Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2023 номер 10

Приведен обзор выполненных в России работ, связанных с экспериментальными и теоретическими исследованиями по проблемам оптической связи вне пределов прямой видимости в воздушной и водной средах. Приводятся основные результаты полевых, лабораторных и численных экспериментов в ИК-, видимом и УФ-диапазонах длин волн. В лабораторных экспериментах в качестве рассеивающих сред использованы водно-глицериновая смесь и атмосферный воздух. В полевых экспериментах оптическая связь осуществлялась в приземном слое атмосферы, а также в искусственных и природных водоемах (в том числе в зимнее время через лед). Исследования выполнялись для компланарных и некомпланарных схем формирования каналов связи.

Впервые зарегистрирован спектр поглощения молекулы ¹⁴N¹⁸O в области 5200-5500 см^-1 с помощью Фурье-спектрометра Bruker IFS 125M со спектральным разрешением 0,0056 см^-1. Анализ спектра позволил обнаружить колебательно-вращательные линии полосы 3-0 основных переходов в электронном состоянии Х²П молекулы ¹⁴N¹⁸O. Для основных переходов ²Π_1/2 - ²Π_1/2 и ²Π_3/2 - ²Π_3/2 зарегистрировано 102 положения линий Λ-дублетов в трех ветвях. Для 61 разрешенного дублета определены положения и относительные интенсивности каждой компоненты дублета. Максимальное вращательное квантовое число J = 29,5. Найденные экспериментальные положения линий в полосе 3-0 подтвердили рассчитанные данные, приведенные в базе данных HITRAN. Проведена обработка частот зарегистрированных переходов, взвешенных в соответствии с экспериментальными погрешностями, и определены спектроскопические постоянные для колебательного состояния v = 3. С найденными спектроскопическими постоянными выполнены предсказательные расчеты волновых чисел вращательных уровней колебательного состояния v = 3 до J = 35,5 и, соответственно, частот переходов в колебательных полосах 3-3 и 3-0 для электронных состояний ²Π_1/2 и ²Π_3/2. Результаты расчетов показали согласие с данными, приведенными в HITRAN, в пределах указанной в базе данных погрешности.

В работе исследуются спектры пропускания аэрогеля при заполнении его нанопор SO₂ и смесью молекулярных газов Н₂О и SO₂. Измерения проведены на Фурье-спектрометре Bruker IFS 125 HR в спектральном диапазоне 3500-10000 см^-1 при комнатной температуре. Обнаружено, что заполнение нанопор образца аэрогеля как SO₂, так и бинарной смесью молекул Н₂О и SO₂ влияет на полосы поглощения аэрогеля. Это изменение носит обратимый характер: при откачке газов из кюветы с образцом спектр пропускания аэрогеля восстанавливается.

Проблема удаленного формирования в атмосфере интенсивных лазерных пучков актуальна для решения задач атмосферной оптики, в частности для зондирования атмосферы. В работе экспериментально исследуется влияние искусственно созданного турбулентного слоя в начале трассы распространения излучения на характеристики области филаментации и формирование высокоинтенсивных плазменных и бесплазменных каналов для фемтосекундных лазерных пучков, в том числе при фазовом управлении поперечной структурой пучка с использованием деформируемого зеркала. Внесение турбулентности приближает начало области множественной филаментации к источнику излучения, однако это приближение несущественно (< 10% от длины трассы). Сформированный в начале трассы турбулентный слой приводит к многократному увеличению количества локализованных световых каналов в лазерном пучке в режиме его нелинейного распространения в воздухе. Интенсивность излучения в этих каналах достаточно велика для возбуждения двухфотонной флуоресценции, поэтому пучки такой структуры могут быть использованы для зондирования природного и антропогенного аэрозоля.

Проанализированы потоки уходящего теплового излучения (УТИ), полученные с помощью радиационного кода MODTRAN для пяти климатических моделей земной атмосферы и трех значений содержания метана (0,8 ppm - прединдустриальное, 1,8 ppm - современное и 2,5 ppm - прогноз на конец XXI в.), рассчитаны радиационные воздействия CH₄. Наблюдается уменьшение потоков УТИ примерно на 0,15% по сравнению с доиндустриальной эпохой. Пространственно-временные вариации потоков УТИ при современном содержании метана достигают ~ 13%. Из-за роста концентрации метана в атмосфере Земли к настоящему времени относительно его содержания в доиндустриальную эпоху его радиационное воздействие оценивается в пределах от -0,482 до -0,266 Вт/м².

На основе глобальной транспортно-химической модели GEOS-chem проведены оценки вкладов антропогенных и природных эмиссий метана (CH₄) в Северной Евразии (> 40° с.ш.) и на территории России в его приземное содержание на региональных измерительных станциях ZOTTO, Териберка и Тикси в 2007-2018 гг. Результаты модельных расчетов хорошо согласуются c предложенным полуаналитическим решением, основанным на разделении полного вклада (атмосферного отклика) на синоптическую и глобальную компоненты. На временах адвекции, соответствующих синоптическому временному интервалу, среднегодовой вклад антропогенных эмиссий на территории России в содержание метана в ZOTTO (38,6 млрд^-1) более чем в 2 раза превышает вклад эмиссий из источников Западной Европы (17,7 млрд^-1), тогда как для арктических станций влияние российских и европейских источников сопоставимо (19,5 и 12,4 млрд^-1 соответственно). Сравнительно низкий, по сравнению с ZOTTO, вклад континентальных эмиссий в приземное содержание метана и его годовую изменчивость на арктических станциях обусловлен бóльшими временами адвекции из регионов-источников. Близость модельных величин откликов для Териберки и Тикси объясняется сравнительно однородным (циркумполярным) распределением антропогенного и биогенного сигналов в полярных широтах.

Для решения общих и специальных задач наземного мониторинга электрического поля атмосферы необходимо выделение глобальных факторов на фоне локальной изменчивости получаемых данных. Глобальная унитарная вариация потенциала ионосферы, наблюдаемая в суточном ходе электрического поля, искажается за счет электродного эффекта вблизи поверхности земли. Установлено, что структура образующегося электродного слоя сильно зависит от степени турбулентного перемешивания, удельной проводимости воздуха и высоты измерений электрического поля. Для моделирования суточного хода напряженности электрического поля использовано уравнение для полного электрического тока, вытекающее из теории электродного эффекта приземного слоя атмосферы. Результаты проведенных исследований могут быть полезны для решения ряда прикладных задач геофизики, в частности мониторинга электрического поля атмосферы.

Подробно описан метод параллельной регистрации лидарных сигналов - в режиме счета фотонов и режиме накопления заряда - на Сибирской лидарной станции (СЛС) Института оптики атмосферы им. В.Е. Зуева СО РАН. Изготовлен и экспериментально апробирован прибор, реализующий комбинированный метод регистрации лидарных сигналов на уникальном лидаре СЛС. В ходе экспериментальной апробации прибора определены допустимые пределы применения предложенного метода для регулярных измерений вертикального распределения температуры атмосферы на основе лидарных сигналов чисто вращательных спектров спонтанного комбинационного рассеяния (СКР). Сравнение результатов лидарных и спутниковых измерений показывает их хорошее согласие, что доказывает высокую эффективность применения комбинации режимов регистрации и подтверждает возможность получать вертикальное распределение температуры атмосферы с доверительным интервалом (погрешность измерений) 2-4° во всем диапазоне высот работы СКР-лидара СЛС на базе главного зеркала.

На основе анализа FTIR-спектров высокого спектрального разрешения, зарегистрированных на станции атмосферного мониторинга СПбГУ в период 2009-2022 гг., исследована возможность определения тропосферного содержания NO₂ по наземным измерениям прямого солнечного излучения в среднем ИК-диапазоне. Наилучшее согласие (коэффициент корреляции r = 0,68) с одновременными независимыми DOAS-измерениями тропосферного содержания NO₂ на той же станции продемонстрировала методика, основанная на использовании спектрального интервала 2914,30-2914,85 см^-1 в сочетании с регуляризацией Тихонова-Филлипса. Показано, что FTIR-измерения позволяют уверенно детектировать высокие уровни тропосферного содержания NO₂ на станции СПбГУ. Результаты, представленные в работе, могут быть использованы на FTIR-станциях международной сети NDACC, что в дальнейшем позволит значительно расширить географию мониторинга тропосферного содержания NO₂.

Представлен анализ и обобщение результатов исследований турбулентности в пламени и в окрестности очага горения при модельных степных и верховых пожарах в экспериментах, проведенных в период с 2019 по 2022 г. на Базовом экспериментальном комплексе Института оптики атмосферы СО РАН. Получены спектры изменения температуры воздуха и масштабы индуцированной атмосферной турбулентности в окрестности фронта модельного пожара. Установлены диапазоны частот пульсации температуры воздуха, соответствующие инерционному и диссипативному участкам энергетического спектра, для модельного степного пожара. Показано, что диссипативные процессы начинают формироваться на высоте 10 м при волновых числах k таких, что lgk > 1,58 и соответствующей частоте пульсаций ƒ > 3 Гц; на высоте 3 м диссипативные процессы не наблюдаются. При модельном верховом пожаре на высоте 10 м турбулентные процессы в атмосфере соответствуют инерционному участку энергетического спектра, а диссипативные процессы практически не проявляются.

Приводятся результаты измерения спектральной подводной освещенности на различных глубинах в разнотипных внутриконтинентальных пресноводных озерах, включая Камгинский залив оз. Телецкое. Эксперименты проводились в летний и осенний периоды 2018 г. Приведены и описаны характеристики макета созданного устройства для определения спектральной подводной освещенности. В качестве световых селективных элементов использовались интерференционные светофильтры с максимумами пропускания в разных частях видимой области спектра на длинах волн 303, 361, 590 и 656 нм. Обнаружено, что большое количество гниющей на берегах и подтопленной в пелагиали залива Камга хвойной и лиственной древесины, выделяющей фенольные соединения, вызывает значительное ослабление света в поверхностом слое воды на длине волны 361 нм. Показано, что спектральная подводная освещенность существенно зависит от биомассы озерного фитопланктона.