Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2025 номер 4

Увеличение пропускной способности каналов отпической связи с помощью амплитудной и фзовой модуляции практически достигло предела. Актуальной задачей является увеличение информационной емкости каналов передачи данных посредством использования орбитального углового момента (ОУМ) лазерных пучков для кодирования информации. Данный подход в атмосферно-оптических системах связи ограничен искажающим влиянием атмосферной турбулентности, затрудняющим декодирование и снижающим скорость передачи данных. Распределения интенсивности вихревых пучков с противоположными по знаку ОУМ в случае однородных сред являются тождественными, что ограничивает использование знака ОУМ для кодирования информации. Оцениваются принципиальные возможности применения нейронных сетей для распознавания противоположных по знаку ОУМ вихревых пучков в турбулентной атмосфере по картинам распределений интенсивности. Исследование выполнено на основе численного моделирования распространения пучков Лагерра-Гаусса в турбулентной атмосфере и использования полученных картин распределений интенсивности для обучения и тестирования нейронных сетей. Впервые показано, что применение нейронных сетей позволяет распознавать противоположные по знаку ОУМ по картинам распределений интенсивности в случае распространения пучков Лагерра-Гаусса в турбулентной атмосфере с точностью более 90%. Полученные результаты могут быть полезны разработчикам и исследователям атмосферно-оптических систем передачи информации, использующих ОУМ вихревых пучков.

Для формирования плазменных антенн в различных радио- и телекоммуникационных устройствах необходимо увеличить время релаксации очагов лазерного пробоя. С целью решения этой проблемы рассмотрены процессы, протекающие в аэродисперсных средах, содержащих твердые микрочастицы, при взаимодействии с лазерным излучением. Проанализированы времена распада плазмы с аэрозольными частицами при воздействии наносекундным и микросекундным лазерными импульсами. Оценено влияние электронной оболочки вокруг твердых микрочастиц на создание сплошной зоны ионизации в аэрозольной атмосфере, формирующейся за счет перекрытия плазменных ореолов вокруг микрочастиц. Рассмотрены условия, необходимые для создания длинного ионизованного канала, образованного очагами пробоя при взрывном испарении атмосферных микрочастиц в зоне воздействия наносекундного импульса СО₂-лазера, и дальнейшего поддержания образовавшейся плазмы излучением микросекундного лазера. На основании выполненных оценок разработана схема экспериментальной установки для создания длинного ионизованного канала в аэрозольной атмосфере. Результаты исследований могут быть использованы при формировании в атмосфере каналов беспроводной связи.

Важная роль диоксида серы (SO₂) в зимне-весенней стратосфере Арктики заключается в том, что серные соединения SO₂ и H₂SO₄ (наряду с азотной кислотой HNO₃) являются основным строительным материалом при образовании полярных стратосферных облаков (ПСО). Исследуются максимальные концентрации и общее содержание SO₂ в четырех арктических пунктах: Эврика (Канада), Ню-Олесунн (Норвегия), Туле (Гренландия), Резольют (Канада). Для этого используются минимальная температура воздуха, максимальное отрицательное отклонение концентрации озона от многолетнего среднего и максимальная концентрация диоксида серы в стратосфере Арктики, а также общее содержание озона и диоксида серы, рассчитанные на основе их высотных профилей. Профили температуры и отношений смеси озона получены из наблюдений Aura MLS за 2005-2022 гг.; профили отношений смеси диоксида серы рассчитаны по данным наблюдений Aura MLS за 2010/11, 2019/20, 2020/21, 2021/22 гг. Результаты работы могут быть полезны для исследования влияния SO₂ на образование полярных стратосферных облаков и разрушение O₃ в зимне-весенней стратосфере Арктики.

Одной из актуальных экологических задач на сегодняшний день является мониторинг нефтяных загрязнений земной поверхности. Статья посвящена экспериментальному исследованию гиперспектрального метода обнаружения загрязнений нефтепродуктами земной поверхности в ближнем ИК-диапазоне. Приведены результаты измерений на созданной лабораторной установке коэффициента спектральной яркости образцов почв, загрязненных различными типами нефтепродуктов, в спектральном диапазоне 1,6-2,5 мкм. Исследовано влияние влажности почв и осадков на вид спектров отражения почв (различные вида песка и почвы из лесных и парковых зон), загрязненных нефтепродуктами (товарная нефть Московского и Рязанского НПЗ, керосин, газовый конденсат, различные марки бензина, моторных масел и дизельного топлива). Показано, что спектральные «провалы» около 1,73 и 2,3 мкм (характерные для почв, загрязненных нефтепродуктами) в большинстве случаев остаются в спектрах отражения в условиях умеренно влажной почвы, умеренного «дождя» и даже сильного «дождя». Результаты работы созданной нейронной сети показывают, что для 14 спектральных каналов с разрешением 10 нм в диапазоне 1,6-2,4 мкм вероятность обнаружения нефтяных загрязнений земной поверхности в условиях умеренно влажной почвы и умеренного «дождя» больше 99%, а при сильно влажной почве и сильном «дожде» - более 88%. Результаты исследования могут быть использованы при разработке систем дистанционного мониторинга утечек из нефтепроводов.

Полярный стратосферный вихрь в Северном полушарии Земли в зимний период значительно варьирует от года к году. Эти вариации периодически приводят к возникновению внезапных стратосферных потеплений (ВСП). Такие события значительно меняют циркуляцию и химический состав полярной стратосферы. На основе данных реанализа ERA5 проведено исследование колебаний полярной стратосферы Северного полушария с 1979 по 2023 г. На основе метода текущих спектров исследована изменчивость периодичности волновых процессов в полярной стратосфере для разных временных промежутков. В качестве основного индикатора волновых свойств стратосферы используется поле вертикальной компоненты скорости ветра в области между 60 и 90° с.ш. Показано, что в отдельные годы колебания стратосферы совпадают по периоду или находятся вблизи периодов главных волн (двухнедельного и месячного) лунного гравитационного прилива. Обсуждаются причины и следствия такой синхронизации колебательных процессов в стратосфере с лунным гравитационным приливом. Результаты исследования позволяют лучше понять механизмы формирования и протекания ВСП, а также изучить прогнозирование таких событий.

Работа направлена на заполнение «белого пятна» на глобальной карте измерений характеристик турбулентного энергообмена. Оценивается опыт создания региональной системы мониторинга турбулентного энергообмена атмосферы с подстилающей поверхностью. Разработана оригинальная технология построения наблюдательной сети на базе ультразвуковых автоматических метеостанций отечественного производства. На ее основе развернута система TomskFluxNet - первая городская сеть наблюдений за характеристиками турбулентного энергообмена атмосферы с поверхностью в Северной Евразии с выраженным континентальным климатом. Получены первые экспериментальные результаты, на основе которых выявлены значительные различия турбулентных потоков тепла и импульса над городской и природной подстилающей поверхностью. Полученные данные могут быть использованы для проверки и совершенствования параметризаций городской поверхности, которые активно развиваются в моделях системы «Земля - атмосфера», и прогноза погоды.

В 2023 г. более трети опасных метеорологических явлений в Сибирском федеральном округе были связаны с сильным ветром, что подчеркивает важность повышения точности и заблаговременности его прогнозирования. Современные методы численного моделирования и машинного обучения позволяют улучшить прогнозы, однако задача прямого расчета порывов ветра остается актуальной из-за ограниченного разрешения моделей. Предлагается оригинальный метод коррекции результатов краткосрочного прогноза порывов ветра, полученных на основе мезомасштабных моделей численного прогноза погоды, с помощью заблаговременных измерений и применения искусственных нейронных сетей. Результаты показали, что предложенный способ коррекции позволяет улучшить прогноз порывов ветра, выполняемый по различным полуэмпирическим методикам. Результаты могут быть применены в метеорологии, энергетике, транспорте и других отраслях для минимизации ущерба от опасных погодных явлений.

Двухимпульсный синхронный метод возбуждения, используемый для дистанционной лазерной диагностики вещества, в последнее время вызывает огромный интерес, поскольку позволяет существенно расширить возможности традиционных методов одноимпульсного лазерного воздействия. Однако для практической реализации метода необходимы точная синхронизация моментов посылки последовательности лазерных импульсов и возможность автоматизированного контроля их временного положения. Очевидно, что двухимпульсная схема возбуждения требует усложнения аппаратуры и затрудняет применение метода. Стандартные средства синхронизации и контроля дорогие, громоздкие и не всегда применимы. Представлена специализированная система синхронизации лазерных импульсов с возможностью регистрации формы и положения импульсов возбуждающего излучения с последующим отображением их на единой временной шкале. Приведена структурная схема и технические характеристики устройства. Продемонстрирована ее работа в составе исследовательского стенда по дистанционному лазерному обнаружению фосфорорганических соединений двухимпульсным методом лазерной фрагментации лазерно-индуцированной флуоресценции. Разработанная система синхронизации может использоваться в оптических методах диагностики, предполагающих синхронное воздействие двух или более независимых лазерных источников, с возможностью установки и контроля временнóй задержки между их импульсами излучения.

Фотодиссоционные лазеры на парах галоидов щелочных металлов излучают на первых резонансных переходах атомов. Это позволяет использовать такие лазеры для дистанционного зондирования металлов в газовых средах методом поглощения и резонансной флуоресценции. В настоящей работе рассмотрены общие принципы и механизмы создания инверсии на резонансных переходах атомов щелочных металлов при фотодиссоциации молекул их галогенидов. Систематизированы данные о длинах волн на первых резонансных переходах атомов щелочных металлов (Li, Na, К, Rb, Cs). Определены основные процессы, отвечающие за формирование спектрального контура резонансных линий генерации фотодиссоционных лазеров. Отмечаются некоторые особенности применения таких лазеров для зондирования газовых сред. Результаты работы могут использоваться при исследовании фотодиссоционного способа генерации вынужденного излучения на первых резонансных переходах атомов щелочных металлов.

Особенность фотодиссоционных лазеров, генерирующих на первых резонансных уровнях атомов щелочных металлов, заключается в том, что они могут использоваться для дистанционного зондирования металлов в химических и атмосферных приложениях. В представленной работе реализованы фотодиссоционные лазеры на первых резонансных переходах атомов щелочных металлов Na (λ = 589,6 нм) и K (λ = 766,5 нм) с оптической накачкой излучением на длине волны λ_н = 212,8 нм пятой гармоники АИГ:Nd³⁺-лазера. Для фотодиссоциации были выбраны иодиды и бромиды натрия и калия. Результаты работы будут полезны при исследовании характеристик фотодиссоционных лазеров на парах галоидов щелочных металлов.

Актуальность теоретических исследований, нацеленных на поиск возможностей увеличения эффективности генерации второй гармоники (ГВГ) лазеров видимого диапазона спектра, связана с широким использованием УФ-излучения для решения различных научно-производственных задач. Представлены результаты сравнения трех наиболее используемых на практике способов реализации указанных процессов: ГВГ(Л) - лазерное излучение (ЛИ) заводится в кристалл непосредственно (без использования дополнительной оптики), ГВГ(Ф) - ЛИ фокусируется в кристалл сферической линзой и ГВГ(Т) - перед попаданием в кристалл ЛИ сжимается линзовым (или зеркальным) телескопом. Показано, что во всех трех случаях максимальная эффективность ГВГ достигается при оптимальных поперечных размерах ЛИ в кристалле, которые зависят от формы амплитудного профиля ЛИ в поперечном сечении. Когда ГВГ осуществляется в близких к оптимальным условиях, наиболее эффективным оказывается ГВГ(Ф). В ситуациях, когда поперечные размеры ЛИ в кристалле должны быть заметно больше оптимальных размеров, процесс ГВГ(Ф), наоборот, наименее эффективен. Показано, что выигрыш в эффективности ГВГ, который обеспечивает замена длиннофокусной линзы подходящим телескопом, по мере роста поперечных размеров ЛИ в кристалле и для супергауссовых пучков может превышать 100%. В первой части настоящей работы все результаты получены с использованием приближения заданного поля. Уточненные результаты (при строгом решении системы нелинейных волновых уравнений) будут представлены во второй части. Результаты исследования могут быть полезны при разработке эффективных преобразователей частоты излучения лазеров на парах металлов.