Физики нашли способ дистанционно и точно измерять температуру в Арктике

Данные исследования помогут развитию технологий дистанционного измерения миграции теплоты-энергии в труднодоступных районах, таких как Арктика, где средняя температура растёт вдвое быстрее, чем в целом на планете.

2 977

Российские учёные из НИТУ «МИСиС», МФТИ и ИОФ РАН исследовали эффективность различных бесконтактных методов измерения температуры воды и её вариации (профиля) по глубине по спектральному отклику. Соответствующая статья была опубликована в журнале Optics Letters. Был проведён анализ четырёх способов обработки спектров рассеяния с использованием ранее опубликованных данных. Наиболее оптимальный из них, который был предложен, разработан и защищён Патентом России самими авторами, показал точность в 0,15 градуса Цельсия. Данные исследования помогут развитию технологий дистанционного измерения температуры в поверхностном слое океана и, следовательно, миграции теплоты-энергии в труднодоступных районах, таких как Арктика, где средняя температура растёт примерно вдвое быстрее, чем в целом на планете.

 

Рамановское рассеяние. Иллюстрация пресс-службы МФТИ, автор Елена Хавина

 

Основой для исследования стало комбинационное рассеяние (КР)  явление, открытое в 20-е годы прошлого века. Его суть заключается в том, что при взаимодействии со средой и рассеянии световая волна модулируется молекулярными колебаниями среды, что приводит к появлению в рассеянном излучении новых длин волн, или, в обывательском понимании, другого цвета. В зарубежной научной литературе комбинационное рассеяние носит название эффекта Рамана — по имени его открывателя, нобелевского лауреата из Индии, а исследования с использованием комбинационного рассеяния называют рамановской спектроскопией.

 

«Дистанционное измерение температуры воды в условиях быстротекущей смены климата  очень важная задача. Однако используемые методы радиометрии допускают ошибку порядка половины градуса. Методы спектроскопии КР позволят существенно повысить точность измерений»,  утверждает Михаил Гришин, один из авторов исследования, аспирант МФТИ, сотрудник лаборатории лазерной спектроскопии Научного центра волновых исследований Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН.

 

В ходе эксперимента учёные облучали воду импульсным лазером, а затем изучали рассеянный в обратном направлении свет с помощью спектрометра. В зависимости от температуры спектральная полоса КР воды изменяла форму и положение. Учёным необходимо было проверить, можно ли выделить достаточно точную зависимость между отдельными параметрами полосы и температурой воды.

 

Рис. 1. Спектр комбинационного рассеяния при разных температурах (слева); разбиение подграфика на площади, один из четырёх методов анализа спектра КР (справа)

 

В качестве таких параметров использовались площади отдельных частей под графиком (см. Рис. 1), положение максимума огибающей полосы, разность между пиковыми значениями интенсивности при различных температурах. Между всеми вышеперечисленными параметрами и температурой была выявлена зависимость, но с разной степенью точности: от 0,15 до 0,6 градуса Цельсия. Статистический анализ данных эксперимента показал, что наиболее точная зависимость прослеживается именно между длиной волны максимума огибающей ОН-полосы и температурой, что явилось предметом Патента РФ.

 

В настоящее время мониторинг температуры воды в арктическом регионе ведётся различными методами: это и установленные буи, и проводимые исследовательскими и торговыми судами измерения.  Пространственное разрешение таких измерений составляет менее километра, что даёт возможность составлять очень подробные карты температуры и по ним определять перенос теплоты-энергии океанскими течениями и предсказывать динамику таяния ледников для прогнозирования изменений глобального климата. Ввиду развития беспилотных систем сейчас возникла необходимость в создании достаточно компактного и эффективного оборудования для мониторинга, которое бы удовлетворяло требованиям по грузоподъёмности и энергопотреблению. Учёные ведут работы над созданием не только программного обеспечения, но и «железной» составляющей — самой лазерной системы и системы обработки.

 

Василий Леднев, ведущий эксперт кафедры сертификации и аналитического контроля НИТУ «МИСиС», один из авторов исследования, рассказал о перспективах данной работы: «Важнейшая задача дистанционного зондирования акваторий  калибровка и проверка результатов измерений со спутников с помощью различных прямых методов измерений параметров морской воды (температура, концентрация хлорофилла и т. д.). Создание и разработка автономных компактных лидарных систем (lidar  лазерный радар), устанавливаемых на беспилотные авианосители, позволяет получать подробные карты параметров океана, а также является востребованным направлением для изучения труднодоступных или опасных объектов, например айсбергов или шельфовых ледников».

 

Карта температуры воды в арктическом регионе

 

Среднегодовые изменения температуры мирового океана очень малы: на данный момент он теплеет на одну десятую градуса в десятилетие, в то время как за сезон его температура может меняться на несколько градусов. Таким образом, измеряя температуру с ошибкой даже в полградуса, мы значительно теряем в точности оценки переносимой теплоты-энергии: для сезонных измерений относительная погрешность составляет десятки процентов, долгосрочные же изменения могут быть не выявлены из-за ошибки измерений.

 

Характерным отличием дистанционного термометра на основе спектроскопии КР от радиометров микроволнового диапазона, используемых в настоящее время при дистанционном измерении температуры, является то, что зондирующее излучение лазера лежит в области видимого (сине-зелёного) спектра. Микроволны почти не проникают в толщу воды, и поэтому данные о температуре корректны лишь для поверхностного слоя толщиной до 30 микрон, который активно охлаждается сильным арктическим ветром. Волны видимого диапазона, напротив, способны проникать заметно глубже (110 метров) и практически исключить ошибку, связанную с охлаждением поверхности воды ветром. Для коррекции таких ошибок при спутниковых микроволновых измерениях необходима калибровка по данным контактных измерений с наземных станций, в то время как спектроскопия КР лишена этого недостатка и позволяет дистанционно получать информацию о температуре воды без помощи контактных измерений.

 

Физтех
38Статей
Московский физико-технический институт (МФТИ). Блог о последних научных открытиях ученых МФТИ и других российских вузов и исследовательских центров в различных областях науки, от астрофизики до генной инженерии.
2 977

Подпишись на нашу рассылку лучших статей и получи журнал бесплатно!

Комментарии

Plain text

  • Адреса страниц и электронной почты автоматически преобразуются в ссылки.
  • Разрешённые HTML-теги: <a> <em> <strong> <cite> <blockquote> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd> <br> <iframe> <embed> <br/>
  • Строки и параграфы переносятся автоматически.

Comment text

  • Адреса страниц и электронной почты автоматически преобразуются в ссылки.
  • Разрешённые HTML-теги: <a> <em> <strong> <cite> <blockquote> <code> <ul> <ol> <li> <dl> <dt> <dd> <br> <br/>

Быстрый вход

или зарегистрируйтесь, чтобы отправлять комментарии
Вы сообщаете об ошибке в следующем тексте:
Нажмите Отправить ошибку