Знаете ли вы, кто и как меряет темепературу арктических вод? О, это целая большая система.
Данные о температуре воды снимают со специальных метеорологических буйков, получают от исследовательских и торговых судов. В реальном времени температуру океана можно измерять со спутника или с самолета с помощью радиометрии.
По данным последних наблюдений, мировой океан теплеет на одну десятую градуса в десятилетие. Это очень незначительные изменения. Но за сезон температура воды в океане может меняться на несколько градусов. Значит, измеряя температуру с ошибкой даже в полградуса, можно ошибиться на десятки процентов в оценке количества теплоты, переносимого за сезон океанскими течениями. А долгосрочные изменения энергии океана вообще можно не заметить из-за ошибки измерений. Не говоря уже о том, что есть места на Земле, куда и не доберешься, чтобы измерить темепературу океана или моря.
Кстати, считается, что в Арктике средняя температура растёт примерно вдвое быстрее, чем в целом на планете. Но так ли это?
С развитием беспилотных систем возникла срочная 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.
Российские учёные из НИТУ «МИСиС», МФТИ и ИОФРАН исследовали эффективность различных бесконтактных методов измерения температуры воды и её распределения по глубине. Проанализировали четыре собственных способа обработки данных. Наиболее оптимальный из четырех защитили российским патентом. Этот способ измерения показал точность в 0,15 градуса Цельсия.
Пространственное разрешение 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.
Результаты исследований авторы опубликовали в журнале Optics Letters.
Один из авторов исследования, Василий Леднев – ведущий эксперт кафедры сертификации и аналитического контроля НИТУ «МИСиС» – рассказал о перспективах сделанной работы: «Важнейшая задача дистанционного зондирования акваторий— калибровка и проверка результатов измерений со спутников с помощью различных прямых методов измерений параметров морской воды (температура, концентрация хлорофиллаит.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».
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 при рассеянии в ней световая волна меняет свою форму (модулируется) посредством молекулярных колебаний среды. И в рассеянном излучении появляются волны другой длины, или, говоря проще, другого цвета.
Взарубежной научной литературе комбинационное рассеяние называют эффектом 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. 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 КР-спектральная полоса воды изменяла форму и положение. Учёные проверяли, можно ли выделить достаточно точную зависимость между отдельными параметрами полосы и температурой воды.
В качестве таких параметров использовались площади отдельных частей под графиком, положение максимума огибающей полосы, разность между пиковыми значениями интенсивности при различных температурах. Между всеми перечисленными 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 патентаРФ.
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 при радиометрии 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.