Главная – Журналы – Оптика атмосферы и океана 2026 номер 8

Развитие прецизионных моделей рассеяния света для задач лидарного зондирования земной атмосферы требует надежных данных о поляризационных характеристиках молекул. Однако для ряда ключевых компонентов воздуха такие сведения остаются фрагментарными либо отсутствуют. В настоящей работе методом спонтанного комбинационного рассеяния (КР) света экспериментально определены степени деполяризации Q-ветвей колебательных полос для молекул N₂, O₂, H₂O, CO₂ и CH₄, являющихся основными компонентами атмосферного воздуха. Измерения выполнены с использованием высокочувствительного КР-спектрометра при возбуждении лазером на длине волны 532 нм. Впервые оценены степени деполяризации полос Ферми-триады CO₂, а также обертонов 2ν₂ и 2ν₄ CH₄. На основе полученных данных определены отношения производных инвариантов тензора поляризуемости указанных молекул. Полученные результаты дополняют существующие сведения о поляризационных характеристиках молекул атмосферных газов, необходимые для моделирования процессов рассеяния света в атмосфере Земли.

В настоящей работе исследованы происхождение и эволюция водного аэрозоля в так называемом плазмоиде, который образуется во время высоковольтного разряда над поверхностью воды и представляет собой светящийся сферический объект, рассматриваемый как лабораторный аналог природной шаровой молнии. Лабораторная шаровая молния изучалась не только in situ с использованием бесконтактных методов лазерного зондирования, но и путем отбора проб. Показано, что на стадии свечения плазмоида происходит конденсация водяного пара, образуется среднедисперсный водный аэрозоль, а температура внутри плазмоида снижается как минимум до 100 °C. Установлено, что капли воды внутри плазмоида не светятся, что указывает на газофазный механизм его длительного свечения. Выявлено существование фантома плазмоида, внутри которого можно наблюдать водный аэрозоль после окончания свечения. Можно предположить существование «оболочки», ограничивающей шарообразный объект, не только в момент свечения, но и в течение определенного временного интервала после этого. Определен дисперсный состав аэрозоля, образующегося в результате эрозии центрального электрода во время разряда. Можно утверждать, что длительное свечение является результатом химических процессов в газовой фазе плазмоида и не связано с высокотемпературным нагревом газа внутри плазмоида или со свечением частиц аэрозоля. Полученные результаты позволяют лучше понять природу шаровой молнии и могут быть полезны в области атмосферного электричества, физики плазмы и электрических разрядов.

Углекислый газ - один из основных парниковых газов, динамика концентрации которого обусловлена не только природными процессами, но и антропогенным воздействием. В связи с этим разработка и модернизация устройств и технологии зондирования CO₂ является актуальной прикладной задачей. Представлены результаты разработки мобильного сенсора CO₂, который функционирует на основе метода перестраиваемой диодной лазерной абсорбционной спектроскопии, в полосе поглощения исследуемого целевого газа 1567-1573 нм. Проведена апробация сенсора на горизонтальной трассе зондирования с использованием топографической мишени в климатических условиях лета средних широт. Среднее содержание CO₂ в атмосфере, восстановленное из экспериментально регистрируемых обратно отраженных сигналов, составило 451,03 ppm с отклонением относительно показаний локального газоанализатора на 6,16% при однократном измерении и 428,02 ppm при усреднении на протяжении 120 с. Результаты работы могут быть полезны для изучения динамики содержания CO₂ в атмосфере, а также мониторинга антропогенных выбросов от промышленных предприятий.

В последние десятилетия на фоне глобального потепления все чаще наблюдаются региональные аномалии, такие как режим «теплая Арктика - холодная Евразия» (ТАХЕ), механизмы формирования которого недостаточно изучены. Настоящая работа посвящена установлению причин этой аномалии. Анализ взаимодействия стратосферы и тропосферы показал, что аномалия ТАХЕ возникла во второй половине февраля 2024 г. синхронно с ослаблением стратосферного полярного вихря (СПВ) и внезапным стратосферным потеплением (ВСП). Выяснено, что влияние процессов, связанных с ослаблением СПВ, на тропосферные аномалии проявляется не только после, но и в ходе самих ВСП. Интенсивный стратосферно-тропосферный обмен, характерный для этих событий, способен вызывать одновременные локальные и продолжительные похолодания над Сибирью, что подтверждается как результатами расчета потоков волновой активности на основе данных реанализа, так и данными инструментальных наблюдений, полученных в ходе самолетного зондирования. Доказано, что взаимодействие между тропосферой и стратосферой играет важную роль в формировании и усилении климатических аномалий, таких как ТАХЕ, в зимний период. Результаты работы могут быть полезны для совершенствования долгосрочного прогнозирования экстремальных зимних похолоданий в Евразии, а также развития климатических моделей, учитывающих стратосферно-тропосферные взаимодействия и их вклад в формирование аномалий типа «теплая Арктика - холодная Евразия».

Продолжающееся глобальное потепление требует повышенного внимания к динамике концентраций парниковых газов в атмосфере, которая недостаточно изучена. В настоящей работе рассматривается изменчивость концентраций CO₂ и CH₄ на мезомасштабном уровне α (200-2000 км). Для анализа были использованы ежечасные данные наблюдений за 2013-2017 гг., полученные на шести станциях сети мониторинга парниковых газов JR-STATION, которая была создана в рамках российско-японского научного сотрудничества. Представлены результаты анализа абсолютных значений разности ежечасных концентраций (| ΔСО₂ | и | ΔСН₄ |) между соседними пунктами наблюдений. Показано, что средние многолетние | ΔСО₂ | могут изменяться от 3,8 до 4,5 млн^-1, а | ΔСН₄ | - от 47 до 105 млрд^-1. Градиенты концентрации СО₂ на территории Западной Сибири на мезомасштабном уровне α равны 0,006-0,007 млн^-1/км, а СН₄ - 0,077-0,179 млрд^-1/км, что значительно ниже, чем на более мелких масштабах β (20-200 км) и γ (2-20 км). В годовом ходе средние многолетние минимальные абсолютные разности концентраций CO₂ наблюдаются между всеми станциями в марте - апреле, максимальные в июне - августе. Минимальные значения составляют ~ 2 млн^-1, а максимальные достигают 6-9 млн^-1. В суточном ходе максимум средних многолетних абсолютных разностей концентраций СО₂ и СН₄ приходится на темное время суток, а минимум - на светлое и меняется в течение года. С октября по апрель разности практически отсутствуют. Они начинают проявляться в мае в ночное время, достигая пиковых значений в июле и августе, в сентябре они снижаются. Полученные результаты расширяют представления о динамике парниковых газов в атмосфере на мезомасштабном уровне a и могут быть полезны при разработке требований к точности измерений, а также при масштабировании расчетов их баланса в атмосфере.

В условиях современного изменяющегося климата представляет интерес комплексная оценка связи солнечной активности с грозовой. В работе анализируется многолетняя динамика грозовой активности в Иркутской области на основе данных сети метеостанций «Иркутского УГМС» и ее связи с солнечной активностью. Установлено, что многолетняя динамика количества дней с грозой в год не имеет статистически значимого тренда, демонстрируя устойчивость на фоне глобального потепления, а пространственное распределение количества дней с грозой согласуется с физико-географическими условиями: максимум отмечается в горных районах, а минимум - на севере области. Модифицированный индекс F 10.7 (модуль центрированных вариаций) показал статистически значимую положительную корреляцию с многолетней динамикой количества дней с грозой для метеостанций, расположенных в Верхнеленских районах и на о. Ольхон. Полученные результаты расширяют понимание механизмов влияния солнечной активности на атмосферные процессы и подчеркивают необходимость учета региональных особенностей при оценке влияния солнечной активности на климат.

Рост концентрации парниковых газов, таких как СО₂ и СН₄, в атмосфере приводит к увеличению парникового эффекта и влияет на климат. Одной из характеристик парникового эффекта является радиационный форсинг атмосферных газов, который определяют как разность потоков длинноволнового излучения в атмосфере при изменении концентраций этих газов, при условии, что все остальные параметры атмосферы постоянны. С 1990 по 2023 г. радиационный форсинг парниковых газов, вызванный увеличением их концентрации с доиндустриального периода (1750 г.), возрос более чем на 50%. Представлены результаты влияния вариаций содержания водяного пара в атмосфере на радиационный форсинг СО₂ и СН₄, характерных для условий лета и зимы юга Западной Сибири. Проведены расчеты длинноволновых потоков ИК-излучения на основе данных аэрологического зондирования атмосферы на метеостанции г. Новосибирска за 10 лет. Показано, что максимальный радиационный форсинг СО₂ по абсолютной величине наблюдался на верхней границе тропосферы. Летом он примерно на 50% выше, чем зимой. Радиационное воздействие СН₄ на этом уровне по высоте составило ~ 12% от форсинга CO₂. Знак форсинга отрицательный, что указывает на нагрев тропосферы. На верхней и нижней границах атмосферы радиационный форсинг СО₂ и СН₄ снижается при увеличении атмосферного содержания водяного пара, что вызвано перекрыванием полос поглощения и континуума Н₂О с полосами поглощения СО₂ и СН₄. Вклад континуального поглощения Н₂О в радиационный форсинг СО₂ на нижней границе атмосферы возрастает с 30 до 70% при увеличении общего содержания Н₂О в столбе атмосферы с 1 до 4 г/см². Для зимних условий с низким содержанием водяного пара средний радиационный форсинг СО₂ на нижней границе атмосферы увеличился более чем в 1,5 раза по сравнению с летними условиями, что приводит к дополнительному нагреву поверхности. Результаты работы могут представлять интерес для специалистов в области метеорологии и экологии.

Одна из важнейших проблем современного города - обеспечение чистого воздуха. Для решения этой задачи реализуется множество дорогостоящих мероприятий. В работе представлены результаты численного моделирования распространения диоксида азота в атмосфере городов Кемерово и Астрахань до и после реализации мероприятий по модернизации транспортной инфраструктуры. Данные о валовых выбросах диоксида азота транспортными средствами с участков городских автодорог были получены в результате их натурного обследования в рамках федерального проекта «Чистый воздух». В исследовании использовался модельный комплекс, состоящий из модели циркуляции атмосферы WRF-ARW и химико-транспортной модели CHIMERE. Одним из важных результатов является подтверждение снижение концентраций диоксида азота в исследуемых городах: максимальное снижение было зафиксировано в Астрахани (на 55,3%). Показано, что влияние сокращения валовых выбросов диоксида азота на качество приземного воздуха в городской черте зависит от специфических географических и метеорологических условий, определяющих процессы переноса, рассеивания и химические реакции в атмосфере. Для городов, расположенных в котловинах, эффективны локальные меры по сокращению выбросов, а для приморских городов необходимы меры по регулированию транзитных транспортных потоков. Результаты работы демонстрируют, что применение химико-транспортных моделей на этапе планирования модернизации транспортной инфраструктуры позволяет количественно оценить вклад каждого мероприятия в сокращение выбросов.

Точное измерение интенсивности сильных осадков представляет собой значительную проблему, особенно в контексте радиолокационных исследований. Применение поляризационных радиолокаторов открывает новые возможности для решения этой задачи. В настоящем исследовании проведен сравнительный анализ результатов измерений интенсивности сильных осадков, полученных с помощью стандартного радиолокационного метода и нового метода, который основан на измерении удельной дифференциальной фазы. Измерения выполнялись с помощью радиолокатора ДМРЛ-С и весовых осадкомеров Pluvio² 200 в г. Санкт-Петербурге и Ленинградской области 01.07.2023 г. Для расчета интенсивности осадков ( R ) по радиолокационным данным использовались Z _h- R -соотношения ( Z _h - отражаемость при горизонтальной поляризации сигнала), основанные на уравнениях Маршалла-Пальмера, а также измерения удельной дифференциальной фазы ( K _dp). Результаты сравнивались с измерениями сети осадкомеров. При расчете интенсивности осадков с помощью K _dp отмечается высокая корреляция с данными осадкомеров, в то время как при использовании Z _h- R -соотношения корреляция отсутствует. По данным осадкомеров средняя интенсивность осадков в рассматриваемый день составила 52 мм/ч, а максимальная достигала 186 мм/ч. Результаты работы могут быть использованы для усовершенствования методики измерения сильных осадков, а также для оценок потоков наиболее сильных осадков в северо-западном регионе РФ.

Одной из сложных проблем мониторинга различных природных и технологических объектов является задымленность оптической трассы и появление на ней пламени. В работе представлены результаты экспериментальных исследований оптических характеристик пламени и его влияния на регистрацию экранированных им объектов. На основе данных, полученных разными методами: ИК-термография, измерение спектров излучения, анализ характеристик прозрачности атмосферы (молекулярное поглощение и рассеяние аэрозолями (дымы, туман)), показано, что для мониторинга объектов, экранированных от наблюдателя слоем пламени, дыма или тумана, оптимальным является спектральный интервал 3,7-3,9 мкм, в котором влияние пламени и атмосферы на распространение ИК-излучения минимальное, а дифракционное разрешение, определяющее дистанцию и минимальный размер регистрируемого объекта, оптимальное. Результаты работы могут использоваться в технологических процессах контроля поверхностей, экранированных пламенем, а также при борьбе с природными и техногенными пожарами.

Перистые облака покрывают значительную часть земной поверхности и сильно влияют на радиационный баланс и климат. Для расчета пропускания солнечной радиации облачностью необходим контроль оптической толщины облаков, оптимальным для которого является лидарное зондирование. Представлены результаты сравнения двух лидарных методик определения оптической толщины τ перистых облаков с использованием сигналов упругого или комбинационного рассеяния. Обе методики основаны на регистрации сигналов от чистой атмосферы до и выше облака, но использование упругого рассеяния связано с погрешностями, вызванными возможным присутствием подоблачных или надоблачных аэрозольных слоев. Проведено сопоставление методики при обработке экспериментальных реализаций, оценены погрешности определения оптической толщины. Показано, что отклонения при восстановлении оптической толщи по сигналам упругого рассеяния могут достигать Δτ ≈ 0,5 при зондировании облаков с τ > 2. При τ ≤ 1 коэффициент корреляции между данными двух методик составляет 0,94, что позволяет использовать доступные и в дневное время измерения сигналов упругого рассеяния для оценки оптических толщин перистых облаков. Результаты работы могут применяться при разработке лидарных систем зондирования облачности верхнего яруса.