Ученые Томского государственного университета получили грант РНФ на разработку дистанционного метода диагностики и прогнозирования состояния ориентированности кристаллических частиц льда в облаках. Метод основан на активном (лидарном) и пассивном (рассеянное солнечное излучение) зондировании. В дальнейшем массив экспериментальных данных будет использоваться для решения задач атмосферной оптики. Это позволит больше узнать о структуре и свойствах облаков верхнего яруса (ОВЯ), включая конденсационные следы самолетов. Облака верхнего яруса – важный фактор формирования и изменения климата и один из ключевых источников неопределенности в понимании атмосферных процессов, прогнозировании погоды и климатических изменений.
Проект «Экспериментальное исследование поляризационных характеристик солнечного излучения, рассеянного естественными и антропогенными облаками верхнего яруса, в зависимости от содержания и степени ориентированности частиц льда в них» поддержан грантом РНФ (№ 24-77-00097) по итогам конкурса«Проведение инициативных исследований молодыми учеными». Руководитель проекта – доцент кафедры оптико-электронных систем и дистанционного зондирования, старший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории лазерного зондирования радиофизического факультета ТГУИлья Брюханов.
С 2021 года ученые РФФ ТГУ совместно с коллегами из лаборатории анализа данных физики высоких энергий физического факультета ТГУ решают задачи по прогнозированию характеристик ОВЯ. Сейчас этиразработки осуществляютсяв рамках гранта РНФ № 24-72-10127.
– Проект является междисциплинарным – это пример сотрудничества двух факультетов по прогнозированию оптических и геометрических характеристик ОВЯ с применением лидара и инструментов машинного обучения в условиях изменяющегося климата Земли и постоянно увеличивающейся антропогенной нагрузки на атмосферу. При выполнении этих работ стало ясно, что информация об оптических свойствах исследуемых облаков должна быть дополнена данными о поляризации рассеянного ими солнечного излучения. Для решения этой задачи в настоящее время при поддержке РНФ мы реализуем следующий, новый проект: разрабатываем методику активно-пассивных лидарных измерений, – рассказываетИлья Брюханов.
Как пояснил Илья, изменения климата всё более заметны, и ученые уделяют этой проблеме постоянное внимание. Одним из важных факторов, который затрудняет прогнозирование климатических изменений, являются облака верхнего яруса. Они играют важную роль в погодо- и климатобразовании, включая усиление парникового эффекта, поскольку могут покрывать до половины земной поверхности. ОВЯ состоят преимущественно из ледяных частиц, которые ориентируясь горизонтально своими плоскими гранями, могут оздавать эффект зеркала – оно отражает значимую часть потока солнечной энергии, направленного к земной поверхности.
Задача диагностики ОВЯ в полной мере не решена, поскольку традиционные контактные методы исследования микроструктуры основаны на заборе проб воздуха в облаках, содержащих частицы льда, и в принципе не могут дать информацию об ориентации изучаемых частиц. Существующие модели атмосферы, включая глобальную оперативную модель атмосферы ПЛАВ Гидрометцентра России и глобальную модель Европейского центра среднесрочных прогнозов погоды (ECMWF), не учитывают особенности микроструктуры ОВЯ.
Схожими с ОВЯ оптическими свойствами обладают конденсационные следы самолетов. Они не только ослабляют потоки солнечного излучения, но и стимулируют образование перистой облачности. Долгосрочные наблюдения облаков верхнего яруса в северных широтах показывают: частота формирования перистой облачности увеличивается именно с ростом авиаперевозок.
Илья Брюханов, РФФ ТГУ. Работы на лидаре
Фото предоставили сотрудники лаборатории РФФ ТГУ
У ученых Томского госуниверситета есть возможность исследовать облака верхнего яруса на уникальной установке –высотном поляризационном лидаре. Он разработан на кафедре оптико-электронных систем и дистанционного зондирования РФФ. Лидар позволяет дистанционно (до высот 15 км) определять ориентацию ледяных частиц в облаках. С 2009 года в научно-исследовательской лаборатории лазерного зондирования РФФ накоплен значительный массив данных лидарных экспериментов – более 3 100 серий и более 800 часов измерений. В радиусе 100 км от лидара расположен ряд трасс гражданского авиационного сообщения.
Углубить понимание процессов формирования ОВЯ и улучшить возможности прогнозирования их характеристик помогло бы создание сети поляризационных лидаров. Однако это требует больших экономических затрат. На их снижение направлено накопление статистически значимого массива экспериментальных данных о состоянии поляризации рассеянного солнечного излучения в зависимости от ориентированности кристаллов в ОВЯ. Такие попытки известны, однако успеха они не достигли из-за отсутствия методов непосредственного определения ориентации кристаллов льда в облаках.
– Коэффициент зеркального отражения зависит от состояния поляризации падающего излучения. Применение поляризационного лидара ТГУ позволит определять состояние поляризации обратно рассеянного облаками излучения и сопровождать эти измерения оценкой ориентации кристаллов льда в ОВЯ. С этой целью в разрабатывается методика активно-пассивных лидарных измерений, направленная, в том числе, и на изучение особенностей облаков антропогенного происхождения (самолетных следов). Измеряя характеристики рассеянной солнечной радиации, мы соберем эти данные, что в дальнейшем поможет обнаруживать свойство зеркальности ОВЯ не только наземными средствами, но и спутниковыми, – поясняетИлья Брюханов.
На реализацию этих идей и направлен новый проект радиофизиков ТГУ, поддержанный грантом РНФ.