Российские физики дистанционно измерят температуру в Арктике

Российские ученые из НИТУ «МИСиС», МФТИ и ИОФ РАН исследовали эффективность различных бесконтактных методов измерения температуры воды и ее вариации (профиля) по глубине по спектральному отклику. Соответствующая статья была опубликована в журнале Optics Letters.

«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 имени А.М. Прохорова РАН.

В ходе исследования был проведен анализ четырех способов обработки данных, часть из которых была опубликована ранее. Наиболее оптимальный из них, который был предложен, разработан и защищен 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 растет примерно вдвое быстрее, чем в целом на планете.

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.

Ученые 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. Исследователям необходимо было проверить, можно ли выделить достаточно точную зависимость между отдельными параметрами полосы и температурой воды. Между всеми 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.

В настоящее время мониторинг температуры воды в арктическом регионе ведется различными методами: это и установленные буи, и данные с исследовательских и торговых судов. Однако в реальном времени и на поверхности океанов следить за динамикой температуры воды позволяет наблюдение с воздуха с использованием самолетов и спутников путем облучения лазером и изучения спектра. Пространственное разрешение составляет менее километра, что дает 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 грузоподъемности и энергопотреблению. Ученые ведут работы по созданию 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, таких как айсберги или шельфовые ледники».

Пресс-релизы о научных исследованиях, информацию о последних вышедших научных статьях и анонсы конференций, а также данные о выигранных грантах и премиях присылайте на адрес science@indicator.ru.