Новости
Подписка
Библиотека
Новые книги
Карта сайта
Ссылки
О проекте

Пользовательского поиска






27.12.2016

Физики нашли способ дистанционно измерять температуру воды в Арктике

Российские ученые из НИТУ «МИСиС», МФТИ и Института общей физики 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, краткие итоги изложены в пресс-релизе МФТИ. 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. Исследование поможет 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.

Спектр комбинационного рассеяния при разных температурах (слева), метод разбиения подграфика на площади (справа). МФТИ
Спектр комбинационного рассеяния при разных температурах (слева), метод разбиения подграфика на площади (справа). МФТИ

Основой метода стало комбинационное рассеяние (КР) - явление, открытое в 1920-е годы. 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 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. Ученым необходимо было проверить, 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 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.

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 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».

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-зеленого) 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.


Источники:

  1. polit.ru



Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100
© Алексей Злыгостев, дизайн, подборка материалов, оцифровка, разработка ПО 2001–2016
При копировании материалов проекта обязательно ставить активную ссылку:
http://antarctic.su/ "Antarctic.su: Арктика и Антарктика"