Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2023 номер 11

Простые изотопические соотношения, связывающие уровни энергии изотопологов ³²S¹⁶O₂, ³³S¹⁶O₂ и ³⁴S¹⁶O₂ с уровнями других изотопопроизводных, применены для колебательно-вращательных уровней энергии. Для оценки точности изотопического соотношения проведен расчет и сравнение с измеренными центрами линий микроволнового спектра изотополога ³⁶S¹⁶O₂. Сравнение показало их вполне удовлетворительное согласие в среднем на уровне 10^-4 см^-1. Представлены колебательно-вращательные уровни энергии изотопологов двуокиси серы ^X S¹⁶O₂, X = 35-38, до J = 9 для пяти нижних колебательных состояний.

Для оценки состояния воздушной среды центральной части арктической зоны России изучен химический состав аэрозоля в атмосфере научно-исследовательского стационара «Ледовая база „Мыс Баранова“» (арх. Северная Земля), отобранного на фильтры в 2017-2022 гг. Проанализирована межгодовая и сезонная динамика ионов и микроэлементов в составе аэрозоля. Прослежено увеличение в 1,5 раза средней годовой суммы ионов, рост которой происходил в основном за счет ионов морского происхождения Nа⁺ и Cl^- с минимальным содержанием летом и высоким - зимой. Изменчивость концентрации ионов неморского происхождения NH₄⁺, K⁺, Ca²⁺, F^-, NO₂^- и NO₃^- отличалась от сезонного хода концентрации ионов Nа⁺ и Cl^- и заключалась в снижении при переходе от зимнего сезона к весеннему и росте летом с последующим снижением осенью на фоне увеличения суммы ионов за счет ионов морского происхождения. Формирование ионного состава аэрозоля зависело от переноса воздушных масс, влияния подстилающей поверхности и поступления дымов от лесных пожаров. Среди микроэлементов преобладали Fe, Al, Zn, Mn, Sn, Cr, Cu с высокими концентрациями осенью и зимой. На основе коэффициентов обогащения выделены элементы терригенного (Al, Ti, Mn, Fe, Th, U), смешанного терригенного и нетерригенного (Li, Be, V, Co, Sr, Ba) и нетерригенного происхождения (Ni, Cu, Zn, Cr, Mo, W, Ag, Tl, Pb, As, Se, Cd, Sn, Sb). В зимний и осенний периоды среди терригенных элементов наибольший вклад в загрязнение воздуха вносили Fe и Mn, весной и летом Fe и Be. Среди нетерригенных элементов во все сезоны повышенный вклад вносили Cu, Sn, Zn, Se и Ni. Согласно комплексному индексу загрязнения атмосферы, уровень загрязнения воздуха в районе стационара "Ледовая база "Мыс Баранова"" микроэлементами низкий.

Исследована временная изменчивость микрофизических параметров пиролизного дыма, восстановленных при обращении характеристик аэрозольного рассеяния и ослабления. В дымовом аэрозоле, полученном в результате термического разложения древесины сосны в режиме низкотемпературного пиролиза в Большой аэрозольной камере ИОА СО РАН, проведены измерения поляризационных индикатрис рассеяния и спектральных коэффициентов ослабления. С помощью разработанного алгоритма обращения данных оптических измерений восстановлены микроструктура и комплексный показатель преломления пиролизного дыма. В качестве анализируемых параметров микроструктуры рассматривались объемная концентрация и средний радиус частиц с разделением на субмикронную и грубодисперсную фракции. Исследована временная изменчивость микрофизических параметров дымового аэрозоля в течение 65 ч. Установлено, что вещественная часть показателя преломления находится в окрестности n = 1,55, мнимая часть заключена в интервале 0,007 < k < 0,009. Средний радиус субмикронных частиц изменяется в узком диапазоне 0,137-0,146 мкм. В процессе старения дыма средний радиус частиц суммарного ансамбля монотонно возрастал от 0,19 до 0,6 мкм преимущественно за счет относительного увеличения содержания грубодисперсного аэрозоля. Данные о комплексном показателе преломления и размерах дымовых частиц важны для оценки радиационного форсинга аэрозоля, совершенствования климатических моделей и алгоритмов оптического дистанционного зондирования.

Настоящая статья продолжает цикл исследований состава воздуха над морями Российского сектора Арктики в сентябре 2020 г. Анализируется пространственное распределение следующих малых газовых составляющих: оксида углерода (СО), озона (О₃), оксида и диоксида азота (NO, NO₂) и диоксида серы (SO₂). Показано, что концентрация О₃ изменялась в приводном слое (высота 200 м) в диапазоне 18-36 млрд^-1, СО - 60-130 млрд^-1, NO - 0,005-0,12 млрд^-1, NO₂ - 0,10-1,00 млрд^-1 и SO₂ - 0,06-0,80 млрд^-1. Над акваториями большинства морей распределение газов по площади было неоднородным, что, скорее всего, обусловливается различиями в поглощении их океаном и особенностями переноса с континента.

В настоящее время все большее беспокойство вызывает поведение озона в Арктике, аномалии которого происходят в среднем раз в пять лет. Последнее, рекордное понижение уровня озона в стратосфере Арктики зафиксировано в марте-апреле 2020 г. В феврале 2022 г. разрушение озона развивалось по сценарию, близкому к озоновой аномалии 2020 г. Как и в 2020 г., в 2022 г. после возвращения солнечного освещения в Арктику значительно выросло отношение смеси ClO, которое можно рассматривать в качестве надежного показателя разрушения озона. Однако дальнейшее разрушение было остановлено в результате внезапного мажорного стратосферного потепления 20 марта. В работе используются данные измерений общего содержания озона (ОСО) за 2003-2022 гг. из сервиса TEMIS, а также профили температуры воздуха и отношений смеси озона за 2005-2022 гг. и оксида хлора за 2020-2022 гг. из измерений Aura MLS. Рассмотрены следующие пункты: Эврика (Канада), Ню-Олесунн (Норвегия), Резольют (Канада), Туле (Гренландия). Выявлена зависимость между содержанием озона и оксида хлора. Высокая корреляция колебаний рассматриваемых параметров на приблизительно одинаковых высотах регистрации, а также значений общего содержания O₃ и ClO говорит об их тесной взаимосвязи. Результаты позволяют использовать концентрацию и общее содержание ClO в качестве индикаторов разрушения озона в стратосфере Арктики.

Атмосферные волны вызывают повышенный интерес среди ученых в связи с обменными процессами, происходящими в пограничном слое. В настоящей работе представлены экспериментальные результаты зондирования турбулентным лидаром УОР-4 (532 нм) мезомасштабных волн Кельвина-Гельмгольца в устойчиво стратифицированном пограничном слое атмосферы. Атмосферные волны в большинстве случаев наблюдались в вечернее и ночное время в интервале высот от поверхности земли до 600 м, когда число Ричардсона в приземном слое не превышало критического значения +1/4. Фурье-анализ временных рядов структурной характеристики коэффициента преломления C_n² показал, что спектр волнового процесса в пограничном слое атмосферы состоит из набора монохроматических волн с разными частотами колебаний. Во время наблюдений период волн изменялся от 1 до 11 мин, а их амплитуда - от 20 до 300 м. Выяснено, что монохроматические волны существуют от получаса до двух часов. Исчезновение одних монохроматических волн компенсируется возникновением новых. Генерирование мелкомасштабной турбулентности происходит на протяжении всего жизненного цикла волны Кельвина-Гельмгольца. Результаты экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что турбулентный лидар представляет собой чувствительный прибор, позволяющий дистанционно обнаруживать и наблюдать атмосферные волны.

Представлены результаты исследования одиночного грозового облака, которое развивалось в ночное время вблизи побережья Финского залива. С использованием трех метеорологических радиолокаторов, двух грозопеленгационных систем и трехмерной численной модели изучены физические процессы, которые обусловили его электризацию. Показано, что первая молния возникла в период, когда в верхней части облака имелась небольшая область, содержащая частицы крупы. Важнейшую роль в формировании этой области и микроструктуры облака оказали восходящие потоки, что показано как по данным радиолокационных наблюдений, так и численного моделирования. Дальнейшее усиление грозовой деятельности было связано с увеличением объема облака с крупой и градом. Анализ величины заряда отдельных облачных фракций по результатам численного моделирования показал, что градины являлись основными носителями отрицательного заряда.

Исследовано влияние относительной влажности воздуха на свойства плазменных диффузных струй (ПДС), инициируемых емкостным разрядом при давлении 0,03-1 торр, которые являются аналогами столбчатых спрайтов. Для этого ПДС фотографировались при различных давлениях, а также регистрировались спектры излучения в УФ-, видимой и ИК-областях. Показано, что снижение относительной влажности воздуха при давлении менее 0,1 торр способствует сохранению красного цвета ПДС. Оценка среднего количества красных и синих пикселей на фотографиях подтверждает данный результат. Установлено, что увеличение приведенной напряженности электрического поля вызывает изменение цвета и спектра ПДС за счет роста интенсивности излучения полос первой отрицательной системы азота.

С целью исследования временных вариаций концентраций углеродсодержащих газов, а также выявления влияющих на них факторов был проведен анализ локальных измерений концентраций СО₂, СН₄ (январь 2013 г. - январь 2020 г.) и СО (январь 2013 г. - январь 2019 г.) в атмосферном воздухе на станции мониторинга СПбГУ. В анализе учитывались тренд и сезонные осцилляции. Линейные тренды СО₂, СН₄ и СО, которые составили 2,42 ppm/год (0,60%); 8,6 ppb/год (0,49%); -3,8 ppb/год (-2,2%) соответственно, хорошо согласуются с независимыми оценками как глобальных/фоновых изменений, так и изменений на урбанизированных территориях. Анализ эмиссионного соотношения СО/СО₂ подтвердил, что доминирующим антропогенным источником, влияющим на состав атмосферного воздуха в районе станции мониторинга СПбГУ, является автотранспорт. Результаты, представленные в работе, могут быть использованы для валидации атмосферных моделей, а также для независимых оценок потоков парниковых газов.

Полярные вихри играют существенную роль в распределении стратосферного озона, движении воздушных масс в полярной и субполярной стратосфере и температурном режиме над полярной областью. Антарктический полярный вихрь формируется осенью, достигая пика своей устойчивости в начале весны. Поздней весной, когда он ослабевает, усиливается влияние на него нижней субтропической стратосферы. В данной работе рассмотрена роль изменений температуры нижней субтропической стратосферы в усилении антарктического полярного вихря. С помощью корреляционного анализа на основе данных реанализа ERA5 выявлено существенное увеличение влияния незначительных изменений температуры нижней субтропической стратосферы на динамику антарктического полярного вихря во второй половине ноября.

Настоящая работа продолжает цикл экспериментальных исследований флуктуаций параметров оптических волн на протяженных трассах. Изучаются возможности применения системы адаптивной оптики для фокусировки лазерного излучения на протяженных трассах в атмосфере. Представлена и описана система адаптивной оптики, входящей в состав гибридной системы, обеспечивающей фокусировку лазерного пучка излучения на протяженной атмосферной трассе. Система фокусировки на основе датчика волнового фронта Шэка-Гартмана, деформируемого управляемого зеркала и корректора наклонов волнового фронта реализует алгоритм фазового сопряжения по сигналу от точечного опорного источника. Полученные результаты показывают как возможности, так и ограничения для эффективной работы системы на протяженной турбулентной трассе.

Предложен и реализован оригинальный способ накачки импульсного CO₂-лазера продольным разрядом в переменном магнитном поле. На основе предложенного метода разработан малогабаритный CO₂-лазер с длиной активной среды ~ 200 мм, энергией в импульсе ~ 30 мДж и КПД 3,4%. Выявлено, что основной причиной, ограничивающей энергию генерации малогабаритных лазеров, является развитие токовых неустойчивостей в продольном разряде по сечению разрядной трубки. Отмечается, что рост неустойчивостей ускоряется с ростом давления газовой смеси СО₂ : N₂ : H₂ : He выше 0,1 атм и удельной мощности накачки выше 3 МВт/см³. Использование внешнего переменного магнитного поля, наложенного на импульсный продольный разряд, позволяет повысить общее давление газовой смеси в лазере до 0,4 атм, при сохранении горения объемного разряда.