Физики из МФТИ совместно с коллегами разработали новый метод дистанционного зондирования скорости ветра, альтернативный широко используемому лидарному и радарному зондированию.
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 км. 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. 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.
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. 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 км. Относительная простота и дешевизна данного спектрорадиометра позволит в будущем создавать обширные сети мониторинга состояния атмосферы.
Фото. Аспирант кафедры лазерных систем и структурированных материалов Сергей Зеневич настраивает гетеродинный спектрометр перед наблюдениями на крыше корпуса прикладной математики МФТИ. Источник: Александр Родин ©
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 им. А. М. Прохорова РАН и Российского исследовательского центра Samsung.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований.