 атм с использованием не фойгтовских контуров. Проанализированы зависимости параметров контуров VP, RP, qSDVP-Δ₂, qSDVP, qSDRP линий P3-P8 ¹²C¹⁶O от давления. Показано, что интенсивность S и параметры контуров Г₀ и Δ₀ линейно зависят от давления независимо от типа контура. Значения S , коэффициентов уширения Г₀/ P _CO и сдвига Δ₀/ P _CO для контуров qSDVP-Δ₂, qSDVP совпадают с экспериментальной точностью. Расчеты с VP демонстрируют отклонение значений S , Г₀/ P _CO и Δ₀/ P _CO от результатов расчетов с контурами qSDVP-Δ₂ и qSDVP в диапазоне 1-2%. При использовании контуров qSDVP-D₂, qSDVP и qSDRP наблюдается нелинейная зависимость параметров Г₂ и Δ₂ от давления. Оценены границы применимости моделей контура для описания высокоточных экспериментальных спектров молекулы ¹²C¹⁶O. Результаты работы позволят стандартизировать параметры спектральных линий для пополнения баз данных.

Оптическое излучение, распространяющееся в атмосфере, частично поглощается воздушной средой, что приводит к ее нагреву, а сам пучок оптического излучения выступает в роли линейного протяженного теплового источника. Возникающие при этом конвективные явления вносят свой вклад в атмосферную турбулентность. В помещениях такая конвективная турбулентность имеет особенности, связанные с пространственной ограниченностью и наличием других тепловых источников. В настоящей работе представлены результаты исследования конвективных движений воздуха в окрестности группы линейных протяженных оптических источников в горизонтальной конфигурации расположения незамкнутого помещения при внешнем ветровом воздействии. Исследования выполнены путем численного решения трехмерных уравнений Навье-Стокса. Для параллелизации вычислений применялся вычислительный кластер с программным интерфейсом MPI. Описаны возникающие вдоль наклонных оптических пучков конвективные ячейки и соответствующие поля скоростей и температуры воздушной среды. Установлено, что форма и расположение ячеек определяются углом наклона оптической оси пучков и конфигурацией помещения. Продемонстрирована эволюция полей температуры и скоростей. Построены пространственные спектры флуктуаций температуры по различным направлениям, включая окрестности оптических трасс. Описаны причины и представлены оценки взаимного влияния пучков в части изменений структурной характеристики флуктуаций показателя преломления воздуха в окрестности трасс. Исследовано влияние внешнего ветра на тепловые следы пучков внутри и вне помещения. Установлено, что к моменту завершения численного эксперимента в помещении формируется распределение температуры, соответствующее турбулентности с колмогоровским спектром. Рассмотренные ситуации могут наблюдаться в помещениях оптических систем при нагреве воздуха пучками оптического излучения различной интенсивности. Возникающие поля турбулентности конвективной и динамической природы существенно влияют на работу регистрирующих устройств. Полученные результаты важны для прогноза правильной работы таких устройств и оценки взаимного влияния пучков.

Особенностью исследования электрического поля в приземном слое атмосферы является согласованное проведение измерений и последующая интерпретация полученных данных с целью корректного выделения возмущений локального происхождения и глобальных вариаций электрического поля и оценки их влияния на характеристики приземного слоя. Для решения проблемы интерпретации результатов атмосферно-электрических измерений необходима математическая модель, позволяющая однозначно связать возмущения глобального и локального характера с измеряемой величиной. В настоящей работе рассматривается одна из возможных реализаций такой модели в виде уравнения полного тока, описывающего суточную динамику напряженности электрического поля в приземном слое. Исследована пространственно-временная структура турбулентного приземного слоя атмосферы, формирующаяся под действием глобальной унитарной вариации потенциала ионосферы и локального турбулентного генератора, обладающего независимой суточной динамикой. Работа обобщает исследования суточных вариаций напряженности электрического поля в приземном слое для случаев постоянного полного тока на верхней границе этого слоя. Рассчитаны вертикальные профили напряженности электрического поля, плотности тока проводимости и турбулентного тока в различные моменты времени в течение суток. Установлена их зависимость от степени турбулентного перемешивания в приземном слое атмосферы. Результаты расчетов будут полезны при анализе данных наземных атмосферно-электрических наблюдений.

Пространственная освещенность является определяющей характеристикой излучения при тепловом воздействии лазерного пучка на биоткани, порошки и другие рассеивающие среды. В настоящей статье представлен теоретический анализ многократного рассеяния света в объеме полубесконечной диффузно рассеивающей среды (ДРС) на примере прессованных диэлектрических порошков с показателями преломления среды n = 1,47; 1,72 и 2,00 при длине волны 1,06 мкм (первая гармоника неодимового лазера). Проведено сравнение расчетных значений зависимостей коэффициента диффузного отражения ρ(1 - Λ), полученных имитационным методом Монте-Карло и в приближении Кубелки-Мунка. Установлена линейная связь между пространственной освещенностью в объеме ДРС и коэффициентом диффузного отражения. Определены погрешности и границы применимости исходной и скорректированной формул Кубелки-Мунка. Обнаружена сложная связь между альбедо однократного рассеяния Λ и угловой зависимостью потока фотонов, падающих на границу раздела «ДРС-воздух», f (α). В частности, показано, что при Λ → 1 и сферической индикатрисе рассеяния функция f (α) = cos(α), где α - угол падения фотона. Результаты исследования могут быть полезны для развития методов определения пространственной освещенности и использоваться в лазерной медицине.

Диагностика лазерной плазмы в аэрозолях сложна в силу неоднородности плазмы. В настоящей работе оценена электронная плотность лазерной плазмы, генерируемой в жидко-капельном аэрозоле, на основе эмиссионных линий Ba II 455,4, Na I 589, Al I 396,2, Ca II 393,4 и Fe I 542,4 нм, для условий использования оборудования на мобильных носителях. Установлено, что минимальная электронная плотность характерна для линии Ba II, максимальная - для линии Na I. Разница в значениях достигает почти одного порядка величины, что обусловлено различиями в диффузионных длинах элементов. Экспериментально показано, что электронная температура плазмы слабо зависит от времени в интервале 2-4 мкс при времени экспозиции 40 и 150 мкс. Подтверждено, что рекомбинационная накачка верхних уровней исследуемых переходов несущественно влияет на интенсивность аналитических линий. На основе анализа констант скоростей возбуждения из основного состояния установлено, что наихудший предел обнаружения характеризует линию Al I 396,2 нм. Результаты работы востребованы в эмиссионном спектральном анализе аэрозолей.

Началом образования полярных стратосферных облаков (ПСО) и активации хлора до сих пор считается температурный порог образования тригидрата азотной кислоты T _NAT, ниже которого резко возрастает концентрация HNO₃ в частицах ПСО. В статье на основе данных по минимальной температуре, максимальным отрицательным отклонениям отношения смеси озона от многолетнего среднего и максимальному отношению смеси азотной кислоты (HNO₃) в стратосфере Арктики для пунктов Эврика (Канада), Ню-Олесунн (Норвегия), Туле (Гренландия) и Резольют (Канада) рассчитаны максимальные отношения смеси и общее содержание HNO₃. Максимальные отношения смеси HNO₃ сокращаются в течение зимы вплоть до конца февраля во всех рассмотренных пунктах наблюдения, что обусловлено конденсацией газообразной HNO₃ на частицах ПСО. Отношения смеси начинают расти с возвращением солнечного освещения в полярные широты вследствие сублимации ПСО и экспорта HNO₃ из периферийных областей вихря во время его деформации. Выбранные для анализа годы (2010/11, 2019/20, 2020/21, 2021/22 гг.) кардинально различались по динамике стратосферы и состоянию озонового слоя зимой и весной в Арктике. Результаты работы могут быть полезны для понимания временной динамики отношения смеси HNO₃ в весенне-зимней стратосфере Арктики и ее роли в химическом разрушении озона.

Анализ статистических свойств флуктуаций плотности аэрозоля на высотах полетов гражданской авиации может служить отправной точкой для исследования случайной компоненты поля скоростей ветра. В настоящей работе представлены результаты анализа флуктуаций мощности рассеянного сигнала, измеренного самолетным лидаром в эксперименте проекта DELICAT (DEmonstration of LIdar based Clear Air Turbulence detection). Предложен новый метод исследования аэрозольных облаков, основанный на двумерном преобразовании Фурье. Получены пространственные спектры флуктуаций плотности аэрозоля. Для анализа выбирались участки полетов с постоянными высотой, направлением и скоростью самолета. Сигнал рассматривался в системе координат, где по оси абсцисс отложено расстояние от самолета до рассеивающего объема, а по оси ординат - пройденный самолетом путь относительно воздушной массы. В такой системе облака аэрозоля проявляются в виде полос, наклоненных под углом 45°. В областях, где наблюдался аэрозоль, двумерные спектры имеют пик в окрестности главной диагонали частотной плоскости. Их диагональные сечения равны оценкам одномерных пространственных спектров флуктуаций концентрации аэрозоля в рамках следующих приближений: 1) облака считаются неподвижными в масштабе времени порядка 1 мин, 2) вариации направления линии зондирования пренебрежимо малы. На основе полученных данных были сделаны оценки наклона одномерных спектров. Результаты настоящей работы могут послужить основой для исследования случайной компоненты поля скоростей ветра.

Изучение распространения мощных ультракоротких импульсов в атмосфере является актуальной проблемой оптики и лазерной физики. Результаты исследования новых фундаментальных нелинейных явлений в атмосфере, таких как филаментация, генерация суперконтинуума и терагерцового излучения и формирование постфиламентационных каналов, стимулировали развитие лазерных технологий в фемтосекундной атмосферной оптике, включая фемтосекундное лидарное зондирование. В настоящей работе рассмотрены условия модификации базового уравнения зондирования с использованием излучения суперконтинуума, сконцентрированного в постфиламентационных каналах, которые связаны с нелинейными фокусами и зонами филаментации мощного фемтосекундного лазерного импульса. Предложен метод решения задачи определения коэффициента ослабления, аналогичный известному методу логарифмической производной, применяемому в одночастотном лазерном зондировании. В качестве примера для послойно-однородной непоглощающей среды в приближении однократного рассеяния решена задача определения коэффициента ослабления с использованием излучения на длинах волн суперконтинуума, сконцентрированного в постфиламентационных каналах, сформированных в двух пространственно-разнесенных нелинейных фокусах. Сделан вывод о перспективности применения модифицированного уравнения зондирования для пространственно-разнесенных нелинейных фокусов для оценки эффективности щирокоспектральных оптоэлектронных систем связи, локации и дальнометрирования.

Проблема загрязнения атмосферы в Крыму вызывает интерес из-за особенностей его географических характеристик и курортного назначения. Экспериментальные исследования состава и временной изменчивости аэрозоля в приземном слое атмосферы проводились с 21 марта по 17 июня 2020 г. в юго-восточной части Крымского полуострова на станции фонового экологического мониторинга «Карадагская научная станция им. Т.И. Вяземского - природный заповедник РАН» - филиал ФИЦ ИнБЮМ. Впервые представлены временные вариации среднесуточной массовой концентрации аэрозоля, химических элементов в его составе и аэрозольных частиц размером 0,15-1,5 и 0,2-5,0 мкм. Определены концентрации выбранных 25 химических элементов. Анализ проводился в зависимости от направления прихода воздушных масс. Элементный состав аэрозоля сравнивается с его дисперсным составом, метеоусловиями и направлением дальнего переноса воздушных масс. Выявлен размер частиц, переносящих тяжелые металлы и металлоиды (Zn, Mo, Cd, Pb, Bi, Se, Sn, Sb), а также элементы глобального происхождения. Элементы S, Cu, Hg, для которых не выявлено значимой корреляции с размерами частиц, вероятно, имеют смешанное происхождение, обусловленное конкуренцией естественных и антропогенных источников в разные периоды. Полученные результаты характеризуют параметры аэрозоля в весенне-летний период в восточной части Крыма и представляют интерес для специалистов, занимающихся контролем загрязнения природной среды в курортно-рекреационном регионе.

Для лучшего понимания текущих тенденций роста концентрации парниковых газов в региональном масштабе необходим анализ их изотопного состава с целью идентификации источников и стоков, определяющих как сезонные, так и многолетние изменения их содержания в атмосфере. Непрерывные наблюдения за CО₂, CH₄ и изотопным составом углерода их молекул, проведенные в 2022-2024 гг. в обсерватории «Фоновая», позволили определить диапазон фоновых значений и сезонную изменчивость изотопных соотношений δ¹³C-CО₂ и δ¹³C-CH₄ в атмосфере зоны южной тайги Западной Сибири. Среднедневные (13:00-17:00 по местному времени) значения δ¹³C-CО₂ и δ¹³C-CH₄ варьировали в диапазонах -9,2 ÷ -5,7 и -51,7 ÷ -46,5‰ соответственно. Анализ фоновых показателей выявил в годовом ходе резкий летний минимум концентрации CО₂ и максимум δ¹³C-CО₂, что указывает на интенсивное поглощение ¹²CO₂ наземными экосистемами региона. Зимние значения концентрации CО₂ и δ¹³C-CО₂ согласуются с данными других станций мониторинга парниковых газов Северного полушария. Картина сезонных вариаций содержания CH₄ и значений δ¹³C-CH₄ в атмосфере региона свидетельствует о том, что зимний максимум CH₄ обусловлен антропогенным фактором, а летний - биогенной эмиссией метана с заболоченных территорий Западной Сибири. Методом построения графиков Килинга для каждого месяца были определены сигнатуры источников/стоков, влияющих на концентрацию CО₂ и CH₄ в районе наблюдений. Полученные результаты могут быть использованы для анализа и интерпретации данных многолетних наблюдений за парниковыми газами в Сибирском регионе.