03.06.2020
ФизТех

Представлен новый метод дистанционных наблюдений динамических процессов в атмосфере

4.6

Физики из МФТИ совместно с коллегами разработали новый метод дистанционного зондирования скорости ветра, альтернативный широко используемому лидарному и радарному зондированию.

Вид урагана из космоса / ©pressa.tv

Работа опубликована в Atmospheric Measurement Techniques (AMT). Необходимость в измерениях скорости ветра огромна — например, без этих данных невозможна тонкая настройка метеорологических и климатических моделей, в том числе моделей прогноза погоды. Несмотря на огромный прогресс в дистанционном зондировании за последние десятилетия, измерение движения воздушных масс — по-прежнему непростая задача. Основная масса данных собирается традиционными контактными методами — при помощи датчиков, установленных на метеостанциях, или аэрологических шаров-зондов.

Для локальных измерений на дистанциях, не превышающих несколько десятков или сотен метров, обычно используют лазерные или акустические анемометры. На расстояниях до десятков километров на помощь приходят метеорологические радары, но и они, как правило, неэффективны за пределами тропосферы, самого близкого к Земле слоя атмосферы толщиной 10–18 километров. Со спутников такие измерения практически не проводятся, есть только единичные эксперименты.

«Информацию о динамике атмосферы по-прежнему достаточно трудно получить с помощью прямых измерений. На сегодня наиболее надежными средствами дистанционного измерения поля скоростей ветра являются доплеровские радары. В этом случае идет активное зондирование среды мощным источником, что требует значительных ресурсов: массы, размеров, энергопотребления и, разумеется, стоимости оборудования.

Аспирант кафедры лазерных систем и структурированных материалов Сергей Зеневич настраивает гетеродинный спектрометр перед наблюдениями на крыше корпуса прикладной математики МФТИ / ©Александр Родин / Пресс-служба МФТИ

Разработанный нами прибор существенно выигрывает по этим параметрам — он компактный, недорогой и использует серийную элементную базу, широко представленную на рынке телекоммуникационного оборудования», — комментирует Александр Родин, руководитель лаборатории прикладной инфракрасной спектроскопии МФТИ.

Прибор основан на принципе гетеродинной регистрации сигнала, повсеместно применяемом в радиотехнике, однако работает он в оптическом, точнее, ближнем инфракрасном диапазоне, на длине волны около 1,65 мкм. Принцип основан на идее смешения принимаемого сигнала (в данном случае — излучения Солнца, прошедшего сквозь атмосферу) и эталонного источника (гетеродина), в качестве которого применяется перестраиваемый полупроводниковый лазер.

Эскиз лазерного гетеродинного спектрометра, используемого для профилирования ветра / ©www.atmos-meas-tech.net

Поскольку и радиосигнал, и инфракрасное излучение подчиняется одним и тем же законам распространения электромагнитных волн, неудивительно, что принцип гетеродинирования одинаково применим ко всем диапазонам спектра. Однако при гетеродинировании оптического излучения возникают свои сложности — например, требуется согласование волновых фронтов с очень высокой точностью, смещение пучка излучения на расстояние в доли длины волны недопустимо.

Команда из МФТИ решила эту проблему очень просто, применив одномодовые оптические волокна. Также требуется чрезвычайно точное управление частотой гетеродина с погрешностью не более 1 МГц, что по сравнению с частотой оптического излучения ничтожная величина. Здесь пришлось применить определенные хитрости, а главное — глубоко вникнуть в процессы генерации излучения полупроводниковым лазером.

В результате был создан прибор, не имеющий аналогов в мире по спектральному разрешению в ближнем инфракрасном диапазоне, — лазерный гетеродинный спектрорадиометр. Он измеряет инфракрасный спектр поглощения в атмосфере с рекордным для этого диапазона спектральным разрешением, что позволяет определить скорость ветра с точностью 3–5 м/с.

«Создать прибор, пусть даже и с рекордными характеристиками — это только полдела, — комментирует Александр Родин. — Для того, чтобы по измеренному спектру определить скорость ветра на различных высотах вплоть до стратосферы и выше, требовался специальный алгоритм решения обратной задачи. При ее решении мы не стали идти по пути машинного обучения, а применили классический подход, основанный на тихоновской регуляризации.

Обработка гетеродинного сигнала в LHS: (а) сигнал в опорном канале во время одного цикла нарастания тока лазерной накачки; (б) дисперсия шума в гетеродинном канале во время одного цикла нарастания тока лазерной накачки; (в) спектр атмосферного пропускания, полученный после удаления темного сигнала, нормализации до предполагаемого континуума (базовой линии) и калибровки частоты. Черные точки-эксперимент, красная кривая – подгонка модели / ©www.atmos-meas-tech.net

Несмотря на то, что этим методам уже более полувека, ими пользуется весь мир, и их потенциал далеко не исчерпан», — уточняет ученый. Расчеты позволяют узнать вертикальное распределение ветра от поверхности до высот приблизительно 50 километров. Относительная простота и дешевизна данного спектрорадиометра позволит в будущем создавать обширные сети мониторинга состояния атмосферы.

В ближайшее время специалисты лаборатории прикладной инфракрасной спектроскопии МФТИ планируют проводить с помощью созданной ими аппаратуры измерения стратосферного полярного вихря, а также концентрации парниковых газов в российской Арктике. Кроме того, вместе с коллегами из Института космических исследований РАН на основе этого же принципа они разрабатывают прибор для исследования атмосферы Венеры, который в рамках международного сотрудничества будет установлен на борту индийского искусственного спутника планеты «Шукраян».

Над созданием прибора совместно с сотрудниками Московского физико-технического института работали их коллеги из Института космических исследований РАН, Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН и Российского исследовательского центра Samsung. Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Сегодня, 05:30
Мария Азарова

Ученые из США представили альтернативный молекулярный механизм образования меланоцитарного невуса, который согласуется как с экспериментальными, так и с клиническими наблюдениями.

Вчера, 14:37
Николай Цыгикало

Запуск в космос всегда динамичен. Ревущий старт, огромный факел огня, затихающий гром в небе. Первая ступень отработала и отделилась, отработала следующая, эстафета ускорения закончилась достижением орбитальной скорости на нужной высоте. Пуск ракеты завершен, заняв всего восемь – десять минут. Но выведение на этом не заканчивается. В работу вступает особая, космическая ступень. Именно она поднимает орбиту на большую высоту, начинает межпланетное путешествие, и решает много других задач. О ее сложной работе и больших возможностях – в нашем материале.

5 часов назад
Василий Парфенов

Польские ученые-полярники засняли редкое событие — охоту полярного медведя не на морскую добычу, а наземную. Правда, молниеносная атака все равно произошла в воде. Подобное поведение северного хищника впервые удалось запечатлеть на видео.

25 ноября
НИУ ВШЭ

Мобильные ученые публикуются в индексируемых журналах в два раза чаще. К такому выводу пришли исследователи из НИУ ВШЭ.

26 ноября
Анастасия Михалева

За всю историю исследования в космосе побывали более 500 человек. В океан на глубину более 10 километров спускались всего трое. Мы до сих пор знаем о Мировом океане и его обитателях недопустимо мало.

25 ноября
Илья Ведмеденко

Российские инженеры спроектировали самолет для межконтинентальных полетов в стратосфере. Его можно назвать условным аналогом британского Skylon.

3 ноября
Ольга Иванова

Исследований на эту тему, как ни странно, мало, хотя предположений — великое множество. По мнению ученых из Венгрии, одна из причин такого поведения — высокая концентрация внимания на речи хозяина, а еще это означает, что собака слышит знакомое слово.

12 ноября
Мария Азарова

Кошки оказывались сбиты с толку, когда их человек, как им казалось, «телепортировался» в новое, неожиданное место. Однако они не реагировали таким же образом на чужих людей или других животных.

2 ноября
Мария Азарова

Авторы новой работы на примере Шотландии определили характеристики людей, умерших от Covid-19, хотя они были привиты, а также выявили основные предикторы смертности.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Подтвердить?
Не получилось опубликовать!

Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.

Понятно
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.
Ваша заявка получена

Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно
Ваше сообщение получено

Мы скоро прочитаем его и свяжемся с Вами по указанной почте. Спасибо за интерес к проекту.

Понятно

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: