Физики нашли способ дистанционно и точно измерять температуру в Арктике — Naked Science
12 минут
ФизТех

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.

Физики нашли способ дистанционно и точно измерять температуру в Арктике
Физики нашли способ дистанционно и точно измерять температуру в Арктике

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.

Физики нашли способ дистанционно и точно измерять температуру в Арктике

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.

Физики нашли способ дистанционно и точно измерять температуру в Арктике
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».

Физики нашли способ дистанционно и точно измерять температуру в Арктике
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 (1–10 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.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
ФизТех
196 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.
Вчера, 09:45
4 минуты
Сергей Васильев

Глубоко в носоглотке ученые обнаружили новую — четвертую — пару крупных слюнных желез, о существовании которой ранее никто не подозревал.

Позавчера, 08:27
11 минут
Мария Азарова

Ученые из Университетского колледжа Лондона рассказали о случае 45-летнего пациента, перенесшего Covid-19 в достаточно тяжелой форме: примерно через 40 дней после заражения он начал ощущать звон в ушах и внезапную потерю слуха.

Вчера, 14:56
5 минут
Ольга Иванова

Международная группа ученых реконструировала события крупнейшего вымирания в истории Земли — пермско-триасового — и назвала ключевой, по ее мнению, фактор, который привел к катастрофе.

Позавчера, 12:21
4 минуты
Ольга Иванова

Международная группа ученых сделала рентгеновские снимки грудного отдела тела муравьев, проанализировав их мышцы и внутренний скелет. В результате исследователи выяснили, что сила этих насекомых связана с потерей способности летать.

16 октября
6 минут
Василий Парфенов

Несмотря на устоявшееся мнение, согласно которому газотурбинные двигатели (ГТД) почти достигли технологического совершенства и прироста характеристик более чем на единицы процентов в новых моделях ждать не стоит, инженеры продолжают искать способы радикально их улучшить. Компания GE Aviation уже до конца 2020 года собирается представить предсерийные экземпляры своих революционных силовых установок, которые должны быть на 20% долговечнее, на 35% экономичнее и будут иметь улучшенную на 80% энерговооруженность, чем предыдущие аналогичные модели.

16 октября
53 минуты
Александр Березин

Одни говорят, что в мире миллионы тонн ядерных отходов и что их никогда не удастся надежно захоронить, в связи с чем Гринпис перекрывает железные дороги, по которым везут ядерные материалы, и требует свернуть всю ядерную отрасль в одночасье. Другие утверждают, что реальные ядерные отходы от деятельности АЭС во всем мире помещаются в куб со стороной десять метров. Как понять, кто прав, а кто — нет? И почему то, что для одних — «отходы», другие рассматривают как ценную инвестицию в будущее? Попробуем разобраться.

28 сентября
29 минут
Александр Березин

Сентябрь 2020 года принес в Закавказье войну — столкновение Азербайджана и Нагорного Карабаха получило большой размах, общее число жертв, судя по всему, уже перевалило за сотню, а Ереван и Баку объявили мобилизацию (в Азербайджане — частичную). Объективного смысла в войне для самих участников нет. Баку не победит, но и Армения от конфликта ничего не выиграет. Пользу конфликт, однако, объективно принесет Турции, а также тем, кто поставляет в Азербайджан оружие. Возникает вопрос: почему война оказалась возможна, несмотря на дружественную позицию России к Армении, и зачем на нее пошли в Баку? И есть ли у Еревана разумный выход из назревающей бойни?

16 октября
6 минут
Денис Гордеев

Люди со второй и четвертой группами крови с большей вероятностью переболеют Covid-19 в тяжелой форме.

1 октября
39 минут
Александр Березин

После советской эпохи атомные реакторы перестали запускать в космос, но сегодня все постепенно меняется. К атомной энергетике для марсианских колоний примеривается Илон Маск, проекты лунных АЭС прорабатываются в России — и все несмотря на то, что в космосе условия для солнечной энергетики лучше, чем на нашей планете. Что заставляет космическую отрасль все чаще думать об атомных реакторах? Как ни странно, дело в том, что и ядерная энергетика в космосе становится еще важнее, чем на Земле. Попробуем разобраться почему.

[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: