Российские исследователи представили новый метод дистанционного зондирования скорости ветра. Созданный прибор компактнее и дешевле применяемых сегодня аналогов. Работа опубликована в журнале Atmospheric Measurement Techniques (AMT).
Получать точные данные о скорости ветра учёным необходимо, например, для тонкой настройки метеорологических и климатических моделей. В частности, такие измерения могут применяться для прогнозирования погоды. Несмотря на огромный прогресс в дистанционном зондировании за последние десятилетия, получить точные данные о скорости ветра по-прежнему непросто.
По большей части данные собираются с помощью традиционных контактных методов, среди которых установленные на метеостанциях датчики или парящие в небе шары-зонды. Для измерений на высотах, не превышающих несколько десятков или сотен метров, учёные обычно используют лазерные или акустические анемометры — установки для измерения скорости потока воздуха. На высотах до десяти километров получить достаточно точные данные о скорости ветра помогают метеорологические радары. Однако и они, как правило, неэффективны за пределами тропосферы, которая заканчивается на высоте 10–18 км. Со спутников такие измерения практически не проводятся.
На сегодня самым надёжным прибором дистанционного зондирования скоростей ветра считаются доплеровские радары. Они представляют собой мощный источник электромагнитного излучения, который посылает сигнал в атмосферу и следит, как изменились параметры отраженного от воздушных масс пучка. Однако такие приборы громоздкие, массивные и дорогие. Прибор, разработанный российскими исследователями, существенно выигрывает по этим параметрам — он компактный, недорогой и создан из коммерчески доступных элементов.
Прибор использует принцип гетеродинной регистрации сигнала, который применяется в радиотехнике. Новая установка работает в ближнем инфракрасном диапазоне, на длине волны около 1,65 мкм. Прибор измеряет, насколько сместилась фаза колебаний солнечного излучения после его прохождения через атмосферу. В качестве эталона — гетеродина — исследователи использовали перестраиваемый полупроводниковый лазер.
Поскольку и радиосигнал, и инфракрасное излучение подчиняется одним и тем же законам распространения электромагнитных волн, принцип гетеродинирования можно одинаково применять в любом диапазоне спектра. Однако при гетеродинировании оптического излучения возникают свои проблемы. Одна из них — необходимость точного согласования волновых фронтов. При этом смещение пучка излучения даже на расстояние в доли длины волны ни в коем случае недопустимо.
Российские исследователи решили эту проблему с помощью оптических волокон с одной модой колебаний. Этот материал также позволил увеличить точность измерения частоты гетеродина. В результате авторы создали прибор, который не имеет 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 .
Автор: Ирина Понедельник
Редактор: Никита Шевцев
Понравился наш материал? Подписывайся на «Популярный университет» в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram.