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.
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, 20:30
4 минуты
Илья Ведмеденко

Исследователи установили, что обнаруженный в Баренцевом море объект — погибшая советская субмарина типа «Крейсерская». Это одна из самых больших подлодок СССР периода Второй мировой.

Позавчера, 14:08
8 минут
Александр Березин

Исследователь из Гарварда проанализировал вероятность полного оледенения всей поверхности — включая экватор — для планет земного типа. Оказалось, это частый сценарий. И он может быть причиной уничтожения всей сложной жизни. Работа показывает неожиданную уязвимость нашей планеты для такого хода событий. По расчетам, в последние 20 тысяч лет Земля прошла буквально в нескольких градусах от полного и постоянного оледенения, исключающего выживание крупных наземных многоклеточных.

Вчера, 15:10
14 минут
Василий Парфенов

Сэру Тимоти Бернерсу-Ли мы обязаны созданием основы современной глобальной паутины. Но за 32 года с момента появления революционного проекта WWW интернет стал разительно отличаться от первоначальной задумки. Сеть превратилась в место манипуляций, рассадник преступлений против прав человека и колоссальный рынок персональных данных. Поэтому Бернерс-Ли уже несколько лет взращивает новое начинание, предназначенное для исправления ситуации, — сеть Solid.

Позавчера, 20:30
4 минуты
Илья Ведмеденко

Исследователи установили, что обнаруженный в Баренцевом море объект — погибшая советская субмарина типа «Крейсерская». Это одна из самых больших подлодок СССР периода Второй мировой.

12 апреля
4 минуты
Сергей Васильев

Каждый год на поверхность планеты оседают более 5000 тонн мелких частиц от комет и астероидов — на порядки больше, чем приносят падающие массивные метеориты.

Позавчера, 14:08
8 минут
Александр Березин

Исследователь из Гарварда проанализировал вероятность полного оледенения всей поверхности — включая экватор — для планет земного типа. Оказалось, это частый сценарий. И он может быть причиной уничтожения всей сложной жизни. Работа показывает неожиданную уязвимость нашей планеты для такого хода событий. По расчетам, в последние 20 тысяч лет Земля прошла буквально в нескольких градусах от полного и постоянного оледенения, исключающего выживание крупных наземных многоклеточных.

25 марта
36 минут
Александр Березин

Улыбающийся мультимиллиардер планирует понять, насколько эффективно мел в стратосфере защищает планету от солнечного света, и если результат хорош, распылить его там в гигантских количествах. Потенциально это результативная задумка: ученые давно показали, что так можно добиться полного покрытия Земли устойчивыми льдами — вплоть до экватора. Увы, идея Гейтса — плагиат, причем не лучший. Советский исследователь предложил похожее полвека назад с более эффективной серой. Интереснее другое: подобные мероприятия один раз едва не уничтожили человечество. Разбираемся в деталях, а также в том, грозит ли нам повторение.

31 марта
51 минута
Александр Березин

Самый зловещий оружейный проект всех времен и народов — термоядерная торпеда, предназначенная для радиационного поражения огромных площадей и создания искусственного цунами. Никогда до этого ни одна страна даже не заявляла о намерении сделать нечто настолько опасное для живых существ. Поэтому российский проект «Посейдон», обещающий именно это, вызывает бурю эмоций. Однако тщательный технический анализ показывает: в реальности он будет совсем не таким, как об этом пишут в СМИ. Даже если он предназначен для радиационного поражения обширных площадей, оно не будет долгим. А уже через год «омытые» им районы будут абсолютно безопасны. Тем не менее новая система действительно изменит стратегический баланс на планете — но не так, как все думают. Попробуем разобраться в ситуации подробнее.

26 марта
12 минут
Василий Парфенов

Похоже, история с американскими военными и «неопознанными воздушными феноменами» только набирает обороты. Новое расследование раскрыло многократные встречи нескольких кораблей Военно-морского флота Соединенных Штатов с аномально ведущими себя летательными аппаратами. Причем происходило это вне пределов досягаемости для любого коммерческого дрона или иного известного компактного БПЛА.

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

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

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: