Представлен новый метод дистанционных наблюдений динамических процессов в атмосфере — Naked Science
12 минут
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.
ФизТех
181 статей
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.
Позавчера, 10:31
28 минут
Илья Ведмеденко

Программа ПАК ДП (перспективный авиационный комплекс дальнего перехвата) привлекает к себе все больше внимания. Разберемся, что это такое и появится ли у России новый боевой самолет.

Вчера, 16:27
8 минут
Мария Азарова

Ученые проверили, может ли полиненасыщенная жирная кислота класса омега-6 DGLA, которая регулирует производство нескольких важных групп сигнальных молекул, запускать ферроптоз клеток, в том числе раковых.

Вчера, 20:41
6 минут
Мария Кривоченко

Группа ученых обнаружила общую черту у антител, которые нейтрализуют SARS-CoV-2, вызывающий Covid-19: оказалось, что один ген блокирует взаимодействие вируса с организмом человека.

Позавчера, 10:31
28 минут
Илья Ведмеденко

Программа ПАК ДП (перспективный авиационный комплекс дальнего перехвата) привлекает к себе все больше внимания. Разберемся, что это такое и появится ли у России новый боевой самолет.

10 июля
7 минут
Мария Кривоченко

Биологи выяснили, какое воздействие оказывают радиоволны на эмбрионы рыб. Оказалось, они существенно не влияют на уровень смертности, морфологию и реакцию на свет, но немного подавляют сенсомоторные функции. Как это скажется на взрослых особях, еще предстоит выяснить.

10 июля
5 минут
Сергей Васильев

Белок, выделенный из крови «тренированных» мышей, запускает такое же улучшение когнитивных функций и без всяких физических нагрузок.

6 июля
5 минут
Мария Азарова

Ученые, работающие с крупнейшим в мире радиотелескопом, сообщили об обнаружении эмиссии нейтрального водорода, исходящей от объектов за пределами нашей Галактики.

10 июля
7 минут
Мария Кривоченко

Биологи выяснили, какое воздействие оказывают радиоволны на эмбрионы рыб. Оказалось, они существенно не влияют на уровень смертности, морфологию и реакцию на свет, но немного подавляют сенсомоторные функции. Как это скажется на взрослых особях, еще предстоит выяснить.

1 июля
5 минут
Мария Кривоченко

Один из детекторов Большого адронного коллайдера обнаружил новую частицу, состоящую из четырех очарованных кварков. Физики полагают, что это первый представитель неописанного класса частиц.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Предстоящие мероприятия
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: